专利名称：油砂池水的净化的制作方法
技术领域：
本发明是在净化油砂工艺水且改善实施此任务的工艺的领域。
背景技术：
水对油砂处理操作是不可或缺的，这是因为水促进开采物质的转移和/或分离。 开采物质的成分包括烃(有时候称为浙青)、砂、粘土和水。从混合物中提取烃的最常用的 工艺包括碾碎开采物质和稍后将物质悬浮在水中，通常借助增加热以形成浆料。如通过采 用泡沫浮选，经由向浆料中添加化学品来处理所得到的浆料。这促进了包含烃的稳定泡沫 的形成和烃与其他成分的分离。需要大量的水以促进上述分离工艺。所得到的包含不期望的成分的流被输送至尾 矿沉降池以允许砂、粘土和其他颗粒沉降。与所涉及的大量水相关的环境关注使得大部分(如果不是全部)水被强制返回到 工艺中。水返回到油砂工艺(包含不期望的成分)可以损害油砂处理操作。可能的问题包 括，但不限于，泵和管件受到所夹带的颗粒的侵蚀以及因细颗粒的聚积而导致烃分离效率 的损失等。当关闭矿井时，因池水的排放产生了另外的问题。当此问题出现时，当地的水质 许可义务(permit obligation)可能要求从池水中去除未沉降的或胶态的颗粒。回收尾矿池水以便工艺再使用和其他应用，尤其是返回到油砂工艺中是行业 重点。通过膜分离系统净化水是成问题的，这是因为来自油砂的工艺水具有大量的烃 和颗粒物质。水组成形成了膜的阻塞和随后通过膜的水通量的降低的主要环境(prime environment)0膜的阻塞和通过膜的降低的通量使得处理水以便重新使用在油砂工艺中变得低 效。更具体地说，当膜阻塞时，这是低效的，因为要求更频繁的清洁和可能的替换。此外，当 膜阻塞且池水以较慢的速率通过膜时，还要消耗更多的能量和时间来进行过滤。因此，期望一种通过膜分离系统增大来自油砂的池水的通量并净化工艺水的更有 效的方法。发明概述本公开内容提供了一种通过膜分离系统增大来自油砂工艺的尾矿沉降池水的通 量并净化水的方法，该方法包括下述步骤用有效量的一种或多种水溶性阳离子型聚合物、 两性聚合物、两性离子聚合物或其组合处理水；(b)使处理过的水通过膜分离系统；以及 (c)任选地，使来自步骤(b)的渗透物通过另外的膜分离系统。附图简述
图1显示了所要求保护的发明的一个实施方案的示意图。图2显示了临界通量的数据。图3显示了可持续通量(sustainable flux)的数据。发明详述术语定义“UF”意指超滤。
“MF”意指微滤。“NF”意指纳滤。“R0”意指反渗透。“LMH”意指每小时每平方米的升数。“TMP”意指跨膜压力。“NTU”意指比浊法浊度单位。“MPE”意指膜性能增强剂。“T0C”意指总有机碳。“TSS”意指总悬浮固体。“TS”意指总固体。“Pt-Co” 意指钼-钴色度单位(Platinum-Cobalt Color Unit)。“两性聚合物”意指由阳离子单体和阴离子单体以及可能的其他非离子单体得到 的聚合物。两性聚合物可以具有净的正电荷或负电荷。两性聚合物还可以由两性离子单体 和阳离子或阴离子单体以及可能的非离子单体得到。两性聚合物是水溶性的。“阳离子型聚合物”意指具有总的正电荷的聚合物。本发明的阳离子型聚合物是通 过使一种或多种阳离子单体，通过使一种或多种非离子单体和一种或多种阳离子单体共聚 合，通过使表氯醇和二胺或多胺缩合或使二氯化乙烯和氨或甲醛以及胺盐缩合来制备的。 阳离子型聚合物是水溶性的。“两性离子聚合物”意指主要由两性离子单体和可能的其他非离子单体构成的聚 合物。在两性离子聚合物中，严格来说，所有聚合物链和那些链内的链段(segment)是电中 性的。因此，两性离子聚合物表示两性聚合物的子集，必须维持整个所有聚合物链和链段电 中性，这是因为阴离子电荷和阳离子电荷都被引入到同一种两性离子单体中。两性离子聚 合物是水溶性的。优选的实施方案本发明的膜分离系统可以包括一种或多种类型的膜。膜的数目和膜的方位 (orientation)(浸没或外部)取决于本领域的普通技术人员已知的各种因素，如工艺水的 组成。在一个实施方案中，膜分离系统具有选自由下述膜组成的组的至少一种膜超滤 膜；微滤膜；及其组合。在另一个实施方案中，另外的膜分离系统具有选自由下述膜组成的组的膜超滤 膜；纳滤膜；反渗透膜；及其组合。当超滤膜用在所述另外的膜系统中时，膜的孔径小于所 述膜分离系统中使用的超滤膜的孔径。在另一个实施方案中，膜分离系统是浸没式膜系统、外部膜分离系统或其组合。在另一个实施方案中，另外的膜分离系统是浸没式膜系统、外部膜分离系统或其 组合。所采用的膜可以具有各种类型的物理和化学参数。关于物理参数，在一个实施方案中，超滤膜具有0. 003 ii m到0. 1 ii m范围内的孔径。在另一个实施方案中，微滤膜具有0. liim到10 iim范围内的孔径。
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在另--个实施方案中，膜具有从外到内或从内到外过滤模式的中空的纤维构型。
在另--个实施方案中，膜具有平的片状构型。
在另--个实施方案中，膜具有管状构型。
在另--个实施方案中，膜具有多腔结构(multi-bore structure) 0
在另--个实施方案中，膜具有毛细管构型。
在另--个实施方案中，膜具有螺旋缠绕构型。
关于化学参数，在一个实施方案中，膜是聚合的。
在另--个实施方案中，膜是无机的。在又一个实施方案中，膜是不锈钢。
存在可以实施所要求保护的发明的且对本领域的普通技术人员来说是明显的且
无需过多试验的其他物理和化学膜参数。在通过膜分离系统之前，用有效量的一种或多种水溶性阳离子型聚合物、两性聚 合物、两性离子聚合物或其组合来处理池水。这些水溶性的聚合物被称为MPE。在一个实施方案中，两性聚合物选自由下述物质中的至少一种组成的组丙烯 酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐(DMAEA. MCQ)/丙烯酸共聚物、二烯丙基二甲基氯化铵/丙 烯酸共聚物、丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷盐(dimethylaminoethyl acrylate methyl chloride salt)/N，N-二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙基N-(3-磺丙基)-甜菜碱铵(N，N_dim ethyl-N-methacrylamidopropyl-N-(3-sulfopropyl)-ammonium betaine)共聚物、丙烯酸 /N，N-二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙基N-(3-磺丙基)-甜菜碱铵共聚物以及DMAEA. MCQ/ 丙烯酸/N，N- 二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙基N-(3-磺丙基)_甜菜碱铵三元共聚物。在另一个实施方案中，有效量的两性聚合物是约lppm到约500ppm的活性固体。在另一个实施方案中，两性聚合物具有约5，000道尔顿到约2，000，000道尔顿的 重均分子量。在另一个实施方案中，两性聚合物具有约4.0 6.0到约9. 8 0.2的阳离子电 荷当量对阴离子电荷当量的比。在另一个实施方案中，阳离子型聚合物选自由下述物质中的至少一种组成的组 聚二烯丙基二甲基氯化铵；聚乙烯亚胺；聚表胺(poly印iamine)；与氨或乙二胺交联的聚 表胺；二氯化乙烯与氨的缩合聚合物；三乙醇胺与妥尔油脂肪酸的缩合聚合物；聚(甲基丙 烯酸二甲氨基乙酯硫酸盐)；以及聚(丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐)。在另一个实施方案中，阳离子型聚合物是丙烯酰胺(AcAm)与一种或多种阳离子 单体的共聚物，阳离子单体选自由下述物质组成的组二烯丙基二甲基氯化铵、丙烯酸二甲 氨基乙酯氯代甲烷季盐、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐和丙烯酸二甲氨基乙酯苄 基氯季盐。在另一个实施方案中，有效量的阳离子型聚合物是约0. 05ppm到约400ppm的活性固体。在另一个实施方案中，阳离子型聚合物具有至少约5mol%的阳离子电荷。在另一个实施方案中，阳离子型聚合物具有100mol%的阳离子电荷。在另一个实施方案中，阳离子型聚合物具有约100，000道尔顿到约10，000, 000道 尔顿的重均分子量。在另一个实施方案中，两性离子聚合物包括约lmol%到约99mol%的N，N_ 二甲
6基-N-甲基丙烯酰氨基丙基-N- (3-磺丙基)-甜菜碱铵和约99mol %到约lmol %的一种或 多种非离子单体。在另一个实施方案中，有效量的两性离子聚合物是约lppm到约500ppm的活性固 体。在另一个实施方案中，如图1所示，将所采用的工艺水输送至尾矿沉降池。用MPE 化学处理来自尾矿沉降池的水并将其泵送入具有UF或MF膜的膜分离系统中。可以将一种 或多种MPE在膜系统(外部或浸没式)前在线添加或直接添加到采用浸没式膜系统时的膜 罐中。经由对本领域的普通技术人员来说明显的多种技术从池转移/泵送水。渗透物流回 以便使用在工艺中或通过包含NF或R0膜的另外的膜分离系统来进一步净化。将来自另外 的膜分离系统的渗透物输送回以便使用在工艺中。来自任一个膜分离系统的浓缩物被处 置、脱水或其组合。在脱水的情形中，液体被输送回到池或重新使用在工艺中且进行或不进 行进一步的处理。来自尾矿沉降池的水具有高水平的烃。在一个实施方案中，池水包含约lOppm到10，OOOppm的TS ；约2ppm到约lOOOppm 的 TSS ；约 lppm 到约 lOOpprn 的油脂(oil and grease)；约 lppm 到约 lOOpprn 的 T0C ；约 7 到约9的pH ；约2NTU到约500NTU的浊度；以及约5Pt_Co单位到约100Pt_Co单位的色度。下面的实施例并不期望是限制性的。
实施例对下面提到的试验来说，PRODUCT A包含具有50mol %的阳离子电荷的DMAEA. MCQ/AcAm 共聚物。PRODUCT A 可从 Nalco Company，Naperville，Illinois 获得。A.通量增强试验1.方案用于下述试验的池水是从加拿大油砂处理工厂获得的。池水具有下述特征TS 360ppm ；TSS :49ppm ；油脂:27ppm ；T0C :53ppm ；pH 8. 8 ；电导率3. lmS/cm ；浊度78NTU ；以 及色度55Pt-Co单位。将池水添加到带顶置式混合器的罐中并用3ppm或8ppm的PRODUCT A(根据烧杯 试验确定)进行处理。用顶置式混合器混合混合物且以高速操作1分钟，然后以慢速操作1 分钟。接着，将处理过的水置于膜罐中，从日本的Yuasa购得的平板微滤(MF)膜被浸没在 膜罐中。测量对照(未处理的)和处理过的池水通过膜的临界通量和可持续通量。临界通量是高于膜变得严重淤塞且跨膜压力(TMP)显著上升时的通量。因此，临 界通量的确定是重要的。临界通量的确定给出了可持续通量的概念，可持续通量是在需要 清洁之前，膜可以被操作较长持续时间时的通量。根据本领域的普通技术人员已知的若干 研究，可持续通量通常是临界通量的60%-70%。可持续通量决定了设备资金成本(膜面 积的量、配套附件和占地)和操作成本(清洁、劳力等)。为了获得临界通量，首先施用30LMH(每小时每平方米的升数)的最低通量并监测 跨膜压力(TMP)15分钟。在15分钟之后，接着施用较高的通量并再次测量TMP。持续进行 此过程，直到达到2. 5psi-3psi的TMP。对所测试的特定的MF膜来说，制造商产品目录推荐 约3psi是限值，3psi之后，已经清洁了膜。
基于用对照得到的临界通量，应用53LMH的通量并测量TMP若干小时以确定此通 量的可持续性。对处理的来说，应用相同的通量以比较随着时间的TMP增加速率。2.结果a.临界通量图2显示了在下面的数据点处池水通过膜的临界通量数据对照(无PR0DUCTA)； 3ppm的PR0DUCTA ；和8ppm的PR0DUCTA。从图2中明显看出，对照的临界通量是约 75LMH-80LMH，而对用PR0DUCTA处理过的池水来说，没有明显检测到临界通量。对用8ppm 的PR0DUCTA处理过的池水来说，任何通量时的绝对TMP和TMP增加速率都是最低的。b.可持续通量图3显示了对于对照和8ppm的PR0DUCTA处理过的池水的53LMH通量的可持续性。 清楚地看出，在3小时内，对照的TMP增加至约0. 8psi，而对处理的来说，即使在过滤24小 时之后，TMP仅增加至0. 5psi。实际上，就具有72LMH通量的处理过的水来说，TMP增加速 率仍是非常低的且8小时过滤，TMP仅达到0. 7psi。因而，很清楚，可持续通量可以从对照的约30LMH(数据未显示)增加至用8ppm的 PRODUCT A处理的约60LMH-72LMH，通量增大了超过100%。c.水质表1显示了在对照和处理过的池水微滤之后的水质的改善。就对照和处理过的池 水来说，浊度始终< 0. 2NTU。8ppm的PRODUCT A处理之后的色度消除(color removal)还 高于对照的。表1 水质
权利要求
一种通过膜分离系统增大来自油砂工艺的尾矿沉降池水的通量并净化水的方法，所述方法包括下述步骤(a)用有效量的一种或多种水溶性阳离子型聚合物、两性聚合物、两性离子聚合物或其组合处理水；(b)使处理过的水通过膜分离系统；(c)任选地，使来自步骤(b)的渗透物通过另外的膜分离系统；以及(d)任选地，其中所述膜分离系统和/或所述另外的膜分离系统是浸没式膜系统、外部膜分离系统或其组合。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述膜分离系统具有选自由下述膜组成的组的至少 一种膜超滤膜；微滤膜；及其组合。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述另外的膜分离系统具有选自由下述膜组成的组 的至少一种膜超滤膜，其中所述膜的孔径小于所述膜分离系统中使用的所述超滤膜的孔 径；纳滤膜；反渗透膜；及其组合。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述两性聚合物选自由下述物质中的至少一种组成 的组丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐/丙烯酸共聚物、二烯丙基二甲基氯化铵/丙烯酸 共聚物、丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷盐/N，N- 二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙基-N- (3-磺 丙基)_甜菜碱铵共聚物、丙烯酸/N，N- 二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙基-N-(3-磺丙 基)_甜菜碱铵共聚物以及DMAEA.MCQ/丙烯酸/N，N-二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙 基-N- (3-磺丙基)-甜菜碱铵三元共聚物。
5.如权利要求1所述的方法，其中有效量的两性聚合物是约lppm到约500ppm的活性 固体。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述两性聚合物具有约5，000道尔顿到约 2，000, 000道尔顿的重均分子量。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述两性聚合物具有约4.0 6.0到约9. 8 0.2 的阳离子电荷当量对阴离子电荷当量的比。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述阳离子型聚合物选自由下述物质中的至少一种 组成的组聚二烯丙基二甲基氯化铵；聚乙烯亚胺；聚表胺；与氨或乙二胺交联的聚表胺； 二氯化乙烯与氨的缩合聚合物；三乙醇胺与妥尔油脂肪酸的缩合聚合物；聚(甲基丙烯酸 二甲氨基乙酯硫酸盐)；以及聚(丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐)。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述阳离子型聚合物是丙烯酰胺与一种或多种阳离 子单体的共聚物，所述阳离子单体选自由下述物质组成的组二烯丙基二甲基氯化铵、丙烯 酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯氯代甲烷季盐和丙烯酸二甲氨基 乙酯苄基氯季盐。
10.如权利要求1所述的方法，其中有效量的阳离子型聚合物是约0.05ppm到约 400ppm的活性固体。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述阳离子型聚合物具有至少约5mol%的阳离子 电荷。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述阳离子型聚合物具有100mol%的阳离子电荷。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述阳离子型聚合物具有约100，000道尔顿到约[10，000, 000道尔顿的重均分子量。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述两性离子聚合物包括约Imol%到约99mol %的 N，N-二甲基-N-甲基丙烯酰氨基丙基-N-(3-磺丙基)-甜菜碱铵和约99m0l%到约Imol % 的一种或多种非离子单体。
15.如权利要求1所述的方法，其中有效量的两性离子聚合物是约Ippm到约500ppm的 活性固体。
16.如权利要求1所述的方法，其中水包含约IOppm到10，OOOppm的TS；约2ppm到约 IOOOppm的TSS ；约Ippm到约IOOppm的油脂；约Ippm到约IOOppm的TOC ；约7到约9的 pH ；约2NTU到约500NTU的浊度；以及约5Pt_Co单位到约100的Pt-Co单位的色度。
全文摘要
公开了一种通过膜分离系统增大来自油砂工艺的尾矿沉降池水的通量并净化水的方法，该工艺包括下述步骤(a)用有效量的一种或多种水溶性阳离子型聚合物、两性聚合物、两性离子聚合物或其组合处理水；(b)使处理过的水通过膜分离系统；以及(c)任选地，使来自步骤(b)的渗透物通过另外的膜分离系统。
文档编号C02F1/56GK101855177SQ200880115843
公开日2010年10月6日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月15日
发明者安东尼·G·索姆斯, 沃尔特·H·古德曼, 迪帕克·A·穆萨尔 申请人:纳尔科公司