含多价阳离子的共聚物、其制备方法及其用于处理水分散体的用途与流程

文档序号:14956648发布日期:2018-07-17 23:41阅读:277来源:国知局
在其一个方面中,本发明涉及一种含多价阳离子的共聚物。在其另一个方面中,本发明涉及一种制备含多价阳离子的共聚物的方法。在其又一个方面中,本发明涉及含多价阳离子的共聚物用于处理含水浆料如来自矿物加工操作的尾矿流的用途。现有技术描述处理矿石、煤或油砂以提取有价值矿物的方法或者在油砂的情况下提取烃的方法或者处理煤的方法通常会导致来自选矿工艺的废弃材料。废弃材料通常由包含与水混合的颗粒状矿物材料(例如粘土、页岩、砂、砂砾、油砂尾矿,金属氧化物等)的含水浆料或污泥组成。在一些情况下,诸如矿井尾矿的废弃材料可方便地在地下矿井中处置以形成回填。回填废弃物通常包含高比例的大尺寸粗颗粒以及其他较小尺寸的颗粒,并且作为浆料泵入矿井中,偶尔加入火山灰,在矿井中使其脱水,从而使沉降的固体留在原位。通常的做法是使用絮凝剂通过絮凝细料以提高沉降速率来辅助该过程。然而,在这种情况下,粗料通常会以比絮凝细料更快的速率沉降,从而导致粗细固体的不均匀沉积。对于其他应用,可能无法在矿井中处置废弃物。在这些情况下,通常的做法是通过将含水浆料泵入贮留池、堆或叠并通过沉降、排水和蒸发的作用使其逐渐脱水来处置该材料。在这些情况下,通常的做法是在地面上或者开放的矿井空隙中,或者甚至在专门建造的堤坝或容纳区域中处置该材料。采矿废弃物的最初放置到处置区可以以自由流动的液体、增稠的膏形式进行,或者可对材料进一步处理以除去大部分水,从而使其作为固体状材料堆叠和处理。将采矿废弃物通过沉降、排水和蒸发作用逐渐进一步脱水。例如,在尾矿以液体和流体形式送至处置区的情况下,必须借助堤坝或类似的蓄水结构将其容纳在贮留池中。尾矿可通过添加絮凝剂进行预处理,并在重力浓密机中增稠以除去和回收一些水分,然而总固体含量使得流体不再具有或具有低屈服应力,因此材料在沉积时主要表现为液体形式。这些贮留池可能较浅或很深,这取决于可用土地的多少、建造蓄水区的方法和矿区附近的其他岩土因素。取决于废弃物中的固体颗粒的特性,颗粒通常逐渐从含水浆料中沉降并在沉积区的底部形成密实床。释放的水可通过泵送回收,或者通过蒸发流失到大气中,以及通过排水回收到地下水中。希望从尾矿中除去水相,由此其重量水容度更接近尾矿固体的液体极限,以便管理主要具有固体或半固体处理特性的剩余尾矿。该目的可采用许多方法来实现,当尾矿的材料性质允许时,最常见的做法是在尾矿坝中自重固结,由此尾矿的渗透性足以克服坝的填充速率且水可从尾矿中自由释放。当尾矿的渗透性不足以使水自由逸出时,通常使用聚合物来改善渗透性,由此使尾矿适合自重固结工艺。最终,当其充分干燥且密实时,可以修复含有脱水固体的土地。然而,在其他情况下,废弃固体的特性使得颗粒过细而无法完全沉淀至密实床中,并且尽管浆料随时间的流逝将变稠且变得更浓,然而其仍会达到稳定的平衡,由此材料粘稠但仍然为流体,这使得土地非常难以修复。已知的是,有时使用絮凝剂来处理尾矿,然后将其置于处置区中,以便提高沉积速率并提高用于回收或蒸发的水的释放。在另一种处置方法中,通常可通过用聚合物试剂处理而使尾矿额外增稠以使得材料的屈服应力增大,从而当浆料被泵入处置区时形成堆或叠。可使用专门的增稠设备如膏体浓密机或深锥浓密机来产生具有所需性能的底流。或者,可在转移或排放到处置区期间将聚合物试剂添加到尾矿浆料中,以便使材料硬化并获得所需的屈服应力。这种堆积的几何形状有助于使材料更快地脱水和干燥,从而形成固体状稠度,因为水通过流失和排水更快地除去和回收,并且固体的压实可通过固体在形成堆或叠时的重量和压力增加而更快地发生。在一些情况下,控制固体的沉积以形成较窄的尾矿带,这也可在顶部添加新的经处理废弃材料层之前通过蒸发快速脱水。多年以来,该方法已广泛用于处置来自氧化铝加工的赤泥尾矿。当环境具有一定的蒸发潜力并且有足够的面积来将尾矿铺展地足够薄以使该方法有效时,可大有裨益地使用尾矿的空气干燥。当蒸发面积有限时,可将聚合物添加到尾矿中以改善该方法。聚合物的添加能提高尾矿的渗透性,由此通常可允许排出~20重量%的水,而通常与颗粒表面和粘土基质更紧密结合的另外20%的水可通过蒸发除去。为了使得对环境的影响最小化,通常有用的是尾矿池或堤坝具有有限的尺寸。此外,由于移动土地和建造容纳墙的成本很高,因此提供较大的尾矿池可能很昂贵。这些池往往具有缓坡底部,这允许从固体中释放的任何水收集在一个区域中,然后可将其泵送回工厂。经常发生的问题是尾矿池或堤坝的尺寸不足以应付来自矿物加工操作的尾矿排量。经常发生的另一个问题是固体细颗粒被流出的水带走,由此导致水污染且对水的后续使用产生不利影响。处置矿井尾矿的另一种方法是使用机械脱水设备如过滤器和离心机,以便从含水矿物浆料中除去显著量的水,从而使得废弃材料可直接在处置区中以固体状稠度沉积。在许多情况下,必须在紧临机械脱水步骤之前用聚合物絮凝剂处理尾矿,以使该装置能有效地运行并达到所需的脱水程度。处置矿井废弃物的另一种方法是在中过滤,由此将含水浆料泵入可渗透的土工织物袋中,该土工织物袋保留固体颗粒,并且一些水通过过滤工艺释放,经由土工布袋的壁逸出。在一些情况下,当矿井尾矿的起始渗透性低时,可能需要添加絮凝剂来提高过滤速率,并改善中的固体细颗粒保留。例如,在油砂加工中,对该矿砂进行加工以回收烃级分,剩余物(包括工艺材料和脉石)构成待处置的尾矿。在油砂加工中,主要工艺材料为水,而脉石大多为砂和一些淤泥和粘土。在物理上,尾矿由固体部分(尾矿砂)和或多或少的流体部分(污泥)组成。这些尾矿的最令人满意的处置地方当然是地下现有的开挖孔。然而,事实证明,仅来自一立方英尺矿石的尾矿砂就占据一立方英尺。取决于矿石质量和工艺条件,污泥量是可变的,但平均为约0.3立方英尺。尾矿不能简单地回填至地下的孔中。在典型的矿物或油砂加工操作中,废弃固体在含水工艺中与含有价值矿物的固体分离。废弃固体的水悬浮液通常包含粘土和其他矿物,通常称为尾矿。这些固体通常在重力浓密机中通过絮凝工艺浓缩以提供更高密度的底流并回收一些工艺用水。通常将底流泵送至地表保持区,通常称为尾矿坑或坝,或者在油砂的情况下更通常地称为尾矿池。一旦在该地表保持区中沉积,则水持续从水悬浮液中释放,从而导致固体在一段时间内进一步浓缩(如上文段落所述)。一旦收集到足够体积的水,则通常将其泵送回矿物或油砂加工厂。在油砂工业中,存在可能需要用聚合物试剂进行处理的许多不同类型的工艺尾矿流。一个实例为“流体细粒尾矿”(fft),其是来自烃含量已被回收后且砂级分已基本上回收(通常通过使“全尾矿”(wt)通过旋风分离器实现)的工艺的细粒级分(主要为淤泥和粘土)。取决于材料是否因重力沉降而增稠,流体细粒尾矿的固体含量可能会显著变化。另一个实例为“混合尾矿”(ct),其中存在所有粒度范围(砂、淤泥和粘土)。这可为除去砂之前的全尾矿,或者为可通过随后将细粒尾矿不同程度地与砂级分混合而形成的其他尾矿流。另一个实例为将流体细粒尾矿或者在某些情况下组合尾矿在尾矿池中储存数年后形成的“熟细粒尾矿”(mft)。在油砂尾矿池中,工艺用水、未回收的烃和矿物自然沉降,从而形成不同的层。上层可主要为水,其可作为工艺用水再循环至提取工艺。下层可包含沉降的残余烃和主要为细粒的矿物(通常为粘土)。通常将该下层称为熟细粒尾矿。已知的是,熟细粒尾矿的固结极其缓慢,可能需要几百年才能沉降成固结的固体块。因此,熟细粒尾矿和包含它们的池是尾矿管理和采矿业的主要挑战。熟细粒尾矿的组成往往是可变的。层的上部可具有约10重量%的矿物含量,但在层的底部,矿物含量可高达50重量%。据信固体含量的波动是由于固体随时间的推移发生缓慢沉降和固结的结果。mft的平均矿物含量通常为约30重量%。mft行为通常以粘土行为为主,其中mft的固体部分的行为更像塑料型材料,而不像较粗的、更易碎的砂。mft通常包含砂、细粒和粘土的混合物。砂通常可指代尺寸大于44μm的硅质颗粒,并且可以以至多15重量%的量存在于mft中。mft的矿物含量的其余部分往往由粘土和细粒的混合物组成。细粒通常是指不大于44μm的矿物颗粒。粘土可为传统上由于其矿物学而被称为粘土的任何材料,并且通常具有小于2μm的粒度。典型地,粘土往往是高岭土、伊利石、绿泥石和水膨胀性粘土如蒙脱土的混合物。mft组成的其他波动可能是由于可分散在矿物中或者可分离成烃垫层的残余烃所致。池中的mft不仅具有从池顶部到底部分布的宽范围组成波动,而且在整个池的随机位置也可能为具有不同组成的小区域。在所有情况下,除矿物基颗粒材料之外,来自油砂采矿操作的尾矿通常还包含一些残留的沥青(烃)物质,因为不可能从开采的原矿石供料中完全回收所有的烃到工厂。已知的是,通过使用聚合物絮凝剂来处理含水浆料如尾矿。例如参见下述中的任一项:ep-a-388108;wo96/05146;wo01/92167;wo04/060819;wo01/05712;和wo97/06111。加拿大专利2,803,904[sortwell(sortwell#1)]教导了使用高分子量多价阴离子聚合物来聚集粘土。具体地,sortwell#1旨在涉及包含含多价阳离子的阴离子水溶性丙烯酸盐共聚物的聚合物。sortwell#1的实施例1提供了用于制备特性粘度为18dl/gm的线性二丙烯酸钙共聚物的试剂和方法。我们试图重现该聚合物,然而不能以所述的特性粘度且以小于1000ppm的残余单体含量来合成该聚合物。相反,(i)我们不能测量特性粘度,因为产物非常难溶,(ii)制得的产物具有显著高的残余单体含量,这会在工业环境中造成职业健康风险。加拿大专利2,803,025[sortwell(sortwell#2)]教导了与sortwell#1中教导的聚合物类似的聚合物,条件是sortwell#2关注特性粘度小于5dl/gm的该类聚合物。就残余单体含量而言,我们再现该聚合物的尝试遇到与sortwell#1相同的问题,此外,我们制得的聚合物的特性粘度为7-10dl/gm,而不是如sortwell#2所述的小于5dl/gm。因此,尽管本领域取得了进展,然而仍需要衍生自一种或多种烯属不饱和酸且具有所需性能平衡且残余共聚单体含量小于1000ppm的含多价阳离子的共聚物。本发明的目的是避免或减轻现有技术的上述缺点中的至少一个。本发明的另一目的是提供一种衍生自一种或多种烯属不饱和酸的新型含多价阳离子的共聚物。因此,在其一个方面中,本发明提供了一种衍生自一种或多种烯属不饱和酸的含多价阳离子的共聚物,所述共聚物具有以下特征:(a)当在25℃下在1mnacl溶液中测量时,特性粘度为至少约3dl/g;(b)所述共聚物衍生自包含烯属不饱和酸和至少一种共聚单体的单体混合物,所述烯属不饱和酸的以约5-约65重量%的量存在;和(c)当所述共聚单体为丙烯酰胺时,残余共聚单体含量小于1000ppm。本说明书通篇使用的术语“含多价阳离子的共聚物”旨在意指含有多价阳离子作为共聚物的一部分。多价阳离子通常为共聚物的盐(例如,“钙共聚物”为共聚物的钙盐)。这与共聚物和多价阳离子的另一化合物的共混物完全不同,因为在该共混物中,共聚物和多价化合物这两种组分是物理上不同的实体,因此在该共混物中共聚物不含多价阳离子。相对于衍生自烯属不饱和酸的共聚物的重复单体酸单元的量,多价阳离子以显著量包含在共聚物中。通常,多价阳离子与重复单体酸单元的摩尔当量为至少0.10:1。合适的摩尔比当量可为0.15:1-1.6:1,通常为0.20:1-1.2:1,优选为0.25:1-1:1。措辞烯属不饱和酸意指任何带有与多价阳离子离子缔合的酸基团或酸游离基团的烯属不饱和单体。这通常为被多价阳离子至少部分中和的烯属不饱和酸。烯属不饱和酸的典型实例包括丙烯酸和甲基丙烯酸的碱土金属或其它多价金属盐,例如二丙烯酸钙或二丙烯酸镁。因此,含多价阳离子的共聚物可通过已与多价阳离子缔合的烯属不饱和酸,例如烯属不饱和酸的多价阳离子盐与共聚单体的共聚获得。含多价阳离子的共聚物还可含有一定比例的单价阳离子,如钠离子、钾离子或铵离子。当存在时,该类单价阳离子是多价阳离子的补充。单价阳离子通常以不超过多价阳离子相对于共聚物的上述重复单体酸单元量的摩尔当量的摩尔量存在。本说明书通篇使用的术语“丙烯酰胺”旨在意指丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或n-取代的丙烯酰胺,例如n-甲基丙烯酰胺。然而,术语“丙烯酰胺”优选意指丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺,更优选意指丙烯酰胺。本说明书通篇使用的术语“约”旨在意指本领域技术人员理解的仍确保所讨论特征的技术效果的精确性区间。该术语通常表示与指示数值偏离±10%,优选±5%。本发明的含多价阳离子的共聚物衍生自包含烯属不饱和酸和至少一种共聚单体的单体混合物,所述烯属不饱和酸以约5-约65重量%的量存在。优选地,聚合通过使用氧化还原引发剂和/或热引发剂使单体混合物反应来进行。氧化还原引发剂通常包括还原剂如亚硫酸钠,偏亚硫酸氢钠,二氧化硫,以及氧化性化合物如过硫酸铵或合适的过氧化合物如氢过氧化叔丁基等。氧化还原引发可使用至多10,000ppm(基于水性单体的重量)的氧化还原对的每种组分。优选地,氧化还原对的每种组分通常小于1000ppm,典型地为1-100ppm,通常为4-50ppm。还原剂与氧化剂的比例可为10:1-1:10,优选为5:1-1:5,更优选为2:1-1:2,例如为约1:1。单体混合物的聚合优选通过单独使用热引发剂或组合使用其他引发剂体系(例如氧化还原引发剂)来进行。热引发剂包括在升高的温度下释放自由基的任何合适的引发剂化合物,例如偶氮化合物,例如偶氮二异丁腈(aibn)、4,4'-偶氮二(4-氰基戊酸)(acva)。热引发剂通常以基于水性单体的重量为至多10,000ppm的量使用。然而,在大多数情况下,热引发剂以基于水性单体混合物的重量为100-5,000ppm,优选为200-2,000ppm,更优选为300-700pm,通常为约400-600ppm的量使用。附图简介将参照附图描述本发明的实施方案,其中相同的附图标记表示相同的部分,并且其中:图1-2显示了实施例1-6中制得的聚合物用于处理熟细粒尾矿(mft)的浆料的测试结果;图3显示了实施例8和9中制得的聚合物用于处理熟细粒尾矿(mft)的浆料的测试结果;和图4显示了实施例14中制得的聚合物用于处理熟细粒尾矿(mft)的浆料的测试结果。本发明涉及一种衍生自一种或多种烯属不饱和酸的含多价阳离子的共聚物,所述共聚物具有以下特征:(a)当在25℃下在1mnacl溶液中测量时,特性粘度为至少约3dl/g;(b)所述共聚物衍生自包含烯属不饱和酸和至少一种共聚单体的单体混合物,所述烯属不饱和酸以约5-约65重量%的量存在;和(c)当所述共聚单体为丙烯酰胺时,残余共聚单体含量小于1000ppm。该共聚物的优选实施方案可包括以下特征中的任一种或任意两种或更多种的组合:·所述共聚物呈钙共聚物的形式(“钙共聚物”意指其中多价阳离子为钙的上述共聚物—这可称为共聚物的钙盐—在这种情况下,钙阳离子可部分或完全中和共聚物的酸基);·所述共聚物呈镁共聚物的形式(“镁共聚物”意指其中多价阳离子为镁的上述共聚物—这可称为共聚物的镁盐—在这种情况下,镁阳离子可部分或完全中和共聚物的酸基);·所述至少一种共聚单体选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺及其任意混合物;·所述至少一种共聚单体为丙烯酰胺;·所述烯属不饱和酸选自丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、富马酸、丙烯酰胺基叔丁基磺酸(atbs)以及这些中两种或更多种的任意混合物;·所述烯属不饱和酸选自丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺基叔丁基磺酸(atbs)以及这些中两种或更多种的任意混合物;·所述烯属不饱和酸为丙烯酸;·所述烯属不饱和酸以约15-约65重量%的量存在;·所述烯属不饱和酸以约20-约65重量%的量存在;·所述烯属不饱和酸以约35-约65重量%的量存在;·当在25℃下在1mnacl溶液中测量时,特性粘度为约4-约25dl/g;·在25℃下在1mnacl溶液中测量时,特性粘度为约4-约20dl/g;·当在25℃下在1mnacl溶液中测量时,特性粘度为约5-约15dl/g;·所述共聚物呈固体形式;·所述共聚物呈颗粒形式;·所述共聚物呈球状颗粒形式;·所述共聚物呈粉末形式;·所述共聚物呈珠粒形式;·所述共聚物呈反相乳液形式;·所述共聚物呈反相分散体形式;·所述共聚物呈水溶液形式;·所述共聚物呈水分散体形式;·所述共聚物是线性的;·所述共聚物是支化的;·所述共聚物是交联的;·当所述共聚单体为丙烯酰胺时,残余共聚单体(acm)含量小于约500ppm;·当所述共聚单体为丙烯酰胺时,残余共聚单体(acm)含量为约300pmm至约500ppm;·所述共聚物是水溶性的;·所述共聚物呈基本上纯净的形式;·共聚物呈分离形式;·所述共聚物具有约20-约65重量%的阴离子含量;·所述共聚物具有约25-约65重量%的阴离子含量;·所述共聚物具有约30-约65重量%的阴离子含量;和/或·所述共聚物具有约40-约60重量%的阴离子含量。在一个优选形式中,本发明的含多价阳离子的共聚物是水溶性的。就水溶性而言,我们意指所述共聚物具有小于50%凝胶的凝胶含量测量值。凝胶含量的测量将在下文描述。优选地,本发明的含多价阳离子的共聚物用于处理包含颗粒材料的含水浆料的方法中。术语“处理”旨在具有宽泛的含义并且包括增稠、沉降、脱水、压实、固结、凝聚、絮凝等。该方法的优选实施方案可包括以下特征中的任一种或任意两种或更多种的组合:·所述方法包括使含水浆料与上述含多价阳离子的共聚物接触的步骤;·所述方法包括使含水浆料与包含上述含多价阳离子的共聚物的水溶液接触的步骤;·所述含水浆料包含尾矿;·所述含水浆料包含熟细粒尾矿(mft);·所述含水浆料包含流体细粒尾矿(fft);·所述含水浆料包含稀细粒尾矿(tft);·所述含水浆料包含全细粒尾矿(wt);·所述方法导致固体颗粒增稠;·所述方法导致固体颗粒沉降;·所述方法导致固体颗粒脱水;·所述方法导致固体颗粒压实和/或固结;·所述方法导致固体颗粒凝聚;和/或·所述方法导致固体颗粒絮凝。将参照以下实施例来描述本申请的优选实施方案,所述实施例不应被用于解释或限制本发明的范围。实施例在实施例中,使用以下物质。单体:对于所有计算,使用(ca)0.5aa(简称为ca-aa)代替ca(aa)2,并且使用(mg)0.5aa(简称为mg-aa)代替mg(aa)2。化学品:使用以下方法对聚合物进行各种测试。固体含量的测定将约1g聚合物称量至铝盘中并置于110℃的干燥箱中3小时。测定干燥前和干燥后的质量差,并以百分比计算聚合物的固体含量。重复该程序两次,并计算所有三个测量值的平均值。iv(特性粘度)测量、视觉可溶性评估和凝胶含量测定(包括溶液制备)储备溶液的制备:将1.0g聚合物称量至瓶中并加入199ml去离子水。将该混合物在环境温度(25℃)下在滚轮上混合4小时。视觉可溶性评估:该储备溶液的可溶性通过目视评估溶液中潜在的未溶解聚合物颗粒或凝胶颗粒进行。凝胶含量测定:凝胶含量通过用190μm筛尺寸的筛过滤储备溶液(制备参见上文)来测定。将残留在过滤器中的残留物洗涤、回收、干燥(110℃)并称重,计算未溶解的聚合物百分比(过滤器的干燥残余物的重量[g]/过滤前的干燥聚合物的重量[g])。必要时,这提供了视觉可溶性评估的定量化确认。用于iv测量的稀释测量溶液的制备:分别将4.0、8.0、12.0和16.0g储备溶液(制备参见上文)称量至100ml容量瓶中。通过移液管加入50ml氯化钠溶液(2m),然后用去离子水将烧瓶填充至100ml刻度,并将该混合物振荡5分钟直至均匀。iv测量:将聚合物溶液转移至乌贝洛德粘度计中并测量iv。测量在25℃下在毛细管粘度计laudaivisc中进行。残余丙烯酰胺的测定化学品:丙烯酰胺(标准,纯度>99.5%);水,去离子水;正磷酸(85%);异丙醇;和甲醇(hplc质量)。色谱条件:标准丙烯酰胺溶液的制备:将20.0mg丙烯酰胺称量至100ml容量瓶中。随后添加异丙醇和水的混合物(70/30)至100ml刻度。由该储备溶液通过稀释系列(例如,0.2ml/50ml、1/50ml、5/50ml、10/50ml和15ml/50ml)制备数种测量溶液。样品制备:将1.00g聚合物称量至100ml玻璃瓶中,添加50ml异丙醇和水的混合物(70/30)并搅拌2小时。过滤该混合物(孔尺寸为0.45μm的尼龙过滤器)并置于hplc小瓶中。测量:hplc测量通过具有可变uv检测器的高压液相色谱仪(waters2695和2487)完成。使用标准丙烯酰胺溶液的信号借助软件“empower”准备校准曲线。借助校准曲线计算样品中的残余丙烯酰胺值。实施例1—40重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=15)将水(1092.6g)和冰丙烯酸(286.3g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph值控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(~477g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺(1085.6g)、trilontmc(4.6g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、10重量%次磷酸na水溶液(0.45g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(22.5g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(22.5g)和1%tbhp水溶液(1.5g),并继续脱气10分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(3.0g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中干燥(65℃,2小时),最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:15dl/g凝胶含量:3%视觉可溶性:良好固体含量:89%残余丙烯酰胺:400ppm实施例2—40重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=5)将水(135.2g)和冰丙烯酸(38g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph值控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(~67g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺(144g)水溶液,5重量%trilontmc水溶液(2.9g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、10重量%次磷酸na水溶液(0.6g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)和1%tbhp水溶液(0.32g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.64g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中干燥(65℃,2小时),最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:5.7dl/g凝胶含量:未测定视觉可溶性:良好固体含量:81.6%残余丙烯酰胺:259ppm实施例3—40重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=11)将水(135g)和冰丙烯酸(38g)加入反应器中。随后,在冷却和ph控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(约66g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺水溶液(144g)、5重量%trilontmc水溶液(2.9g)、消泡剂(xiametertmafe-0400),10重量%次磷酸na水溶液(1.4g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)和1%tbhp水溶液(0.2g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.40g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中干燥(65℃,2小时),最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:10.8dl/g凝胶含量:未测定视觉可溶性:良好固含量:86.9%残余丙烯酰胺:240ppm实施例4—40重量%二丙烯酸ca聚合物珠粒(iv=3)将600g溶剂油d40、5.0gspantm80和1.4g吩噻嗪称量至2l双壁反应器中,将反应器加热至35℃,同时用氮气吹扫90分钟。在单独的烧杯中制备单体水相。具体地,将80g水和40.7g冰丙烯酸称量至烧杯中,并在冷却下滴加约71.5g氢氧化钙(30重量%水悬浮液)以中和丙烯酸,直至达到ph6.0。随后,将154.3g丙烯酰胺(51重量%水溶液)、0.6gtrilontmc和0.9g次磷酸钠(10重量%水溶液)加入到混合物中。将ph值重新调节至6.0,加入额外的水(4.2g)以达到35.7%的固体含量。此外,将1.44gv-50tm(10%水溶液)和2.88g亚硫酸钠(1%水溶液)加入到单体相中。将单体水相和油相在双壁反应器中合并,并将搅拌速度调节至350rpm。为了引发反应,加入5.76gtbhp(1%水溶液)。在达到最高温度后,将混合物进一步搅拌30分钟。通过在75℃和50mpa下共沸蒸馏除去水。将反应混合物冷却至30℃,从反应器中取出,将聚合物珠粒从油质反应混合物中过滤出来,用丙酮洗涤,并在40℃的干燥箱中干燥6小时,从而获得干燥的聚合物珠粒。所述聚合物具有以下特征:iv:2.9dl/g凝胶含量:未测定视觉可溶性:良好固含量:84.1%残余丙烯酰胺:未测定实施例5—60重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=5)将水(135g)和冰丙烯酸(57g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(~100g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺水溶液(96g)、5重量%trilontmc水溶液(2.9g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、10重量%次磷酸na水溶液(0.5g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)和1%tbhp水溶液(0.2g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.40g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中干燥(65℃,2小时),最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:4.4dl/g凝胶含量:未测定视觉可溶性:良好固体含量:84.3%残余丙烯酰胺:80ppm实施例6—60重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=11)将水(135g)和冰丙烯酸(57g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph值控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(~99g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺水溶液(96g)、5重量%trilontmc水溶液(2.9g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、10重量%次磷酸na水溶液(0.8g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)和1%tbhp水溶液(0.2g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.40g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中干燥(65℃,2小时),最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:11.7dl/g凝胶含量:未测定视觉可溶性:良好固含量:87.4%残余丙烯酰胺:160ppm实施例7将实施例1-6制得的聚合物作为絮凝剂在来自油砂开采操作的熟细粒尾矿(mft)浆料的处理和脱水中测试。所用的mft样品具有33%的总固体含量和26%的总粘土含量。在测试期间使用以下协议。将各聚合物制成处于来自油砂开采操作的工艺用水中的0.5%wt/vol溶液。典型地,该水具有与mft浆料的水相类似的化学组成。在测试前,应将mft浆料样品在高剪切条件下混合以破坏样品中可能形成的任何触变凝胶结构。实现该目的所需的正确混合量可通过监测材料的屈服剪切应力确定,并且应充分混合,直至屈服应力值最小化并且稳定。将300g的mft浆料等分试样置于600ml烧杯中,并用平叶片搅拌器以500rpm剪切,直至如上所述达到最小浆料屈服应力。将混合器的速率降至320rpm,立即将所需量的絮凝剂溶液加入到mft浆料中。继续混合,直至样品在最佳絮凝/净水释放(nwr)的视觉点处调节,此时混合器停止。记录到达最佳调节点所需的时间,对于不同的聚合物类型和剂量,这可能会有所不同。将烧杯从搅拌器中取出,将留在搅拌器上的任何剩余浆料刮入烧杯中。立即用合适的流变仪(例如具有叶片轴的haake流变仪)记录经处理材料的屈服应力。将经处理的材料转移至位于1mm筛网顶部且装备有收集基座的2"坍落圈(slumpcollar)中。将烧杯刮干净并将固体加入到圈中的那些中。记录从烧杯烧杯转移至筛上的固体和水的总量。移除坍落圈,开始计时。在材料坍落后24小时,测量并记录从固体中释放的水的体积以及筛上剩余固体的屈服应力。对各数据点使用以下方程计算nwr(%):结果:表1显示了对40%二丙烯酸钙聚合物(实施例1-4)获得的测试结果,表2显示了对60%二丙烯酸钙聚合物(实施例5和6)获得的测试结果。图1和图2也图示了24小时nwr数据。结果表明,二丙烯酸钙聚合物能够有效地处理、絮凝和脱水油砂mft浆料。实施例8—21重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=10.1)将水(140.4g)和冰丙烯酸(20.3g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(~40g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺(188.9g)水溶液、5重量%trilontmc水溶液(2.9g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、1重量%次磷酸na水溶液(0.8g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)和1%tbhp水溶液(0.32g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.64g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中(55℃,2小时)干燥,最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:10.1dl/g凝胶含量:0%视觉可溶性:良好固体含量:90.4%残余丙烯酰胺:570ppm实施例9—19.5重量%二丙烯酸mg聚合物(iv=10.2)将水(130.7g)和冰丙烯酸(20.5g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph值控制下,将20重量%的mg(oh)2水悬浮液液(~41.4g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入51重量%丙烯酰胺水溶液(192g)、5重量%trilontmc水溶液(3g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、1重量%次磷酸na水溶液(0.8g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸将ph调节至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑mg-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)和1%tbhp水溶液(0.24g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.48g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中(55℃,2小时)干燥,最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:10.2dl/g凝胶含量:0.3%视觉可溶性:良好固体含量:87.2%残余丙烯酰胺:565ppm实施例10—来自油矿开采操作的mft的处理将实施例8和9制得的聚合物作为絮凝剂在来自油砂开采操作的熟细粒尾矿(mft)浆料的处理和脱水中测试。所用的协议为上文在实施例7中所描述的协议。表3显示了对二丙烯酸钙和镁聚合物(分别为实施例8和9)获得的测试结果。图3还图示了24小时nwr数据。结果表明,二丙烯酸镁和钙均能有效地处理、絮凝和脱水油砂mft浆料。实施例11—来自矿砂开采操作的尾矿的处理将实施例1制得的聚合物作为絮凝剂在来自矿砂开采操作的细粒尾矿(<53μm)浆料处理中测试。所用尾矿样品的总固体含量为38%wt/wt。在测试期间使用以下协议。将聚合物制成处于来自矿砂开采操作的工艺用水中的0.25%wt/vol溶液,并在混合下借助烧杯倾倒添加至280ml尾矿浆料中,从而形成最多和最佳的絮凝结构(目视评估)。然后将絮凝的材料放入坍落圈中,然后将其移除,使固体坍落并使游离水从固体中排出。使用塌落量来估算经处理固体的屈服应力。如上文实施例7所述,收集从经处理材料中释放的游离水并在经过5分钟时间后测量体积且用于计算净水释放量。结果显示在下表4中。结果表明,实施例1的二丙烯酸钙聚合物能够有效地处理、絮凝和脱水矿砂尾矿浆料。实施例12—根据sortwell#2(ca2,803,025)实施例中描述的方法制备65重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=4.5)该实施例中所用的试剂和量显示在表5中。sortwell实施例公开了与这些试剂的混合物有关的以下内容:“快速反应产生凝胶。该聚合物的特性粘度(iv)为4.5dl/gm(在25℃下在1mnacl中测量)”。需要指出的是,sortwell#2中的说明不包括关于应如何制备二丙烯酸钙单体、反应的起始温度以及在引发聚合反应之前是否使用脱氧操作的信息。此外,sortwell#2指出,将所得聚合物用于处理油砂mft,而不进一步将含水聚合物凝胶加工成干粉,对于商业供应和这些聚合物的应用而言,这被认为是正常的和必要的。尝试基于sortwell#2中公开的细节制备类似的聚合物。在预期从反应混合物放热约45℃下,我们选择约9℃的起始温度,如下文对实施例13中的聚合物制备所公开的那样(作为sortwell#1)。样品a—将0.04%trilontmc(螯合剂)添加至单体水溶液中,然后在引发前用n2脱气45分钟。样品b—将0.04%trilontmc(螯合剂)添加至单体水溶液中,然后在引发前用n2脱气45分钟。在完成聚合工艺之后且在进行任何进一步加工之前,将得到的含水凝胶在80℃下保持2小时。样品c、d和e—使用与样品a相同的方法重复制备在sortwell#2之后,首先直接表征含水聚合物凝胶,为了更完整地评估,我们还将每种凝胶的一部分加工成干粉产品(如上文实施例1-6、8和9所述)。在所有情况下,无论我们使用含水凝胶还是干粉,都发现制得的聚合物难溶。一般而言,完成溶解过程需要约15小时,并且对制剂而言,当可将足量的可溶性聚合物与不溶性残余物充分分离时,发现所述聚合物的iv为7-10dl/g,这大大高于sortwell#2中所要求保护的范围(即iv小于5dl/gm)。还发现所有制剂均具有高水平的残余丙烯酰胺单体,从而使得所述凝胶被归类为危险物质(根据ghs标准),这使得其不适于工业用水和废弃物处理工艺的一般应用(nb:合适的话,残余单体值基于含水凝胶总重量或干粉总重量记录)。这些测试结果报告在表6中。该实施例证明,sortwell#2为制备所要求保护的聚合物提供了不充分的信息,和/或所公开的方法对其制备而言不可行。实施例13—根据sortwell#1(ca2,803,904)实施例中描述的方法制备65重量%二丙烯酸ca聚合物(iv=18)该实施例中所用的试剂和用量显示在表7中。sortwell实施例陈述:“在引发反应前用hcl将ph调节至6.5,并且用n2将试剂脱气,在9℃下引发反应并实施直至完成,从而得到特性粘度为18dl/gm的线性二丙烯酸钙共聚物”。需要指出的是,sortwell#1中的说明没有提供关于应如何制备二丙烯酸钙单体、脱气或方法的持续时间,尤其是用于测量iv的溶剂条件的信息。此外,sortwell1(实施例3)表明,在将所得聚合物用于处理“处于水中的10%固体粘土(主要为钠粘土)浆料”之前,“将聚合物干燥并研磨”,由此可知所述含水凝胶聚合物被进一步加工成干粉,这是用于提供商业上可行的聚合物絮凝剂的常规方法。尝试基于sortwell#1中公开的细节制备类似的聚合物。将每种凝胶加工成干粉产品(如上文实施例1-6、8和9所述)。样品f和g—将0.04%trilontmc(螯合剂)添加至单体水溶液中,然后在引发之前用n2脱气45分钟。将样品h和j—将0.04%trilontmc(螯合剂)添加至单体水溶液中,然后在引发之前用n2脱气45分钟。在完成聚合工艺之后且在进行任何进一步处理之前,将得到的含水凝胶在80℃下保持2小时。在所有情况下,均发现制得的聚合物基本上不溶解,从而使得不可能测量聚合物的iv。尝试将干燥的聚合物溶解在去离子水、1%nacl溶液和1mnacl溶液中而没有成功。还发现所有制剂均具有高水平的残余丙烯酰胺单体,从而使得产品被归类为有毒物质(根据ghs标准),这使得其不适用于工业用水和废弃物处理工艺的一般应用。由于如此制得的聚合物均不溶,因此不可能提高这些制剂在矿物粘土的处理和脱水中的功效,如在sortwell#1的实施例中进一步描述的那样。这些测试结果报告在表8中。该实施例证明,sortwell#1为制备所要求保护的聚合物提供了不充分的信息,和/或所公开的方法对其制备而言不可行。实施例14—20重量%二丙烯酸ca、20重量%丙烯酸na聚合物(iv=15)将水(65g)和冰丙烯酸(19g)加入反应釜中。随后,在冷却和ph值控制下,将30重量%的ca(oh)2水悬浮液(~34g)缓慢加入到该混合物中,直至达到ph6.0±0.1。加入35%丙烯酸钠水溶液(68.6g)、51重量%丙烯酰胺水溶液(144g)、5重量%trilontmc水溶液(3.0g)、消泡剂(xiametertmafe-0400)、1重量%次磷酸na水溶液(0.2g)和4%的处于5重量%naoh溶液中的acva(3g),再次用乙酸调节ph至ph6.0±0.1。随后,加入额外的水以达到30.5%的单体固体(对于acm计算,考虑ca-aa、na-aa和未中和的aa)。将反应混合物在脱气过程中冷却45分钟。当达到约-1℃的温度时,在单体溶液中加入4%aibn甲醇溶液(3g)、1%2,2-偶氮二(2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷)二盐酸盐水溶液(0.4g)和1%tbhp水溶液(0.16g),继续脱气2分钟。随后,在0℃±1.0℃的温度下,通过加入1%偏亚硫酸氢钠水溶液(0.32g)来引发聚合。在聚合后,将湿凝胶置于80℃的加热箱中2小时。随后,将湿凝胶切碎,随后在流化床干燥器中(55℃,2小时)干燥,最后研磨以获得白色/淡黄色粉末。所述聚合物具有以下特征:iv:14.5dl/g凝胶含量:0%视觉可溶性:良好固体含量:88.1%残余丙烯酰胺:200ppm实施例15—来自油砂开采操作的mft的处理将实施例14制得的40重量%阴离子聚合物和实施例1的重复制剂(此处称为实施例1a)作为絮凝剂在来自油砂开采操作的熟细粒尾矿(mft)浆料的处理和脱水中测试。所用的协议是上文在实施例7中所描述的协议。表9显示了对40重量%阴离子聚合物;二丙烯酸钙和组合的钠/钙中和的丙烯酸盐(分别为实施例1a和14)获得的测试结果。图4还图示了24小时nwr数据。结果表明,通过用钙完全和部分中和烯属不饱和酸而制备的两种聚合物均能有效地处理、絮凝和脱水油砂mft浆料。尽管已参照示意性实施方案和实施例描述了本发明,然而该描述并非旨在被解释为限制性的含义。因此,对本领域技术人员而言,在参考该描述时,示意性实施方案的各种改变以及本发明的其他实施方案将是显而易见的。因此设想的是,所附权利要求覆盖任何该类改变或实施方案。本文所提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用整体并入,其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指出通过引用整体并入。表1—40重量%二丙烯酸钙聚合物表2—60重量%二丙烯酸钙聚合物表3—二丙烯酸钙和镁聚合物表4—丙烯酸钙聚合物表5—实施例12中所用的试剂试剂重量%二丙烯酸钙13.0丙烯酰胺7.0软化水79.992,2′-偶氮二[2-(咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐0.0018氢过氧化叔丁基0.0063硫酸氢钠0.0023表6—产物性质(实施例12)表7—实施例13中所用的试剂试剂重量%二丙烯酸钙15.6丙烯酰胺8.4软化水75.99过硫酸铵0.0009亚硫酸氢钠0.00142,2-偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐0.0001表8—产物性质(实施例13)表9—40%阴离子聚合物当前第1页12
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