АЛКИЛАМИНОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, ТВЕРДЫХ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ, НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
ALKYLAMINE COMPOSITION FOR WATER PURIFICATION FROM HEAVY METALS, SUSPENDED SOLIDS, OIL AND PETROLEUM PRODUCTS

Изобретение относится к области органической химии и может быть использовано для очистки питьевых и сточных вод предприятий различных отраслей промышленности от тяжелых металлов, в том числе хрома, цинка и марганца, а также твердых взвешенных частиц, нефти и нефтепродуктов [B01J 20/22, B01D 17/05, B01D 21/01, C02F 1/54, C02F 101/32, C02F 103/12, C02F 103/14, C02F 103/16, C07F 9/02].
Заявляемое вещество относиться к водорастворимым низкомолекулярным полимерным композициям, а более конкретно к алкиламиновым композициям, используемых в качестве флокулянта, коагулянта, поглотителя сероводорода, ингибитора коррозии, ингибитора солеотложений.
16
20
Известен флокулянт на основе полиакриламида [SU 1595850, опубл. 30.09.1990], когда в качестве модифицирующего агента используют продукт реакции эпихлоргидрина и смеси солей высших жирных кислот C-C.
Однако данную смесь необходимо диспергировать в растворе привитого сополимера полиакриламида с карбоксиметилцеллюлозой, взаимодействие проходит при достаточно высокой температуре 60-80°С, и достигается относительно небольшая эффективность работы флокулянта.
Известно вещество для очистки загрязненных поверхностей от нефти и нефтепродуктов [RU 93047805, опубл.: 10.05.1996], содержащее в качестве активного вещества фракции алифатических эфиров алкилкарбоновых кислот общей формулы RCOORf, где Rf=С1-С8, R=С8-С15, С16-С19, С20-С24, при массовом отношении соответственно от 0,2:1:1 до 2:3:7. Недостатком известного вещества является низкое значение электрокинетического потенциала и, как следствие, низкая скорость разрушения устойчивых водонефтяных эмульсий.
Известен флокулянт на основе высокомолекулярного полимера полиакриламида [RU 2077588, опубл.: 20.04.1997], полученного полимеризацией мономера акриламида, производимого биотехнологическим способом, применяемый как вещество для очистки вод от твердых взвешенных частиц и углеводородов.
Недостатком известного флокулянта является низкая скорость и относительно низкая степень очистки вод от твердых взвешенных частиц и углеводородов, в том числе от нефти и нефтепродуктов. Это обусловлено тем, что известный флокулянт является высокомолекулярным соединением, которое имеет ионогенный характер (катионо- или анионогенный в зависимости от состава) с узким диапазоном электрокинетического потенциала. Это затрудняет экранирование (нейтрализацию) противоположных зарядов взвешенных частиц и препятствует их слипанию (коагуляции). Кроме того, образование «полимерных мостиков», связывающих микрочастицы без изменения электрических свойств системы, приводящее, как следствие, к хлопьеобразованию (коалесценции) примесей, затруднено, вследствие пониженной «гибкости» высокомолекулярных цепочек полимерных соединений, особенно в соленой воде.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является чистящий реагент для очистки воды от твердых взвешенных частиц и углеводородов, в том числе нефти и нефтепродуктов [WO 2017039483, опубл.: 09.03.2017], содержащий фосфорсодержащие алкиламиновые композиции, используемый в качестве флокулянта и коагулянта в процессе водоподготовки и водоочистки.
Основной технической проблемой прототипа являются низкие очищающие свойства, поскольку он содержит единственный действующий компонент, который вследствие низкой эффективности не способен очищать сильнозагрязненную воду, насыщенную примесями тяжелых металлов и углеводородами, в том числе нефтью и нефтепродуктами.
Задачей, на достижение которого направлено изобретение, является полная очистка сточных вод от тяжелых металлов, уменьшение остаточного содержания различного рода примесей в очищаемой воде с одновременным увеличением степени деэмульсации нефтепродуктов. Таким образом, глубокая очистка сточных вод способствует решению следующих задач: улучшению экологической обстановки на предприятиях, снабжению населения более качественной водой, сокращению водопотребления промышленных предприятий, улучшению технологического процесса подготовки воды как из подземных, так и поверхностных источников.
Технический результат изобретения заключается в получении эффективного вещества для очистки воды от тяжелых металлов и отделения нефтепродуктов от воды.
Указанный технический результат достигается за счет того, что алкиламиновая композиция для очистки воды от тяжелых металлов, твердых взвешенных частиц, нефти и нефтепродуктов, содержащая алкиламинофосфонат натрия
где n=8-20,
3
2
n
6
3
6
и воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит оксиэтилендифосфоновую кислоту и гексаметафосфат натрия общей формулы СН - (CH) - Na -(РO), где n=7-15 при следующем соотношении компонентов, мас. %:
гексаметафосфат натрия - 5-20,
алкиламинофосфонат натрия - 30,
оксиэтилендифосфоновая кислота -1,
вода (гидратационная) - 49-64.
Осуществление изобретения.
Вещество для очистки воды от тяжелых металлов, твердых взвешенных частиц, нефти и нефтепродуктов содержит водные композиции алкиламинофосфоната натрия, гексаметафосфата натрия, оксиэтилидендифосфоновой кислоты в следующем соотношении, в масс. %:
гексаметафосфат натрия - 5-20,
алкиламинофосфонат натрия - 30,
оксиэтилидендифосфоновая кислота -1,
гидратационная вода - 49-64.
Основными действующими компонентами заявляемого вещества являются фосфорорганическими комплексонами, которые могут быть представлены веществами, содержащими фосфонаты щелочных металлов, фосфонокарбоксильные кислоты и водорастворимые полимеры, в частности алкиламинофосфонатом натрия и гексаметафосфатом натрия.
Гексаметафосфат натрия может быть представлен следующей формулой:
где n=7-15, что обеспечивает оптимальное функционирование реагента, однако при n<7 эффективность чистящего реагента снижается вследствие снижения очищающей и деэмульгирующей способностей. Гексаметафосфат натрия с количеством углеводородных радикалов n>15 сложно синтезируется, что затрудняет способ его получения и увеличивает длительность процесса синтеза компонента. Содержание гексамета фосфата натрия в составе заявляемого вещества находиться в диапазоне от 5 до 20 масс. %, а оксиэтилендифосфоновой кислоты - 1 масс. %. При концентрации гексаметафосфатанатрия и оксиэтилендифосфоновой кислоты менее 5 масс. % и 1 масс. % соответственно, очищающие свойства заявляемого вещества сводятся к свойствам алкиламинофосфоната натрия, при этом суммарное действие компонентов не наблюдается. При концентрации гексаметафосфата натрия более, чем 20 масс. % и оксиэтилендифосфоновой кислоты более, чем 1 масс. % данные комплексоны действуют как сильный ингибитор коррозии и солеотложений, однако эффективность коагуляционных и флокуляционных свойств при этом существенно снижается из-за изменения направления механизма действия заявляемого вещества. Экспериментально определено, что наиболее эффективные свойства заявляемое вещество проявляет в диапазоне концентрации гексаметафосфата натрия от 5 до 20 масс. % и оксиэтилендифосфоновой кислоты в пределах 1 масс. %. В данном диапазоне концентрации наблюдается существенный скачок степени коагулирующих свойств и увеличение активности флокулирующих свойств заявляемого вещества в целом. Алкиламинофосфонат натрия может быть представлен следующей формулой:
где n=8-20, что обеспечивает оптимальное функционирование компонента, однако алкиламинофосфонат натрия может состоять из различного числа радикалов. При количестве углеводородных радикалов алкиламинофосфоната натрия n<8, эффективность заявляемого вещества, вследствие снижения очищающей и деэмульгирующей способностей алкиламинофосфоната натрия, снижается. При количестве углеводородных радикалов n>20 алкиламинофосфонат натрия сложно синтезируется, что затрудняет способ его получения, увеличивая длительность процесса синтеза компонента.
Наиболее предпочтительная концентрация алкиламинофосфоната в заявляемом веществе на уровне 30 масс. %, так как использование упомянутого компонента в концентрации отличной от 30 масс. % нецелесообразно, из-за проявлении в этом случае веществом минимальных очищающих свойств.
Гидратационную воду в веществе используют в качестве растворителя, стабилизирующего заявляемое вещество.
Вещество для очистки воды от тяжелых металлов, твердых взвешенных частиц, нефти и нефтепродуктов получают параллельным синтезированием компонентов с их последующим смешиванием. Поэтапно получают алкиламинофосфонат натрия, гексаметафосфат натрия, оксиэтилендифосфоновую кислоту и смешивают их при поддержании постоянной температуры 50-60°С.
Гексаметафосфат натрия может быть получен обезвоживанием или плавлением мононатрийфосфата в муфельных печах с быстрым охлаждением расплава. Для этого кислый ортофосфат натрия прокаливают при температуре 700°С в шамотной печи до получения прозрачной и бесцветной жидкости. После окончания реакции в расплавленную массу вводят техническую кальцинированную соду в количестве 5-7% от веса, загруженного в печь сухого вещества и продолжают прокаливание при температуре 700°С в течение 30 минут. По окончании прокаливания готовый продукт сливают в железный химический реактор с водяным охлаждением.
9
14
9
14
Оксиэтилендифосфоновую кислоту получают, например, предварительной обработкой отхода производства хлорангидридов жирных кислот метиловым спиртом с последующим ацилированием уксусным ангидридом, гидролизом полученной ацетоксиэтилидендифосфоновой кислоты до оксиэтилидендифосфоновой кислоты. Для этого в реактор, снабженный мешалкой, термометром, обратным холодильником Либиха и капельной воронкой загружают 193 грамма отхода производства хлорангидридов синтетических жирных кислот фракции СС. Отход содержит 85 масс. % фосфористой кислоты, 10 масс. % синтетических жирных кислот фракции С С и 5 масс. % хлорангидридов этих кислот. При нагревании до температуры 60-75°С и перемешивании в реактор прикапывают в течение 10 минут 18 мл (0,45 моль) метилового спирта с весовым соотношением примеси 1:0,5. Полученную смесь выдерживают при перемешивании и температуре 65-75°С в течение 20-30 минут для удаления основной массы образовавшегося хлористого водорода. Затем при перемешивании в реактор прикапывают в течение одного часа 224,6 грамма (2,2 моль) уксусного ангидрида, при этом за счет выделения тепла температура реакционной массы поднимается до температуры 95-115°С. Реакционную массу выдерживают при температуре 115-130°С в течение 3 часов. К полученной реакционной массе при температуре 110-130°С и перемешивании медленно добавляют 277 мл (15,4 моль) воды. По окончании дозировки воды заменяют обратный холодильник на нисходящий с приемником и капельную воронку на сифон для подачи пара. Затем, путем подачи в реакционную массу острого пара осуществляют отпарку уксусной кислоты и органических примесей (эфиров карбоновых кислот) до содержания уксусной кислоты в гидролизате не более 1 масс. %. Отгоняют 215 грамм конденсата и получают 397 граммов (0,96 моль) водного раствора оксиэтилидендифосфоновой кислоты.
2
n
2
Алкиламинофосфонат натрия может быть получен путем обработки алифатических аминов фосфористой кислотой и формальдегидом в присутствии соляной кислоты с последующим охлаждением и нейтрализацией водным раствором едкого натра. Для этого, на первой стадии в реактор, снабженный мешалкой, термометром, обратным холодильником и гидрозатвором загружают 170 грамм воды, 170 грамм фосфористой кислоты, 25 грамм 35-процентной соляной кислоты. При этом добавляя воду обеспечивают лучшее и более быстрое растворение твердых гранул фосфористой кислоты. Смесь при постоянном перемешивании нагревают до температуры 80-90°С. На второй стадии в стеклянный реактор при одновременном охлаждении реакционной массы до температуры 50-60°С при постоянном мониторинге температуры дозированно подают 33 грамма 37-процентного водного раствора формальдегида. Далее производят загрузку этиленмоноалкилфенола в количестве 0,009 грамма. После стабилизации и температуры реакционной массы до заданной температуры на третьей стадии производят дозированную подачу в реактор алифатических аминов СН - (CH)-NH в количестве 200 граммов при поддержании температуры в стеклянном реакторе в пределах 50-60°С. Затем реакционную массу перемешивают с одновременным подъемом температуры до 90-100°С в течение 30-35 минут, что является достаточным для достижения равномерного прогрева реакционной массы. После подъема температуры, реакционную массу перемешивают дополнительно в течение 10-20 минут, что является достаточным для достижения равномерного распределения компонентов в реакционной массе.
На четвертой стадии капельно производят подачу 167 грамм 37-процентного водного раствора формальдегида при одновременном поддержании температуры реакционной массы до 80°С. Далее, после окончания подачи водного раствора формальдегида реакционную массу перемешивают в течение 1 часа. Затем реакционную массу (образовавшуюся смесь параметрического ряда алкиламинофосфонатов натрия) охлаждают до температуры 40-50°С. После охлаждения в реакционную массу, дозированно (капельно), чтобы избежать вспенивания, подают 42-процентный водный раствор едкого натра NaOH при поддерживаемой температуре в пределах 40-50°С. При достижении рН=8 прекращают подачу едкого натра и получают алкиламинофосфонат натрия.
Далее, после получения компонентов вещества, в реактор из нержавеющей стали, емкостью, например, 1000 мл, снабженный мешалкой, термометром, электрическим нагревателем, загружают 300 грамм алкиламинофосфоната натрия и 300 грамм гидратационной воды. Смесь при постоянном перемешивании нагревают до температуры 50-60°С. При постоянном перемешивании производят загрузку гексаметафосфата натрия в количестве 100 грамм, оксиэтилендифосфоновой кислоты в количестве 1 грамма и 299 грамм гидратационной воды. После добавления компонентов, реакционную массу перемешивают при постоянном поддержании температуры 50-60°С в течение 3 часов.
Заявляемое вещество соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень», т.к. содержащиеся в нем компоненты гексаметафосфат натрия, оксиэтилидендифосфоновая кислота и алкиламинофосфонат способствуют количественному снижению остаточных примесей тяжелых металлов, твердых взвешенных частиц, нефти и нефтепродуктов в очищаемой воде.
Заявляемое вещество соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость», т.к. может быть изготовлено и применено с помощью известных способов и веществ.
С целью определения оптимальной и эффективной концентрации гексаметафосфата натрия и оксиэтилидендифосфоновой кислоты в заявляемом веществе проводились исследования зависимости коагулирующих, флокулирующих и деэмульсационных свойств заявляемого вещества.
Исследования коагулирующих, флокулирующих и деэмульсационных свойств в заявляемом диапазоне концентрации производились путем анализа зависимости степени очистки воды от концентрации гексаметафосфата натрия и оксиэтилидендифосфоновой кислоты в заявляемом веществе. При этом контролировался визуально процесс хлопьеобразования. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Из полученной зависимости видно, что заявляемое вещество проявляет указанные выше свойства на всем диапазоне заявляемых концентраций, однако при концентрации гексаметафосфата натрия 10 масс. %, оксиэтилидендифосфоновой кислоты 1 масс. %, алкиламинофосфонатов 30 масс. % в заявляемом веществе степень очистки воды приближается к 100%, при этом сводя количество остаточных примесей к минимуму (около 3-4%). Это свидетельствует о том, что при добавлении гексаметафосфата натрия и оксиэтилидендифосфоновой кислоты в состав заявляемого вещества в данном диапазоне концентрации, заявляемое вещество проявляет свойства активного и эффективного флокулянта-коагулянта, агрегируя примеси различного качественного и количественного состава.
Также производили оценку очищающих свойств заявляемого вещества относительно эффективности традиционных реагентов для очистки воды. В качестве традиционного чистящего вещества использовали органический чистящий реагент, используемый в композиции с известковым молоком и применяемый на очистных сооружениях металлургических производств. В процессе исследования измеряли исходное количество вредных примесей и твердых взвешенных частиц в очищаемой воде и оценивали количество остаточных примесей после процесса очистки. Сравнительная характеристика степеней очистки от вредных примесей и твердых взвешенных частиц представлена в Таблице 2.
Новизна изобретения заключается в том, что вещество для очистки воды от тяжелых металлов, твердых взвешенных частиц, нефти и нефтепродуктов содержит гексаметафосфат натрия и оксиэтилендифосфоновую кислоту, которые усиливают свойства алкиламинофосфоната натрия, способствуя быстрому агрегатированию количественного состава примесей в широком диапазоне рН обрабатываемой жидкости. Таким образом, заявляемое вещество работает как катионогенное или анионогенное поверхностно-активное вещество при нейтрализации противоположных зарядов твердых взвешенных частиц и микрокапель обрабатываемых жидкостей, что позволяет успешно очищать воду от самых различных примесей (нерастворимых соединений тяжелых металлов, твердых взвешенных частиц и углеводородов) изменяя только рабочую дозировку вещества.