Сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, n- винилпирролидона и акриламида в качестве катионного флокулянта для очистки оборотных и сточных вод

 

Изобретение относится к новому химическому соединению, а именно сополимеру 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата(1,2-ДМ-5-ВПМС), N-винилпирролидона (N-ВП) и акриламида (АА), который может использоваться в качестве катионного флокулянта для ускорения процессов сгущения и фильтрации суспензий, очистки промышленных оборотных и сточных вод. Техническим результатом при использовании предлагаемого соединения является высокая степень очистки оборотных и сточных вод. Поставленный технический результат достигается тем, что в качестве катионного флокулянта для обработки оборотных и сточных вод используется новое соединение - сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, N-винилпирролидона и акриламида общей формулы где n = 90 мол.%, m = 5-9 мол.%, p = 1-5 мол.%, с характеристической вязкостью в 2 н. растворе NaCl при 30^oС, равной 1,3-1,8 дл/г. 1 табл.

Изобретение относится к новому химическому соединению, а именно сополимеру 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата (1,2- ДМ-5-ВПМС), N-винилпирролидона (N-ВП) и акриламида (АА), который может использоваться в качестве катионного флокулянта для ускорения процессов сгущения и фильтрации суспензий, очистки промышленных оборотных и сточных вод.

Известны полимеры солей 2-метил-5-винилпиридина или сополимеры этих солей с виниловыми мономерами, в частности сополимеры 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата с 2-метил-5-винилпиридином (MBП), с метилакрилатом (МА) (Кабанов В.А., Топчиев Д.А. Полимеризация ионизующихся мономеров. М., Химия, 1978, 184 с. ) и с винилацетатом (ВАц) (А.С. СССР 364631, кл. С 08 F 7/12, опубл. 26.03.73).

Однако эти сополимеры не нашли применения в качестве флокулянтов для разделения водных дисперсий, вероятно, вследствие гидрофобности второго сомономера.

Известны катионные флокулянты на основе N-винилпирролидона (N-ВП), применяемые для осветления промышленных продуктов (Небера В.П. Флокуляция минеральных суспензий. М., Недра, 1983, 288 с.). Сополимеры N-винилпирролидона с акриламидом используются в качестве флокулянтов при осаждении твердых частиц из водных дисперсий (Николаев А.Ф., Орхименко Г.И., Водорастворимые полимеры., Л., Химия, 1979, 144 с.).

Основной недостаток этих флоулянтов - низкая активность и, как следствие, высокая дозировка, необходимая для оптимального хлопьеобразования при разделении дисперсий, что, по-видимому, связано с отсутствием сильно заряженных катионных центров в макромолекуле полимера.

Также известны сополимеры N-винилпирролидона с N,N-диметил-N,N- диаллиламмонийхлоридом, которые предлагается использовать в качестве добавок для очистки соков (А. С. СССР N 1587056, кл. C 08 F 226/10, 2/12, опубл. 23.08.90).

Недостатком этих сополимеров является низкая молекулярная масса и, как следствие, их низкая активность как флокулянтов, а также невысокий выход продукта.

Наиболее близким к заявленному сополимеру является гомополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, получаемый полимеризацией 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата в водном растворе, в присутствии инициатора β-оксипропил-трет. - бутилпероксида (ОПП), и используемый в качестве катионного флокулянта для очистки промышленных оборотных и сточных вод (патент РФ N 2048479, МКП C 08 F 26/06, 4/40, 1995).

Однако указанное соединение проявляет недостаточную эффективность при его использовании в процессах водоподготовки: достигаемая степень очистки обрабатываемых вод составляет 82 - 87%.

Задачей данного изобретения является получение нового полимерного флокулянта с повышенной флокулирующей способностью.

Техническим результатом при использовании предлагаемого соединения является высокая степень очистки оборотных и сточных вод.

Технический результат достигается тем, что в качестве катионного флокулянта для обработки оборотных и сточных вод используется новое соединение: сополимер 1,2-диметил-5- винилпиридинийметилсульфата, N-винилпирролидона и акриламида общей формулы где n = 90 мол.%, m = 5-9 мол.%, p = 1-9 мол.%, с характеристической вязкостью в 2 н. растворе NaCl при 30^oC, равной 1,3-1,8 дл/г.

Предлагаемый нами новый сополимер 1,2- диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, N-винилпирролидона и акриламида получают радикальной сополимеризацией 1,2-диметил-5- винилпиридиний-метилсульфата с N-винилпирролидоном и акриламидом в присутствии эффективного инициатора β-оксипропил-трет.- бутилпероксида в водном растворе.

Высокая флокулирующая способность сополимеров связана с введением звеньев N-винилпирролидона и акриламида в структуру полимера. Неионогенные звенья N-винилпирролидона и акриламида, вводимые в определенных соотношениях, обеспечивают оптимальное содержание катионных звеньев четвертичной соли в макромолекуле, которые являются активными центрами для протекания процессов флокуляции. Введение неионогенных звеньев в состав сополимера, вероятно, также обуславливает оптимальное расположение катионных центров в макромолекуле, облегчая их доступ к активным центрам дисперсных частиц за счет изменения молекулярно-конформационных параметров полимерной цепи. Вероятно, полимерная цепь становится более развернутой. Следствием этого также должно являться увеличение размеров макромолекулярного клубка, в результате чего возрастает вероятность контактов между активными центрами молекулы полимера и частиц дисперсной фазы. Это приводит к увеличению количества адсорбированных на макромолекуле дисперсных частиц. В этом случае должно уменьшиться количество несфлокулированных частиц и соответственно мутность очищаемой воды, что и наблюдается в ходе эксперимента. Таким образом, введение неионогенных звеньев N-винилпирролидона и акриламида в структуру полимера может оказывать влияние на процесс флокуляции, увеличивая его эффективность. При этом достигается высокая степень очистки оборотных и сточных вод.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, N- винилпирролидона и акриламида получают сополимеризацией 1,2- диметил-5-винилпиридинийметилсульфата с N-винилпирролидоном и акриламидом в водном растворе с использованием инициатора радикальных процессов β- оксипропил-трет.-бутилпероксида при температуре 0-60^oC в течение 2-24 часов.

где n = 90 мол.%, m = 5-9 мол.%, p=1-5мол.%.

По завершении сополимеризации реакционная масса представляет собой высоковязкий концентрированный раствор сополимера 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, N-винилпирролидона и акриламида в воде, который непосредственно используется при приготовлении рабочих растворов флокулянта для разделения суспензий. В сухом виде сополимер представляет собой порошок белого цвета, растворимый в воде, метаноле, ДМФА, ДМСО и других органических растворителях. Полученные образцы сополиэлектролита имеют высокую молекулярную массу ([η]=1,3-1,8 дл/г).

Пример 1 В стеклянный реактор объемом 250 мл загружают 49,062 г 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 1,213 г N-винилпирролидона и 0,775 г акриламида, приливают 70 мл дистиллированной воды, перемешивают до получения прозрачного раствора, создают в реакторе инертную атмосферу путем кратковременной (1 -2 мин) продувки азотом, вносят 0,01% от массы мономеров инициатора β- оксипропил-трет. -бутилпероксида. Реакционную массу перемешивают и помещают в полиэтиленовый контейнер соответствующего объема, контейнер запаивают и оставляют при комнатной температуре. Процесс сополимеризации до полной конверсии мономеров завершается через 6 часов. Полученный сополимер полностью растворим в воде. Характеристическая вязкость в 2 N растворе NaCl 1,8 дл/г, состав сополимера: 90 мол.% 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 5 мол.% N-винилпирролидона, 5 мол.% акриламида. Выход сополимера 99%.

Пример 2 В стеклянный реактор объемом 250 мл загружают 49,062 г 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 1,698 г N- винилпирролидона и 0,465 г акриламида, приливают 70 мл дистиллированной воды, перемешивают до получения прозрачного раствора, создают в реакторе инертную атмосферу путем кратковременной (1-2 мин) продувки азотом, вносят 0,01% от массы мономеров инициатора β- оксипропил-трет. -бутилпероксида. Реакционную массу перемешивают и помещают в полиэтиленовый контейнер соответствующего объема, контейнер запаивают и оставляют при комнатной температуре. Процесс сополимеризации до полной конверсии мономеров завершается через 6 часов. Полученный сополимер полностью растворим в воде. Характеристическая вязкость в 2 N растворе NaCl 1,6 дл/г, состав сополимера: 90 мол.% 1,2- диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 7 мол.% N-винилпирролидона, 3 мол.% акриламида. Выход сополимера 98%.

Пример 3
В стеклянный реактор объемом 250 мл загружают 49,062 г 1,2- диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 2,183 г N-винилпирролидона и 0,155 г акриламида, приливают 70 мл дистиллированной воды, перемешивают до получения прозрачного раствора, создают в реакторе инертную атмосферу путем кратковременной (1-2 мин) продувки азотом, вносят 0,01% от массы мономеров инициатора β- оксипропил-трет.-бутилпероксида. Реакционную массу перемешивают и помещают в полиэтиленовый контейнер соответствующего объема, контейнер запаивают и оставляют при комнатной температуре. Процесс сополимеризации до полной конверсии мономеров завершается через 6 часов. Полученный сополимер полностью растворим в воде. Характеристическая вязкость в 2 N растворе NaCl 1,3 дл/г, состав сополимера: 90 мол. % 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 9 мол.% N-винилпирролидона, 1 мол.% акриламида. Выход сополимера 97,5%.

Флокулирующую активность сополимеров 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, N-винилпирролидона и акриламида определяли спектро-турбидиметрическим методом на модельной системе "каолин - дистиллированная вода" по показателям мутности надосадочной жидкости.

Для исследования процесса флокуляции в водную суспензию каолина с концентрацией 0,8% вводили флокулянты, концентрация которых в системе составляла C_р = 0-10 мг/л и в течение 2 мин с частотой 3 сек перемешивали, не допуская попадания воздуха. Через 60 мин отбирали надосадочную жидкость и измеряли оптическую плотность (A) на приборе КФК-2 при длине волны λ = 490 нм против дистиллированной воды. В зависимости от величины А подбирали длину кюветы l = 1-50 мм. Мутность надосадочной жидкости (τ) рассчитывали по формуле
τ = 2,3×A/1
По результатам измерений находили оптимальные концентрации образцов полиэлектролитов, обеспечивающие наибольшую степень осветления (минимальную мутность надосадочной жидкости), и рассчитывали степень осветления (D_τ) по формуле

где τ_o, τ_min - мутность надосадочной жидкости соответственно в отсутствии добавок и при введении оптимальной дозы полиэлектролита.

Параметры флокуляции суспензии каолина сополимерами 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсулъфата, N-винилпирролидона и акриламида и гомополимером 1,2-диметил-5-винилпиридиний-метилсульфата (прототип, известен в промышленности как катионный флокулянт КФ-91) приведены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что введение звеньев N-винилпирролидона и акриламида в состав полиэлектролита на основе 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата в количестве 5 - 9 мол. % и 1-5 мол.% соответсвенно позволяет повысить степень очистки воды в среднем на 9-13% по сравнению с гомополимером 1,2-диметил-5-винилпиридиний-метилсульфата. При снижении содержания N-винилпирролидона менее 5 мол.%, а акриламида менее 1 мол.% и увеличении их содержания более 9 мол.% и 5 мол.% соответственно степень осветления уменьшается.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение, при его использовании предназначено для применения в качестве катионного флокулянта для обработки промышленных оборотных вод и бытовых стоков, а также для разделения водных дисперсий;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении способно обеспечить достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, N-винилпирролидона и акриламида общей формулы

где n = 90 мол.%, m = 5 - 9 мол.%, p = 1 - 5 мол.%,
с характеристической вязкостью в 2н. растворе NaCl при 30^oС, равной 1,3 - 1,8 дл/г, в качестве катионного флокулянта для очистки оборотных и сточных вод.

РИСУНКИ

Рисунок 1