專利名稱：水性懸浮液脫水方法
技術領域：
本發明涉及水性懸浮液的絮凝和脫水，形成一種脫水濾餅。
眾所周知，為了分離該懸浮液中的固體，將絮凝劑施用到水性懸浮液中。例如，慣例是使含有要么懸浮固體、要么有機材料、要么礦物質固體的懸浮液絮凝、然后脫水。例如，慣例是使下水污泥、廢水、紡織工業排水、拜耳礬土精煉法的紅泥和煤炭尾礦懸浮液等的污泥絮凝。絮凝作用通常是這樣達到的向該懸浮液中混入該絮凝劑，使懸浮微粒絮凝，然后使絮凝的懸浮液脫水，形成一種脫水濾餅。
在懸浮液的脫水中，已知的是將一種作為絮凝劑的高分子量水溶性聚合物添加到該懸浮液中，以期脫除該懸浮液中的液體和大大增加該懸浮液的干固體。高分子量絮凝劑在性質上可以是陽離子的、陰離子的、非離子的或兩性的。聚合物絮凝劑的選擇將在很大程度上取決于所處理的基質。例如，慣例是使用高分子量陽離子型絮凝劑處理包含懸浮有機材料的水性懸浮液例如下水污泥。在造紙中，已知的是使用要么陽離子型的、非離子型的、陰離子型的或兩性型的絮凝劑。礦物質懸浮液的絮凝作用往往是使用陰離子型絮凝劑進行的。
標準的做法是施用作為水性組合物的聚合物來使含有懸浮有機材料的懸浮液絮凝。一般來說，該聚合物的組合物是相對稀的、例如不大于1wt％、通常不大于0.5wt％、而且可以低達0.2wt％或更低。
已經有人提出了將絮凝劑導入懸浮液中的各種替代方法。WO-A-02/079099描述了一種方法，其中將至少一種絮凝劑乳狀液直接添加到一個固-液分離過程中，并原位轉化，使絮凝劑直接釋放到該應用中。該乳狀液是專門在該固-液分離過程添加的，并遭遇到足夠時間和壓力的有效量高剪切力以確保該乳狀液的迅速轉化和在任何初步分離之前絮凝劑完全釋放到整體懸浮液中。
WO-A-98/31749和WO-A-98/31748都涉及制備高特性粘度陽離子型聚合物在一種含有溶解的低特性粘度陽離子型聚合物的水性介質中的分散液。這樣形成的產物是一種未溶解高特性粘度陽離子型聚合物的水性分散液，這是提供高分子量絮凝劑的一種方便途徑。該分散聚合物可以在水中溶解到慣常的濃度，也可以直接添加到懸浮液中。
也已知的是將兩種不同的聚合物絮凝劑用于同一方法中。在商業實踐上，下水污泥的脫水可能涉及添加兩種有相同電荷的聚合物絮凝劑(共同離子型)。在其它方法中，已知的是施用兩種相反電荷的聚合物(抗衡離子型)。在兩種聚合物絮凝劑施用于一種水性懸浮液的情況下，它們可以同時添加，或者更通常地是順序添加。
WO-A-01/05712揭示一種通過實質上同時向該懸浮液中添加一種濃的和一種稀的聚合物絮凝劑溶液的懸浮液脫水方法。該濃的和稀的聚合物溶液都是以不大于1％且通常比此值低得多的慣常濃度添加的。
WO-A-02/72482描述了一種懸浮固體的水性懸浮液的絮凝和脫水方法，其中同時導入一種包含40wt％～60wt％聚合物的聚合物組合物和一種包含0.05～0.2wt％聚合物的聚合物組合物。盡管該方法帶來過濾和自由排水方面的一些改進，但改進懸浮液脫水得到的濾餅固體會是理想的，對下水污泥來說尤其如此。
在本專利申請的優先日期尚未公布的國際專利申請PCT/EP03/09381描述了一種懸浮液脫水方法，所采用的組合物包含一種陽離子型聚合物絮凝劑和一種混凝劑，其中該混凝劑是用膠囊包起來的。在該懸浮液自由排水之后，該混凝劑就諸如通過使封裝該混凝劑的膠囊破裂或通過從夾持該混凝劑的基體滲移出來而釋放到該懸浮液中。盡管可以得到濾餅固體的顯著改進，但使用可以更容易地制造和/或施用的絮凝劑產品來提供等效或改進的濾餅固體會是所希望的。
然而，達到高濾餅固體有時可能是困難的，下水污泥脫水尤其如此。也已知的是添加一種絮凝劑或混凝劑來幫助懸浮液的初步脫水、隨后進一步添加絮凝劑或混凝劑、然后進一步脫水，來達到高濾餅固體。這樣的方法描述于JP-A-10-249398，JP-A-61-257300，JP-A-06-343999，JP-A-06-344000和EP-A-1035077。然而，這些方法的缺點在于它們需要涉及兩種分別用絮凝劑處理的兩個脫水階段。
提供一種能導致懸浮液脫水而提供增大的濾餅固體的改進方法，會是所希望的。具體地說，提供這樣一種涉及能容易地和方便地制造和施用的處理劑的方法會是所希望的。本發明的一個進一步目的是提供一種能避免在兩個分開的步驟中采用絮凝劑添加的必要性的方法。
在所有上述公開文書中，目的都是使所有聚合物在任何初步分離之前完全溶解和分布于整個懸浮液本體中。
按照本發明，我們提供一種水性懸浮液脫水方法，包含用脫水量的一種逆相聚合物處理該懸浮液，并對該懸浮液進行機械脫水而形成一種濾餅，其特征在于該逆相聚合物只部分地轉化就引起該懸浮液的絮凝和增稠，然后在進一步機械脫水期間完全轉化，導致該懸浮液進一步脫水。
該逆相聚合物可以與其它化學脫水處理配合使用。這些化學脫水處理可以例如是慣常絮凝劑如陽離子型聚酰胺或慣常混凝劑如聚胺或PolyDADMACs。這樣的化學處理劑可以在該逆相乳狀液之前或之后添加，也可以與其同時添加。
盡管本方法中可以添加其它化學處理劑，但較好的是該逆相聚合物是唯一化學脫水處理助劑。
本發明可應用于任何一種希望使懸浮固體濃縮的適用懸浮液。這包括廢水、紡織工業排水、礦物質懸浮液例如拜耳礬土精煉法產生的紅泥或煤炭尾礦、紙廠廢物例如纖維性污泥。本方法尤其可應用于下水污泥脫水。
該逆相乳狀液應當如此添加，以致該乳狀液的部分轉化能在該機構脫水之前發生而引起該懸浮液的部分增稠，然后該乳狀液應當完全轉化并引起該增稠的懸浮液的進一步脫水。所謂該乳狀液的部分轉化，我們指的是該乳狀液中所含的聚合物的至少一部分釋放出來并溶解。重要的是，足夠量的該聚合物釋放出來，以期引起該懸浮液的部分絮凝和增稠。例如，聚合物釋放量可以在該乳狀液中所含聚合物的10～70wt％之間。通常，聚合物釋放量會在20～60wt％、較好會在40～60wt％之間。
在這種脫水方法中，該懸浮液首先因該乳狀液的部分轉化期間釋放的聚合物的作用而增稠。典型地，該乳狀液是添加到初始懸浮液本體中的。這一階段涉及初步絮凝和游離水釋放，產生增稠的懸浮液。一般來說，游離水釋放可以通過自由穿流或過濾來實現，而且常見的是采用機械手段例如皮帶式增稠機或轉鼓式增稠機。該逆相乳狀液絮凝劑的添加量應當足以引起該懸浮液的初始絮凝和部分脫水。較好使該懸浮液增稠得能產生一種半固體污泥糊。
這種脫水方法涉及當該乳狀液完全轉化時該乳狀液中釋放出來的聚合物絮凝劑的剩余部分對該增稠的懸浮液的作用。使用慣常混合設備就可以容易地使釋放的聚合物混進該增稠的懸浮中和充分分布。適用的混合設備包括，例如，螺條型混合機或捏合型混合機。螺條型混合機由能在該混合容器的整個表面附近掃過的螺旋式混合葉片組成。捏合型混合機由兩個互相嚙合并與該混合機壁形成緊密間隙的捏合臂組成。替而代之，第二絮凝劑可以在機械脫水期間分布于該增稠的污泥中。典型地說，這種機械脫水涉及壓縮，而且可以例如是壓帶機、壓濾機、螺桿壓榨機或離心機中任何一種。當對這種處理的增稠懸浮液進行機械脫水時，可以達到意外地高的濾餅固體。
該逆相聚合物可以是任何慣常逆相乳狀液、逆相聚合物分散液或微乳狀液。它可以通過逆相聚合或通過使所生成的聚合物分散到一種水不混溶液中來制備。該聚合物可以是任何適用的天然或合成聚合物絮凝劑，而且典型地將是高分子量的。天然聚合物包括，例如，陽離子型淀粉、陰離子型淀粉和脫乙酰殼多糖等。合成聚合物包括烯鍵不飽和單體的線型、支化和交聯聚合物。通常，該所處理的聚合物會有超過50萬、往往至少100萬、通常500萬～3000萬的分子量。
本發明的逆相聚合物在性質上可以是陽離子型的、陰離子型的、非離子型的或兩性型的。聚合物絮凝劑的選擇將在很大程度上取決于所處理的基質。例如，慣例是使用高分子量陽離子型絮凝劑來處理包含懸浮有機材料的水性懸浮液例如下水污泥。在處理紙廠廢物方面，已知的是使用陽離子型、非離子型、陰離子型或兩性型絮凝劑中任何一種。礦物質懸浮液的絮凝往往是使用陰離子型絮凝劑進行的。
該聚合物可以通過水溶性單體或水溶性單體摻合物的聚合來制備。所謂水溶性(水可溶)，我們指的是，該水溶性單體或水溶性單體摻合物在水中的溶解度為在100mL水中至少5g。該聚合物可以方便地用任何適用聚合方法制備。
當該水溶性聚合物是非離子型的時，該聚合物可以從一種或多種水溶性烯鍵不飽和非離子型單體例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸羥乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮生成。較好，該聚合物是從丙烯酰胺生成的。
當該水溶性聚合物是陰離子型的時，該聚合物是從一種或多種烯鍵不飽和陰離子型單體或者一種或多種陰離子型單體與以上提到的非離子型單體中一種或多種的摻合物生成的。該陰離子型單體是，例如，丙烯酸、甲基丙烯酸、馬來酸、巴豆酸、衣康酸、乙烯磺酸、烯丙磺酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸及其鹽。較好的聚合物是丙烯酸鈉與丙烯酰胺的共聚物。
較好，該水溶性聚合物是陽離子型的，而且是從一種或多種烯鍵不飽和陽離子型單體任選地與本文中提到的非離子型單體中一種或多種生成的。該陽離子型聚合物也可以是兩性型的，先決條件是有比陰離子型基團多得多的陽離子型基團。陽離子型單體包括(甲基)丙烯酸二烷胺基烷酯、二烷胺基烷基(甲基)丙烯酰胺、包括其酸加成鹽和季銨鹽、氯化二烯丙基二甲基銨。較好的陽離子型單體包括丙烯酸二甲胺基乙酯和甲基丙烯酸二甲胺基乙酯的甲基氯季銨鹽。特別好的聚合物包括丙烯酰胺與丙烯酸二甲胺基乙酯的甲基氯季銨鹽的共聚物。
該聚合物可以是線型的，就在于它們是在支化劑或交聯劑實質上不存在下制備的。替而代之，該聚合物可以是支化的或交聯的，例如，像EP-A-202780中那樣。
理想地，該聚合物可以通過逆相乳液聚合、任選地隨后共沸脫水而形成一種聚合物微粒在油中的分散液來制備。因此，該逆相聚合物是一種油包水型乳狀液或一種實質上脫水的油中聚合物分散液。
該聚合物可以通過油包水型乳液聚合而作為油包水型乳狀液或分散液生產的，例如，按照EP-A-150933、EP-A-102760或EP-A-126528所定義的方法生產的。
特別好的是，該逆相聚合物絮凝劑是從至少30wt％一種或多種陽離子型單體生成的。甚至更好的是包含至少40或50wt％陽離子型單體單元的聚合物。可能理想的是采用有非常高陽離子性、例如可高達80％或甚至100％陽離子型單體單元的陽離子型聚合物。當陽離子型第二絮凝劑聚合物選自陽離子型聚丙烯酰胺、氯化二烷基二烯丙基銨、(甲基)丙烯酸二烷胺基烷酯(或其鹽)和二烷胺基烷基(甲基)丙烯酰胺(或其鹽)的聚合物組成的一組時，是特別好的。
如以上所述，該逆相聚合物絮凝劑理想地具有相對高分子量。通常，它將是一種顯示出至少0.5dl/g的特性粘度的聚合物。典型地說，該特性粘度將是至少3dl/g、往往可以高達20或30dl/g、但較好在4～10dl/g之間。
聚合物的特性粘度可以測定如下以聚合物的有效含量為基準，制備一種(0.5～1％w/w)聚合物水溶液。2g這種0.5～1％聚合物溶液在一個容量瓶中以(使用1.56g磷酸二氫鈉和32.26g磷酸氫二鈉/升去離子水)緩沖到pH7.0的50mL 2M氯化鈉溶液稀釋到100mL，而且整個以去離子水稀釋到100mL刻度。該聚合物的特性粘度是使用1號懸浮水平粘度計在25℃在1M緩沖鹽溶液中測定的。一種特別有用的陽離子型聚合物類型包括50～100wt％(甲基)丙烯酸二甲胺基乙酯的甲基氯季銨鹽和0～50wt％丙烯酰胺，其特性粘度在4～10dl/g之間。較好，該陽離子型聚合物包含至少80％(甲基)丙烯酸二甲胺基乙酯的甲基氯季銨鹽。
其它適用的逆相聚合物絮凝劑包括聚乙烯基脒和聚乙烯基胺，其特性粘度大于1dl/g、較好大于2dl/g。
另一類特別適用的逆相聚合物絮凝劑是曼尼希加成聚丙烯酰胺。理想地，這樣的聚合物將顯示出特性粘度大于1dl/g、且往往可以是至少4dl/g、例如至少7或8dl/g。這樣的聚合物可以通過使甲醛/胺加合物與聚丙烯酰胺反應來制造。該胺可以，例如，二甲胺或其它仲胺。較好，該曼尼希加成聚丙烯酰胺是季銨化的鹽而且可以通過使游離曼尼希堿與一種適用季銨化劑例如甲基氯或硫酸二甲酯反應來制備。
作為逆相聚合物的另一種適用聚合物包括特性粘度大于0.5dl/g、較好至少1dl/g的氯化聚二甲基二烯基銨。
當這些聚合物按照本發明使用時可以得到有效的懸浮液脫水。
典型地，實測為有效脫水量的聚合物劑量往往是至少50mg有效聚合物/升懸浮液。通常，這個數量會更高、例如可高達400mg/升或更高。較好的劑量在60～350mg/升之間。
以下實施例說明本發明。
實施例直接添加脫水乳狀液(液體分散體產品)有機聚合物絮凝劑的水性懸浮液脫水聚合物聚合物A是一種線型、高分子量、高陽離子型丙烯酰胺系聚合物，特性粘度為9dl/g，呈脫水乳狀液(液體分散體產品)形式。
除非另有說明，否則特性粘度是使用1號懸浮水平粘度計、在按照本說明書中給出的信息緩沖到pH7的1M氯化鈉中測定的。
試驗基質脫水試驗是對一種消化、混合的一級/活性污泥的樣品進行的。該樣品的干固體含量為1.9％。
實驗程序(A)聚合物A的凈相或溶液的添加i)一份聚合物A先溶解于去離子水中，給出一種均勻的以有效聚合物為基準的1％w/v溶液，并進一步稀釋到0.25％w/v待用。1％w/v溶液用去離子水進一步稀釋到0.25％w/v待用。
ii)將500mL消化、混合的一級/活性污泥置于一個1升塑料燒杯(120cm直徑×120cm高)中。在該燒杯上安裝一個標準實驗室攪拌器，使該攪拌器的軸穿過該燒杯蓋的中心孔。該攪拌器是一種4葉片、扁平、十字頭型(每個葉片是25cm寬×1.1cm)的。
iii)將適當體積的要么凈相聚合物A要么0.25％聚合物A溶液添加到該污泥中并將蓋固定到該燒杯上。該污泥以1500rpm攪拌15s進行絮凝。將絮凝的污泥傾入一個濾池中，該濾池的濾膜包含一種8cm直徑壓帶機濾布，濾液收集于一個量筒中。
iv)在30s排水之后，濾布上截留的增稠污泥遭遇到一種“溝槽”技術，即用一把刮鏟在若干個方向上慢慢地交叉劃該污泥，以促進釋放更多的水。劃溝槽進行30s。記錄濾液體積。
v)將增稠的污泥轉移到一個250mL燒杯中，以刮鏟手動攪拌45s，采用的是緩慢的反復劃圓動作。
vi)然后，將增稠污泥轉移到一臺活塞加壓裝置中，進行壓縮脫水階段。脫水開始如下使用20psi的壓力2分鐘，隨后在進一步3分鐘內以1分鐘間隔增加10psi而達到最大60psi。使壓力在60psi維持進一步5分鐘，給出10分鐘的總壓縮脫水時間。取出濕濾餅，濾餅固體含量是通過在110℃加熱過夜測定的。
(B)聚合物A的凈相或溶液的添加，不包括增稠污泥的混合物其程序與程序(A)中所述的完全相同，所不同的是小節i)—將適當體積的0.25％聚合物A溶液添加到該污泥中并將蓋固定到該燒杯上。該污泥以1500rpm攪拌15s進行絮凝。將絮凝的污泥傾入一個濾池中，該濾池的濾膜包含一種8cm直徑壓帶機濾布，將濾液收集于一個量筒中。
小節v)—本小節省略。
結果結果列于表1中。
表1
以上結果顯示，與作為慣常稀溶液添加相比，當聚合物A作為凈相產品添加時得到改善的濾餅固體。
數據集2和3的比較顯示，增稠的聚合物處理污泥的額外混合對濾餅固體是有害的。
權利要求
1.一種水性懸浮液脫水方法，包含用脫水量的一種逆相聚合物處理該懸浮液，并對該懸浮液進行機械脫水而形成一種濾餅，其特征在于該逆相聚合物只部分地轉化就引起該懸浮液的絮凝和增稠，然后在進一步脫水期間完全轉化，形成一種濾餅。
2.按照權利要求1的方法，其中該逆相聚合物是唯一化學脫水處理助劑。
3.按照權利要求1或權利要求2的方法，其中該水性懸浮液是下水污泥。
4.按照權利要求1～3中任何一項的方法，其中該機械脫水采用一種選自下列組成的一組的裝置壓帶機、壓濾機、螺桿壓榨機和離心機。
5.按照權利要求1～4中任何一項的方法，其中該逆相聚合物是一種油包水型乳狀液或一種實質上脫水的油中聚合物分散液。
6.按照權利要求1～5中任何一項的方法，其中該聚合物是陽離子型的。
7.按照權利要求1～6中任何一項的方法，其中該聚合物是從至少30wt％一種或多種陽離子型單體生成的。
8.按照權利要求1～7中任何一項的方法，其中該聚合物選自下列組成的一組陽離子型聚丙烯酰胺，氯化二烷基二烯丙基銨、(甲基)丙烯酸二烷胺基烷酯(或其鹽)和二烷胺基烷基(甲基)丙烯酰胺(或其鹽)的聚合物。
9.按照權利要求1～8中任何一項的方法，其中該聚合物的特性粘度為至少0.5dl/g、較好4～10dl/g。
10.按照權利要求1～9中任何一項的方法，其中該聚合物選自下列組成的一組i)從50～100wt％(甲基)丙烯酸二甲胺基乙酯的甲基氯季銨鹽和0～20wt％丙烯酰胺生成的、特性粘度4～10dl/g的聚合物，ii)特性粘度大于1dl/g的聚乙烯基脒和聚乙烯基胺，iii)特性粘度大于1dl/g的曼尼希加成聚丙烯酰胺的季銨鹽，和iv)特性粘度大于0.5dl/g的氯化聚二甲基二烯丙基銨。
全文摘要
一種水性懸浮液脫水方法，包含用脫水量的一種逆相聚合物處理該懸浮液，并對該懸浮液進行機械脫水而形成一種濾餅，其特征在于該逆相聚合物只部分地轉化就引起該懸浮液的絮凝和增稠，然后在進一步脫水期間完全轉化，形成一種濾餅。
文檔編號C02F11/14GK1930093SQ200580007798
公開日2007年3月14日 申請日期2005年2月28日 優先權日2004年3月12日
發明者T·惠塔克, P·諾爾曼, D·史密斯 申請人:西巴特殊化學水處理有限公司