СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ СУСПЕНЗИЙ ОРГАНИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
METHOD OF REMOVING WATER-SOLUBLE ADMIXTURES FROM SUSPENSIONS OF ORGANIC PRODUCTS

Изобретение относится к процессам очистки тонкодисперсных органических веществ от водорастворимых примесей путем разрушения двойного электрического слоя ионов, образовавшихся в результате диссоциации в воде неорганических солей и кислот, введением активных частиц (наноструктурированных материалов), формирующих энергию связи наночастица-ион, большую по величине, чем энергия связи частица органического вещества-ион примеси. Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и др. отраслях промышленности.
Известны способы удаления водорастворимых примесей с поверхности частиц органических веществ.
Так, известен способ очистки суспензий, содержащих тонкодисперсные частицы органического вещества методом декантации с последующей репульпацией (описанный в монографии Малиновская А.Т. Разделение суспензий в промышленности органического синтеза. - М.: Химия, 1971. - 320 с.), осуществляемых по следующей технологической схеме.
Суспензию органического вещества по окончании стадии синтеза передают в емкость, где ее разделяют отстаиванием на:
1. Органический слой, содержащий твердую фазу (частицы органического вещества с сорбированными ионами примесей) и жидкую фазу - раствор водорастворимых примесей.
2. Водный слой, содержащий раствор водорастворимых примесей. При формировании водного слоя над органическим его декантируют методом сифонирования, при формировании органического слоя над водным слоем его удаляют сливом через нижний спуск.
В сгущенную суспензию (органический слой) вводят промывную жидкость объемом, равным объему органического слоя, и перемешивают до устранения концентрационных градиентов по водорастворимым примесям в жидкой фазе в объеме суспензии. По окончании процесса перемешивания суспензию отстаивают до формирования четкой границы раздела между водным и органическим слоями, далее процесс декантации повторяется. Количество циклов декантации-репульпации определяется на основании требований конечной концентрации водорастворимых примесей в сгущенной суспензии, и может составлять от 3 до 8 циклов.
К недостаткам данного способа удаления водорастворимых примесей можно отнести большой расход промывной жидкости, плохое удаление ионов водорастворимых примесей и, как следствие, высокая концентрация водорастворимых примесей в органическом слое (сорбированные на поверхности частиц органического вещества ионы солей и кислот не удаляются), а также высокое содержание влаги в сгущенной суспензии по окончании процесса.
Аналогом патентуемого решения является способ отмывки водорастворимых солей из паст органических пигментов водой различной кластерной структуры, содержащей наноматериалы (диссертация кандидата технических наук: 05.17.08 Кинетика процесса отмывки водорастворимых солей из паст органических пигментов водой различной кластерной структуры с введением наноматериалов. Субочева Мария Юрьевна, Место защиты: Тамб. гос. техн. ун-т]. - Тамбов, 2011. - 287 с.), согласно которому удаление водорастворимых примесей из паст азопигментов осуществляется в результате проведения процесса многократной декантации-репульпации с использованием в качестве промывной жидкости структурированной воды, содержащей нанометаллы железа или никеля в концентрации 0,001 масс. %. Структуризация воды осуществляется за счет ее дистилляции, замораживания-размораживания или фильтрации через слой наноструктурированного углерода. Объем промывной жидкости, использованной в каждом цикле репульпации, определяется исходя из определенного объема концентрированной суспензии. Требуемая концентрация водорастворимых примесей в суспензии достигается за 6-8 циклов.
Использование такого способа удаления водорастворимых примесей позволяет сократить расход промывной жидкости, необходимой для достижения требуемой концентрации, повысить колористические показатели качества готового продукта.
К недостаткам данного способа удаления водорастворимых примесей можно отнести сложность процесса приготовления промывной жидкости - структуризации воды, большой расход наноматериалов, так как промывная жидкость в каждом цикле репульпации содержит наночастицы металлов.
Технический результат патентуемого изобретения заключается в повышении эффективности использования промывной воды за счет введения в нее наночастиц оксидов металлов, металлов и мицеллярных растворов (фиг.1), (1), являющихся центрами для формирования активной псевдоструктуры воды (2), со свойством концентрации ионов водорастворимых примесей (3, 4), что обеспечивает локальное снижение концентрации у поверхности частиц органического вещества (5), а также активными центрами для образования двойного эклектического слоя из ионов водорастворимых примесей на поверхности наночастиц (фиг.2), (8, 9) с большей энергией связи, чем энергия связи двойного электрического слоя примесей с частицами органического вещества (6, 7). Это ведет к уменьшению потерь целевого вещества с промывной жидкостью и снижению объемов сточных вод, требующих очистки от органических соединений и водорастворимых примесей, и повышению потребительских свойств органических веществ.
Технический результат достигается за счет процесса отмывки тонкодисперсных органических веществ многократной декантацией-репульпацией, первую, вторую репульпацию проводят с использованием в качестве промывной жидкости - воды, приготовленной следующим образом.
В артезианскую воду, очищенную с помощью сорбента - углерода высокой реакционной способности (УСВР), методом фильтрования через его слой, вводят наноматериалы, в качестве которых может быть использован, например, порошок наночастиц оксида никеля с хромом с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц оксида никеля с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц оксида железа с размером частиц 15-50 нм, или их смесь.
n
Углерод высокой реакционной способности может быть получен в результате химической обработки исходного графитсодержащего сырья одним из галогенкислородных соединений, имеющих формулу MXO по способу, описанному в патенте РФ №2184086, МПК 7: C02F 1/28, опубл. 27.06.2002 г.
Третью репульпацию проводят следующим образом: в сгущенную суспензию вводят промывную жидкость - артезианскую воду, содержащую наноматериалы - сорбенты ионов водорастворимых примесей. Которые при взаимодействии с раствором, содержащим ионы водорастворимых примесей, образуют частицы, состоящие из наноструктурированных материалов с двойным электрическим слоем из ионов, используя при этом для формирования потенциалобразующего слоя противоионы из двойного электрического слоя, сформированного вокруг частицы органического вещества. Этот процесс проводят при перемешивании суспензии в течение 5-30 мин.
Для удаления мицелл, представляющих собой частицы наноматериалов с сорбированными на поверхности ионами водорастворимых примесей из органического слоя, в случае его формирования над водным слоем, в суспензию вводят коагулянты, обеспечивающие образование частиц большего размера из частиц наноматериалов и их осаждение в процессе декантации. В случае осаждения органического слоя удаление частиц наноматериалов возможно фильтрованием суспензии с последующей промывкой на фильтровальной перегородке или проведением четвертого цикла декантации-репульпации.
В качестве наноматериалов может быть использован, например, порошок наночастиц алюминия с размером частиц 15-50 нм или порошок наночастиц платины с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц железа с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц никеля с размером частиц 15-50 нм, или смесь этих наноматериалов. В качестве коагулянта может быть применен полиоксихлорид алюминия РАС (PAX-PS), или титановый коагулянт (ТУ 262212-001-45527070-2001), или гидроксохлорид алюминия (ТУ 6-00-05795731-250-96), или сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85).
Для формирования органического слоя с минимальным содержанием жидкой фазы и высокими показателями качества проводят четвертую репульпацию. Промывная жидкость содержит частицы наноматериалов, повышающих гидрофобность частицы органического вещества и оптическую концентрацию готового продукта. Эти свойства формируются в результате сорбции наноматериалов (фиг.3) (1) на поверхности частиц органического вещества (3). В качестве наноматериалов может быть использован, например, мицеллярный раствор серебра 10-20% в химически чистом изооктановом растворителе с размером частиц 3-12 нм, или мицеллярный раствор золота 10-20% в химически чистом изооктановом растворителе с размером частиц 3-12 нм, или порошок наночастиц никеля с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц железа с размером частиц 15-50 нм, или смесь этих наноматериалов.
Далее приведено подробное описание каждого цикла декантация-репульпация.
По окончании формирования суспензии органического продукта, содержащей тонкодисперсные частицы, ее передают в емкостной аппарат с перемешивающим устройством для осуществления декантации и смотровым устройством для визуальной оценки полноты отстаивания. Суспензию органического вещества термостатируют при температуре, обеспечивающей максимальную скорость разделения на органический и водный слои, и далее отстаивают до формирования четкой границы разделения водного и органического слоев.
В случае отрицательной разности плотностей органического вещества и водного слоя или незначительной разности плотностей при наличии ярко выраженных гидрофобных свойств у частиц органического вещества (очень низкая смачиваемость) органический слой формируется над водным слоем, тогда удаление жидкой фазы осуществляется через нижний спуск. Во всех остальных случаях органический слой располагается под водным слоем. В этом случае декантацию жидкой фазы проводят методом сифонирования.
-4
-2
Для осуществления первого и второго цикла репульпации промывную жидкость готовят в отдельной емкости, в которую через проточный фильтр, содержащий УСВР, заливают артезианскую воду при температуре 15-30°С и при перемешивании добавляют с помощью дозаторов порошок наночастиц оксида никеля с оксидом хрома с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц оксида никеля с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц оксида железа с размером частиц 15-50 нм, или их смеси. Концентрация наночастиц в промывной жидкости должна быть в диапазоне 1×10-5×10% масс. По факту введения наноматериалов промывную жидкость настаивают в течение 2 часов.
пр.
cc
Далее проводят первую репульпацию. Для этого в сгущенную суспензию вводят приготовленную промывную жидкость из расчета на 1 объем сгущенной суспензии 0,5-1,5 объема промывной жидкости (V/V). Процесс ведут при включенной мешалке в течение 5-20 мин до выравнивания концентрации твердых частиц в суспензии по перемешиваемому объему. По окончании перемешивания мешалку останавливают и выдерживают до образования четкой границы раздела органический-водный слои в течение 5-30 мин. Далее водный слой декантируют. Проведение второго цикла декантации-репульпации осуществляется по методике и с применением промывной жидкости, используемой в первом цикле.
Третий цикл декантации-репульпации осуществляется с использованием промывной жидкости, приготовленной следующим образом.
-4
-3
В емкость заливают артезианскую воду, или речную (очищенную от механических примесей), или конденсат водяного пара (охлажденного до температуры не более 30°С) и при перемешивании добавляют с помощью дозаторов порошок наночастиц алюминия с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц никеля с размером частиц 15-50 нм, или порошок платины с размером частиц 15-50 нм, или порошок наночастиц железа с размером частиц 15-50 нм, или их смеси. Концентрация наночастиц в промывной жидкости должно быть в диапазоне 5×10-5×10% масс. По факту введения наноматериалов промывную жидкость выстаивают в течение 2 часов.
Далее проводят третью репульпацию, для чего в сгущенную суспензию органического вещества вводят приготовленную промывную жидкость из расчета на 1 объем сгущенной суспензии 0,5-1,5 объема промывной жидкости, процесс ведут при включенной мешалке до выравнивания концентрации твердой фазы по объему суспензии в течение 5-20 мин.
-3
-2
В случае (I) формирования органического слоя над водным в перемешанную суспензию вводят коагулянт: полиоксихлорид алюминия РАС (PAX-PS), или титановый коагулянт, или гидроксохлорид алюминия, или сульфат алюминия. Концентрация коагулянта в пересчете на действующее вещество в суспензии должно быть в диапазоне 2×10-2×10% масс. Процесс коагуляции мицелл (частица наноматериала с ДЭС, образованного ионами водорастворимых примесей) проводят при перемешивании в течение 10-20 мин.
По окончании перемешивания мешалку останавливают до фиксации четкой границы раздела органический-водный слои и образования на дне водного слоя помутнения или осадка, или в течение 10-40 мин. Далее водный слой декантируют.
В случае (II) формирования органического под водным слоем перемешанную суспензию насосом с давлением 0,6 МПа подают на фильтр-пресс, где происходит ее разделение на осадок и маточник. По окончании фильтрования в фильтр-пресс подают промывную жидкость (приготовленную для третьего цикла декантации-репульпации) из расчета 0,1-0,5 объема на 1 объем подаваемой на фильтрование суспензии. Промытую на фильтре-прессе пасту направляют в емкость для проведения четвертого цикла декантации-репульпации.
Четвертый цикл декантации-репульпации проводится по следующей схеме: в сгущенную суспензию (в случае I) или пасту (в случае II) вводят промывную жидкость из расчета на 1 объем сгущенной суспензии или пасты 0,5-3 объема промывной жидкости, процесс ведут при включенной мешалке до выравнивания концентрации твердой фазы по объему суспензии в течение 5-20 мин. По окончании перемешивания мешалку останавливают до образования четкой границы раздела органический-водный слои в течение 5-30 мин
-4
-3
Промывную жидкость для четвертого цикла декантации-репульпации готовят следующим образом. В емкость заливают артезианскую воду или речную, очищенную от механических примесей, или конденсат водяного пара, охлажденный до температуры 30°С, при перемешивании добавляют с помощью дозаторов мицеллярный раствор серебра 10-20% в химически чистом изооктановом растворителе с размером частиц 3-12 нм, или мицеллярный раствор золота 10-20% в химически чистом изооктановом растворителе с размером частиц 3-12 нм, или смесь этих наноматериалов. Концентрация наночастиц, в пересчете на целевое вещество, в промывной жидкости должна быть в диапазоне 1×10-1×10% масс. По факту введения наноматериалов промывную жидкость настаивают 2 часа. Сгущенную суспензию передают на стадию сушки.
Далее изобретение поясняется ссылками на конкретные примеры осуществления способа.
Пример 1
Процесс удаления водорастворимых примесей осуществляли четырехкратным повторением цикла декантации-репульпации, очистке подвергалась суспензия Пигмента оранжевого Ж, имеющая характеристики, приведенные в таблице 1.
Таблица 1 Компонентный состав суспензии Пигмента оранжевого Ж
Пигмент, % масс.
NaCl% масс.
Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>% масс.
HCl% масс.
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>% масс.
Орган, прим. % масс.
Н<sub>2</sub>О% масс.
Дисп. состав тв. фазы, мкм
раств.
не раств.
3,63
1,21
0,05
0,37
0,03
0,07
0,08
94,56
1-12
3
2
Процесс многократной декантации-репульпации проводили в цилиндрическом вертикальном аппарате объемом 50 м с турбинной мешалкой диаметром 0,60 м и числом оборотов 400 об/мин, в качестве теплообменного устройства использовался змеевик диаметром витков 2,5 м с площадью поверхности 45 м. Процесс многократной декантации-репульпации осуществлялся при следующих технологических параметрах (таблица 2).
Таблица 2
Технологические характеристики процесса многократной декантации-репульпации суспензии Пигмента оранжевого Ж
№
Наименование поазателя
Ед. изм.
Номер цикла
1
2
3
4
1
Вода на промывку
артезианская
артезианская
речная
речная
2
Наноматериал
оксид никеля
оксид никеля
железо
раствор серебра
3
Концентрация наноматериала в промывной жидкости
кг/м<sup>3</sup>
0,005
0,005
0,003
0,003
4
Объем пром. жид. на промывку.
V<sub>пр</sub>/V<sub>cc</sub>
1
1
1
1
5
Тип коагулянта
полиоксихлорид алюминия
-
6
Концентрация коагулянта в суспензии
кг/м<sup>3</sup>
-
-
0,01
-
7
Время перемешивания
мин
7
7
15
20
8
Время отстаивания
мин
10
10
10
10
9
Время коагулирования
мин
-
-
15
-
Пример 2
3
Отличается от примера 1 тем, что при приготовлении промывной жидкости для первой и второй репульпации использовался порошок смеси наночастиц оксида никеля и хрома с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,005 кг/м.
Пример 3
3
Отличается от примера 1 тем, что при приготовлении промывной жидкости для первой и второй репульпации использовался порошок оксида железа с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,005 кг/м.
Пример 4
3
Отличается от примера 1 тем, что при приготовлении промывной жидкости для третьей репульпации использовался порошок алюминия с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,003 кг/м.
Пример 5
3
Отличается от примера 1 тем, что при приготовлении промывной жидкости для третьей репульпации использовался порошок никеля с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,003 кг/м.
Пример 6
3
Отличается от примера 1 тем, что в качестве коагулянта использовался титановый коагулянт (ТУ 262212-001-45527070-2001), вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,01 кг/м.
Пример 7
3
Отличается от примера 1 тем, что при приготовлении промывной жидкости для четвертой репульпации использовался мицеллярный раствор золота 10-20% в химически чистом изооктановом растворителе с размером частиц 3-12 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,003 кг/м в пересчете на основное вещество.
Пример 8
Отличается от примера 1 тем, что в процесс многократной декантации-репульпации проводили со следующими технологическими характеристиками, таблица 3.
Таблица 3Технологические характеристики процесса многократной декантациирепульпации суспензии Пигмента оранжевого Ж
№
Наименование поазателя
Ед. изм.
Номер цикла
1
2
3
4
1
Вода на промывку
артезианская
артезианская
речная
речная
2
Наноматериал
оксид никеля
оксид никеля
железо
раствор серебра
3
Концентрация наноматериала в промывной жидкости
кг/м<sup>3</sup>
0,001
0,001
0,0005
0,0005
4
Объем пром. жид. на промывку.
V<sub>пр</sub>/V<sub>cc</sub>
0,7
0,7
0,7
0,
75
Тип коагулянта
полиоксихлорид алюминия
-
6
Концентрация коагулянта в суспензии
кг/м
-
-
0,05
-
7
Время перемешивания
мин
20
20
20
20
8
Время отстаивания
мин
30
30
40
30
9
Время коагулирования
мин
-
-
15
-
Пример 9
3
Отличается от примера 8 тем, что при приготовлении промывной жидкости для первой и второй репульпации использовался порошок смеси наночастиц оксида никеля и хрома с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,001 кг/м.
Пример 10
3
Отличается от примера 8 тем, что при приготовлении промывной жидкости для первой и второй репульпации использовался порошок оксида железа с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,001 кг/м.
Пример 11
3
Отличается от примера 8 тем, что при приготовлении промывной жидкости для третьей репульпации использовался порошок алюминия с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,0005 кг/м.
Пример 12
3
Отличается от примера 8 тем, что при приготовлении промывной жидкости для третьей репульпации использовался порошок никеля с размером частиц 15-50 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,0005 кг/м.
Пример 13
3
Отличается от примера 8 тем, что в качестве коагулянта использовался титановый коагулянт (ТУ 262212-001-45527070-2001), вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,05 кг/м.
Пример 14
3
Отличается от примера 1 тем, что при приготовлении промывной жидкости для четвертой репульпации использовался мицеллярный раствор золота 10-20% в химически чистом изооктановом растворителе с размером частиц 3-12 нм, вводимый в промывную жидкость с массовой концентрацией 0,0005 кг/м в пересчете на основное вещество.
Процесс удаления водорастворимых примесей из суспензии Пигмента оранжевого Ж по технологии многократной декантации-репульпации, приведенный в примерах, позволяет сократить количество промывных вод, необходимых для достижения требуемой концентрации водорастворимых примесей в пасте, снизить потери целевого вещества на стадии промывки и повысить колористические характеристики готового продукта, данные приведены в таблице 4.
Таблица 4Характеристики качества Пигмента оранжевого Ж
Общее количество промывных вод, м<sup>3</sup>
Характеристики отмытой сгущенной суспензии
Характеристики готового продукта
Номер примера
Концентрация водорастворимых примесей в жидкой фазе, кг/м<sup>3</sup>
Концентрация водорастворимых примесей, сорбированных на твердой фазе, кг/м<sup>3</sup>
Влажность, кг/кг
Оптическая концентрация сухого продукта относительно стандартного образца, %
Общее цветовое отличие, относительно стандартного образца, %
Электропроводность, мкСм
Пример 0*
66
0,33
0,16
0,96
103,4
0,45
138,6
Пример 1
51
0,18
0,08
0,93
142,3
0,98
67,2
Пример 2
51
0,24
0,09
0,93
137,8
1,00
89,5
Пример 3
51
0,21
0,09
0,92
139,5
0,95
74,2
Пример 4
51
0,19
0,08
0,93
140,8
0,87
68,4
Пример 5
51
0,18
0,07
0,92
143,5
1,12
71,2
Пример 6
51
0,18
0,09
0,91
139,8
0,95
65,4
Пример 7
51
0,19
0,10
0,92
148,3
1,52
71,2
Пример 8
44
0,24
0,12
0,95
132,4
0,77
89,2
Пример 9
44
0,32
0,13
0,95
128,21
0,79
118,8
Пример 10
44
0,28
0,13
0,94
129,79
0,75
98,5
Пример 11
44
0,25
0,11
0,95
131,00
0,68
90,8
Пример 12
44
0,26
0,15
0,94
133,52
0,88
94,5
Пример 13
44
0,24
0,12
0,93
130,07
0,75
86,8
Пример 14
44
0,25
0,12
0,94
137,98
1,19
94,5
Пример 0* - образец, отмытый по технологии 4 кратной декантации - репульпации с использованием артезианской воды на каждом цикле объемом 1 V<sub>пр</sub>/V<sub>cc</sub>, время перемешивания 10 мин, отстаивания 20 мин.