作为高pH 或离子液体阻挡层的粘土/聚合物共混物的制作方法
【专利说明】作为高pH或离子液体阻挡层的粘±/聚合物共混物
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2013年7月12日提交的标题为"Blended Polymer System"的美国临时 申请No. 61/845，791的权益，其全部公开内容在本文中通过参考引入。 发明领域
[0003] 本发明的公开内容设及粘±与阳离子和阴离子聚合物的组合，和/或一种或多种 具有阳离子和阴离子运两种电荷点的单体的混合物，和当粘±用作液压阻挡层防止具有高 离子强度(高度酸性和/或高度碱性)的侵蚀性液体，例如来自于加工矿石，例如侣±矿矿石 的采矿渗滤液流动时，改进粘±的液压性能(不可渗透性或阻挡性能）的方法。粘±/聚合物 混合物在置于两种±工合成织物之间的±工合成粘±衬里(G化）中优选用作阻挡层。在最 优选的实施方案中，粘±/聚合物混合物置于两种±工合成织物之间，其中的至少一种是非 织造织物，和该织物被针刺在一起W在织物之间锁定粘±/聚合物混合物。
[0004] 本发明的【背景技术】和现有技术
[0005] 在化学处理材料，和作为该处理工艺的副产物，生产需要容纳在容器内的侵蚀性 液体的许多工业中，工业上明显需要改进的废液容纳。运些侵蚀性(高度酸性或高度碱性） 液体或液体/固体废物材料不可能通过埋葬处置，因为它们可能渗透经过±壤并污染地下 水源，和因此必须通过在废物下方放置液体阻挡层，防止废物渗透阻挡层而容纳它们。特别 麻烦的是强碱性液体的废物材料，例如来自于加工矿石，尤其侣±矿矿石的那些。
[0006] 已发现，尤其在矿石加工工业中，对于大多数部件来说，±工合成的粘±衬里对含 有高浓度离子盐的高pH(碱性)废液的阻挡(液压性能)不那么充足。
[0007] 提供具有改进的液压性能防止高离子废液渗透的粘±的在先尝试包括添加含有 游离氧化娃或含娃材料的氧化娃组分，W保护粘上避免溶解(W02009/023915);添加阴离子 聚合物溶液到粘上中，接着干燥(W02012/025564和US 7,026,385;US 2012/0219566 Al和 2012/0219367 Al);和在GCL的区域内，使用粘±与单体的共混物原位聚合聚合物(US 6， 737,472 B2)。
[000引发明概述
[0009]已发现，根据本文描述且要求保护的组合物、制造制品和方法的优选实施方案，粘 ±与阳离子和阴离子聚合物的组合，和一种或多种具有阳离子和阴离子运两种电荷点的单 体混合，导致一种组合物，它具有令人惊奇的液压性能(不可渗透性)防止高离子废液，例如 侣±矿矿石渗滤液和其他矿石加工渗滤液水力传导化ydraulie conductivity)。在优选的 实施方案中，粘±/阳离子聚合物/阴离子聚合物混合物被包含在±工合成的粘±衬里 (GCL)内。令人惊奇地，当粘±/聚合物混合物置于两种织物之间，其中的至少一种织物是非 织造织物且织物被针刺在一起时，该聚合物组合借助两种聚合物之间或者聚合物和粘±之 间的相互作用将阻挡液体渗透织物，和甚至阻挡液体渗透通过织物内的针刺孔。运是尤其 令人惊奇的，因为粘±部分本身将实质上不会溶胀，当与高离子的侵蚀性废液接触时。可按 照任何方式，优选通过干混，研磨，和/或挤出，均匀地混合聚合物和/或单体与粘±。
[0010] 在没有束缚于任何特定理论的情况下，理论认为将粘±/聚合物混合物暴露于侵 蚀性高离子废液，例如矿石加工渗滤液下会使阳离子和阴离子聚合物在相邻的粘±颗粒和 纺织品的纤维之间的间隙空间内溶剂化。进一步认为由于阳离子和阴离子聚合物链之间强 烈的吸引导致该聚合物可络合形成漂浮物(floes)。运些漂浮物将排放到粘±颗粒之间，W 及粘±颗粒与织物纤维之间的间隙空间内，引起物理阻挡任何废液通过±工织物的流动路 径，因为非常小的溶胀压力可归因于混合物的粘±部分，当接触高离子的侵蚀性废液时。另 夕h由于聚阳离子对蒙脱石粘±中负电荷的吸引，形成聚阳离子/粘±缔合导致额外的物理 阻挡液体经过G化的流动路径可辅助聚合物保留，并可影响阳离子聚合物/阴离子聚合物漂 浮物的机械性能，例如物理点，所述漂浮物将阻挡潜在的液体通过GCL的流动路径。另外，认 为在侵蚀性废液内高盐浓度可促进聚合物和粘±小片之一或二者之间通过氨键合的相互 作用。
[0011] 令人惊奇的是，尽管存在高的盐浓度（已知高的盐浓度会干扰互聚物络合物），但 可发生运些缔合。同样令人惊奇的是，与含有仅仅阴离子聚合物组分的GCL相比，运些阳离 子/阴离子聚合物共混物倾向于显示出较好的长期性能。进一步令人惊奇的是在相对低的 聚合物负载下，在针刺的纤维束内，阳离子/阴离子聚合物共混物在阻挡流动方面是如此的 有效。认为与单独的聚合物体系相比，通过粘±和聚合物之间预料不到的相互作用，该聚合 物较好地保留在G化内，W允许较好的长期稳定性。
[0012] 在本文描述和要求保护的组合物，制造制品和方法的另一实施方案中，混合粘± 与在单一的小分子上含有阴离子和阳离子运两种空间电荷的小分子(非聚合物的分子），例 如两性离子（内盐），所述小分子当与高离子液体接触时，解离成阴离子分子，例如横基，簇 基或憐阴离子，和阳离子分子，例如季锭或麟阳离子。理论认为具有阴离子和阳离子运两种 空间电荷的小分子当与粘±混合时，W与W上所述的阴离子和阳离子聚合物相同的方式且 基于相同的理论，起到提供优良的液体不可渗透性的作用。
[0013] 在本文描述和要求保护的组合物，制造制品和方法的又一实施方案中，混合粘± 与一种或多种在相同的聚合物分子上具有阴离子和阳离子运两种空间电荷的聚合物，例如 聚甜菜碱和/或聚氧化麟。再者，理论上认为含有阴离子和阳离子运两种空间电荷的单一聚 合物分子W某种方式与具有阴离子和阳离子电荷点二者的其他聚合物分子相互作用，和/ 或与粘±相互作用，针对高离子液体，阻挡潜在的液体流动路径。
[0014] 在本文描述和要求保护的组合物，制造制品和方法的再一实施方案中，混合粘± 与一种或多种具有范围为5:1至约1:5,优选约3:1至约1:3的负比正电荷平衡，和最优选具 有1:1的完美电荷平衡的聚两性电解质。优选地，该聚两性电解质聚合物是簇酸盐，横酸盐 或憐酸盐阴离子聚合物和阳离子聚合物的共聚物，它们各自的用量足W提供合适的电荷平 衡。
[0015] 本文描述的组合物，制品和方法的一个方面是提供粘±/聚合物组合物，它能提供 对高离子液体，例如矿石渗滤液穿过的阻挡，进而充当基本上不可渗透的阻挡层，W防止高 离子液体渗透组合物并到达地下水源。
[0016] 本文描述的组合物，制品和方法的另一方面是提供粘±/双电荷单体共混物，其具 有7:1至1:0.15,优选约1:1的正比负电荷平衡，所述正比负电荷平衡能提供对高离子液体， 例如矿石渗滤液穿过的阻挡，进而充当基本上不可渗透的阻挡层，W防止高离子液体渗透 组合物并到达地下水源。与粘±-起包括用量为约O . 2wt % -约20wt %，优选约5wt % -约 15wt %的单体，基于该组合物的总重量。
[0017]根据下述详细说明，形成对离子和高P取夜体穿过其中的液体阻挡层的粘±/聚合 物或粘±/单体共混物的上述和其他的方面与优点将变得更加显而易见。
[001引附图简述
[0019] 图1是本发明公开内容的优选实施方案的多层离子液体的部分脱离的剖视图；
[0020] 图2是本发明公开内容的离子液体阻挡层的制造工艺的示意流程图；
[0021] 图3是在±壤表面上安装的含另一阻挡材料的上层的离子液体阻挡层的侧视图；
[0022] 图4是由相同或不同的粘±/聚合物的多层或含反应性材料的层形成的离子液体 阻挡层的部分脱离的剖视图；
[0023] 图5是显示作为时间的函数，在20k化负载下，在盐水内粘±/聚合物溶胀的图表；
[0024] 图6是根据本发明公开内容的实施方案，含A-聚阴离子/聚阳离子共混物;B-聚两 性电解质;C-聚甜菜碱;D-甜菜碱单体的电荷平衡的粘±添加剂的示意图；
[0025] 图7是显示作为各种煤燃烧产物渗滤液的时间的函数，根据本发明公开内容的实 施方案的粘±/聚合物体系的水力传导率的图表；
[0026] 图8是显示作为各种烟道气脱硫渗滤液的时间的函数，根据本发明公开内容的实 施方案的粘±/聚合物体系的水力传导率的图表；
[0027] 图9是显示作为各种粉煤灰和天然碱(Trona)渗滤液的时间的函数，根据本发明公 开内容的实施方案的粘±/聚合物体系的水力传导率的图表；
[0028] 图10是显示作为各种采矿渗滤液的时间的函数，根据本发明公开内容的实施方案 的粘±/聚合物体系的水力传导率的图表；
[0029] 图11是显示作为合成煤燃烧产物渗滤液的时间的函数，根据本发明公开内容的实 施方案的粘±/含甜菜碱的聚合物体系的水力传导率的图表。
[0030] 详细说明
[0031] 根据优选的实施方案，可用于防止高离子侵蚀性废液渗透G化的粘±/阳离子聚合 物/阴离子聚合物混合物同样可用于防止废液渗透±壤，当用作压实的粘±衬里(不具有± 工织物）W供容纳高离子废液，例如矿石渗滤液时。类似地，本文描述的粘±/多电荷的单一 聚合物和小分子混合物同样可用于防止废液渗透通过GCL并可用于构造由压实粘±制造的 外壳结构；由粘±/聚合物混合物的浆液形成的狭壞和堪板。本文描述的粘±/阳离子聚合 物/阴离子聚合物混合物W及粘±/多电荷的单一聚合物和小分子混合物同样可在任何液 体阻挡器件和/或方法中用作粘±组件。优选的使用形式是在两个针刺的纺织品之间包含 粘±/阴离子/阳离子/聚合物混合物。
[0032] 本文中所使用的"侵蚀性环境"或"侵蚀性液体"是指其中期望水的吸收、保留或容 纳，具有高或低抑，高离子强度和高的二价和/或多价离子浓度的体系。例如，侵蚀性环境可 包括具有高pH，例如抑大于或等于10,或具有低pH，例如抑小于或等于3的水体系。侵蚀性环 境或者或另外可具有高的离子强度，例如离子强度大于IOmol dnf3eWmol dnr3为单位表示 的离子强度(I)是在该溶液内存在的所有离子浓度的函数且用下式1计算：
[0033] 式1:
[0034] 其中Cl是在该溶液内存在的第i种离子的摩尔浓度，和Zi是其电荷。
[0035] 侵蚀性环境可或者或另外具有高的二价和/或多价离子浓度，例如通过RMD值定义 的浓度。RMD值是单价对二价(或多价离子)之比。溶液的RMD( W均方根摩尔度表示)可用W 下的方程式计算，其中Mm和Md分别是溶液内单价和二价阳离子的总摩尔度。溶液的RMD( W均 方根摩尔度表示)可根据下式2计算：
[0036] 式2:
[0037] 其中Mm和Md分别是溶液内单价和二价阳离子的总摩尔度。侵蚀性环境具有低的RMD 值，例如小于0.7,特别地小于0.5和尤其小于0.1。二价和其他多价离子桥连粘±的小片，从 而防止粘±溶胀并形成液压阻挡层。因此，在具有低RMD值的环境中，在没有预水合溶胀粘 上的情况下，仅仅粘上阻挡层不可能合适地起作用。假设粘上最终在使用期间干燥，则阻挡 层变得显著更加可渗透，和因具有高的二价或多价离子浓度的水的影响导致粘±不会再溶 胀。
[0038] 在一些实施方案中，侵蚀性环境包括高的氯化巧浓度，例如大于或等于SOmmol的 氯化巧浓度。侵蚀性环境可具有例如大于或等于SOmmol，大于或等于IOOmmol，大于或等于 ISOmmol，大于或等于200mmol，大于或等于250mmol，大于或等于300mmol，大于或等于 350mmol，大于或等于400mmol，大于或等于450mmol，和大于或等于SOOmmol的氯化巧浓度。 例如，城市固体废物(MSW)对粘±-基阻挡层呈现出侵蚀性环境，在于它通常具有约IOOmM的 离子强度。低水平的放射性废物化LRW)也对粘±-基阻挡层呈现出侵蚀性环境，因为它具有 小于0.5的RMD值。煤燃烧产物(CCP)是粘±-基阻挡层的又一侵蚀性环境，其具有高的离子 强度和低的RMD值。CCP灰分通常包括混合的煤燃烧灰分且预期在长期储存工艺中生成不同 的预期渗滤液，运取决于它从中产生的场所。烟道气脱硫(FGD)是再一类型的侵蚀性渗滤液 的，它包括由注射氨氧化巧生成的进入到烟道气物流内的灰分。正如W下所证明的，FGD渗 滤液特征，其中包括离子强度可显著变化，运取决于它从中产生的场所。天然碱灰分是另一 类型的侵蚀性渗滤液，它来自于注射天然碱到烟道气物流内。水力压裂的水 (Hy化Ofracture water)是具有高离子强度的侵蚀性环境的实例。灰分是再一侵蚀性渗滤 液，它包括从粒子收集器中分离的灰分。例如，本发明公开内容的液压阻挡层可用作采矿渗 滤液的阻挡层，它可包括例如氯化巧，盐酸，硫酸，氯化物盐，且可W是碱性的，例如是氨氧 化钢。在一个实施方案中，本发明公开内容的液压阻挡层可用作具有硫酸根离子浓度大于 lOOOmg/L的离子渗滤液的阻挡层。
[0039] 已发现，根据本文描述且要求保护的组合物，制造制品，和方法的优选实施方案， 与阳离子和阴离子聚合物的组合混合，和/或与含有具有阳离子和阴离子运两种电荷点的 一种或多种单体的聚合物之一混合的粘±导致具有令人惊奇的液压性能（不可渗透性)防 止高离子废液，例如侣±矿渗滤液和其他矿石加工渗滤液水力传导的组合物。在优选的实 施方案中，粘±/阳离子聚合物/阴离子聚合物混合物被包含在±工合成的粘±衬里(G化） 内。令人惊奇地，当粘±/聚合物混合物置于两种织物之间，其中的至少一种织物是非织造 织物和该织物针刺在一起时，该聚合物组合借助两种聚合物之间或者聚合物和粘±之间的 相互作用将阻挡液体渗透织物，和甚至阻挡液体渗透通过织物内的针刺孔。运是尤其令人 惊奇的，因为粘±部分本身实质上不会溶胀，当