專利名稱：減少堿工業(yè)過(guò)程中鋁硅酸鹽污垢的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了用于防止或抑制在具有堿性工藝流的工業(yè)方法中使用的設(shè)備上或設(shè)備中形成污垢的物質(zhì)和方法。
背景技術(shù)：
在工業(yè)方法，特別是那些具有堿性工藝流的工業(yè)方法中使用的工藝設(shè)備中和設(shè)備上形成污垢的問(wèn)題是眾所周知的。當(dāng)這些污垢在工藝設(shè)備的表面上累積時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常大的問(wèn)題，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降。因此，在這些方法中需要向蒸發(fā)器設(shè)備提供額外的熱量，結(jié)果導(dǎo)致成本增加。這類具有堿性工藝流的工業(yè)方法的例子是用于造紙的Kraft回收方法， 該方法為人們所知已有100多年，并且在許多文章中進(jìn)行了詳細(xì)的描述(參見， G. A. Smook" Handbook for Pulp and paper technologists,第 3 版)。最近，牛皮紙制造廠的閉合環(huán)路的發(fā)展由于鋁和硅在系統(tǒng)中的累積造成工藝設(shè)備中污垢問(wèn)題日益嚴(yán)重，例如 P. N. Wannamaker禾口W. J. Frederick在"Application of solubility data to predicting the accumulation of aluminum and silicon in alkaline pulp mills " , Minimum Effluent Mills Symposium，1996，第303頁(yè)中所描述的。因此，人們普遍認(rèn)為必須提供一種抑制牛皮紙漿制造廠中鋁硅酸鹽污垢形成的方法和組合物。US 5409571描述了馬來(lái)酸、 丙烯酸和次磷酸的三元共聚物作為污垢抑制劑用于牛皮紙漿制造廠。該類聚合物能夠有效地抑制碳酸鈣污垢，但是對(duì)于鋁硅酸鹽污垢沒(méi)有表現(xiàn)出效力。為了最大程度地減小廢料體積和固定有害物質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存，使用高等級(jí)核廢物 (HLNW)設(shè)備處理富含放射性的固體和液體廢棄物。HLNW處理目前通過(guò)兩種方法進(jìn)行一種方法是在酸性條件下進(jìn)行，另一種在堿性條件下進(jìn)行。在堿性處理?xiàng)l件下，在廢棄物玻璃化之前的預(yù)處理階段中，鋁硅酸鈉污垢的生長(zhǎng)是嚴(yán)重的問(wèn)題。在預(yù)處理設(shè)備中，廢棄物被蒸發(fā)、過(guò)濾、離子交換和進(jìn)一步蒸發(fā)。在蒸發(fā)過(guò)程中，鋁硅酸鹽污垢可以在蒸發(fā)器的壁表面和加熱表面上形成。此外，由于這些污垢和沉淀物的累積造成傳輸管道堵塞，必須關(guān)機(jī)，進(jìn)行保養(yǎng)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的HLNW廢棄物進(jìn)入玻璃化設(shè)備。HLNW廢棄物進(jìn)入熔化器準(zhǔn)備容器，在此加入二氧化硅和其它玻璃形成材料。然后加熱混合物，將熔融的混合物倒入較大的不銹鋼容器中，冷卻，轉(zhuǎn)移到臨時(shí)儲(chǔ)存器中，直到選擇了永久儲(chǔ)存地點(diǎn)。從玻璃化裝置操作中得到的一部分含硅的玻璃形成材料再循環(huán)回到蒸發(fā)器裝置中(在預(yù)處理過(guò)程中)。作為鋁酸鈉形式的溶解的鋁和硅酸鈉物質(zhì)在溶液中緩慢地反應(yīng)，形成絡(luò)合的水合鋁硅酸鈉物質(zhì)。在這些物質(zhì)中，包括以下幾類無(wú)定形鋁硅酸鹽(鋁硅酸鹽水凝膠)、沸石、方鈉石和鈣霞石，統(tǒng)稱為“鋁硅酸鹽鈉”。這些核廢棄物流還含有高濃度(對(duì)于各離子高達(dá)2M)的硝酸根離子和亞硝酸根離子，以及非常高濃度(在槽的一些部分中高達(dá)16M)的0H_離子。這些因素極大地加快了形成鋁硅酸鹽污垢的速度。結(jié)果，形成的鋁硅酸鈉污垢在堿性HLNW液體中的溶解度較低。此外，鋁硅酸鈉污垢由于會(huì)使放射性鑭系和錒系元素結(jié)合到鋁硅酸鹽污垢的籠狀結(jié)構(gòu)中并且與重鈾酸鈉共沉淀而被認(rèn)為是不利的HLNW產(chǎn)物。(Peterson，R. A.和Pierce， R. Α. ,(2000), Sodium diuranate and sodium aluminosilicate precipi tation testing resul ts, WSRC-TR-2000-00156, Westinghouse Savannah River Company,Aiken,SC)。因此，希望HLNW設(shè)備能夠最大程度地減小HLNW的體積(包括由鋁硅酸鹽污垢產(chǎn)生的)。因此，可以看出，鋁硅酸鈉污垢的生長(zhǎng)對(duì)于處理核廢棄物具有明顯不利的經(jīng)濟(jì)和操作影響。因此，希望提供解決核廢棄物蒸發(fā)器中鋁硅酸鈉污垢問(wèn)題的方法。解決上述問(wèn)題的嘗試已經(jīng)取得了一些有限的成功，參見Wilmarth及其同事 (ffilmarth, W. R. , Mills, J. T. and Dukes, V. H. , (2005), Removal of silicon from high-level waste streams via ferric flocculation, Separation Sci. Technol. ,40, 1-11。這些作者為了減少或消除鋁硅酸鹽污垢的形成，研究使用硝酸鐵以含鐵沉淀物的形式除去溶液中的硅。盡管該方法具有一些優(yōu)點(diǎn)，但是仍然需要處理高水平含鐵沉淀物的廢棄問(wèn)題，需要額外的過(guò)濾裝置操作。此外，W. R. Wilmarth和J.T.Mills" Results of Aluminosilicate Inhibitor Testing"，WSRC-TR-2001-00230 建議使用低分子量化合物作為HLNW的污垢抑制劑，但是發(fā)現(xiàn)這些結(jié)果都不令人滿意。因此，需要找到一種經(jīng)濟(jì)且有效的方法，用于減少鋁硅酸鹽污垢在工業(yè)方法中所用的設(shè)備上和核廢棄物處理流中的累積，這些工業(yè)方法是這種累積會(huì)帶來(lái)的問(wèn)題的方法， 例如Kraft紙漿造紙方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)提供具有以下特征的物質(zhì)和方法來(lái)解決上述問(wèn)題和其它問(wèn)題使用具有至少0.5摩爾<%的基團(tuán)--Si (0R" )3(其中R"是H、烷基、Na、K或NH4)作為端基或側(cè)鏈基的聚合物來(lái)減少或消除具有堿性工藝流的方法(例如牛皮紙漿制造)或高等級(jí)核廢物蒸發(fā)方法處理流中的鋁硅酸鹽污垢。當(dāng)本發(fā)明的物質(zhì)加入到這些工業(yè)工藝流中時(shí)，它們能夠減少，甚至完全防止鋁硅酸鹽污垢在設(shè)備表面上的形成。而且，本發(fā)明的物質(zhì)在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的處理濃度下非常有效。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種方法和物質(zhì)，用于減少具有堿性工藝流的工業(yè)方法(例如牛皮紙漿制造工藝流)或高等級(jí)核廢物處理流中含鋁硅酸鹽的污垢。待處理的工藝流可以是任何具有堿性環(huán)境且其中有污垢產(chǎn)生的任何工藝流(例如，牛皮紙工藝的黑色、綠色和白色液體)或高等級(jí)核廢物蒸發(fā)工藝流。該方法包括以下步驟向工藝流中加入能抑制含鋁硅酸鹽的污垢的量的一種聚合物，該聚合物具有至少5摩爾％的含一Si (0R" )3的側(cè)鏈基或端基，其中R〃是H、C1-C3烷基、芳基、Na、K或NH4。聚合物中一Si(0R" ) 3官能團(tuán)的量應(yīng)該足以獲得所需的結(jié)果，可以在聚合物中全部單體基團(tuán)的0. 5摩爾％至100摩爾％的范圍內(nèi)。但是，最經(jīng)濟(jì)的是使用必需的最少量來(lái)獲得所需的結(jié)果。優(yōu)選聚合物首先作為甲硅烷基醚衍生物聚合物一Si (OR" )3 來(lái)制備，其中R〃 = C1-C3烷基、芳基，例如聚合物一Si (OCH2CH3)3或聚合物一Si (OCH3)315 甲硅烷基醚衍生物可以直接加入到工業(yè)工藝流中，或者可以在加入到工藝流之前，先水解為硅烷醇衍生物，形成以下一般結(jié)構(gòu)的聚合物聚合物一Si (OH)3、聚合物一Si (ONa)3、聚合物一Si (OK) 3和聚合物一Si (ONH4) 3。本發(fā)明的簡(jiǎn)便特征是可以上述任何形式加入到工藝流中。聚合物的分子量應(yīng)該至少約為500，最優(yōu)選至少約為1000。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，含一Si (OR" )3的基團(tuán)(其中R〃 =H、C1_C3烷基、芳基、Na、K或NH4)包括符合一G--R--X--R' —Si (OR" ) 3的基團(tuán)，其中G =無(wú)基團(tuán)、NH、NR" 或0 ;R =無(wú)基團(tuán)、C = 0、0、Cl-ClO烷基或芳基；X =無(wú)基團(tuán)、NR、0、NH、酰胺、氨基甲酸酯或脲；R'=無(wú)基團(tuán)、0、Cl-ClO烷基或芳基；R〃 = H、C1-C3烷基、芳基、妝、1(或順4。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基團(tuán)是一NH--R--X--R' —Si (OR" )3，其中R=無(wú)基團(tuán)、 0、C1-C10烷基或芳基；X = 0、ΝΗ、酰胺、氨基甲酸酯或脲；R'=無(wú)基團(tuán)、0、C1_C10烷基或芳基；R〃 = H、C1-C3烷基、芳基、恥、1(或朋4。在另一個(gè)實(shí)施方式中，具有側(cè)鏈基團(tuán)的聚合物可包括至少一個(gè)連接側(cè)鏈基團(tuán)的氮。示例性的包括至少一個(gè)連接側(cè)鏈基團(tuán)的氮的聚合物包括但不限于符合以下通式的聚合物
權(quán)利要求
1.一種用于減少堿工業(yè)過(guò)程中鋁硅酸鹽污垢的方法，該堿工業(yè)過(guò)程選自牛皮紙漿制造工藝流以及高等級(jí)核廢物處理流，該方法包括步驟向組合物中加入工藝流，該組合物包含以下聚合物具有至少0.5摩爾％的含-Si (0R〃)3的側(cè)鏈基或端基，其中R"是H、CfC3g基、芳基、Na、K或NH4。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述組合物包含符合以下通式的聚合物
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述組合物包含選自以下通式的聚合物
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該組合物包含一種聚合物，該聚合物是具有含有通式I的基團(tuán)的側(cè)鏈基或端基的多糖通式I—Si (OR" )3式中R〃 =恥、1(或朋4。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述多糖是羥乙基纖維素衍生物。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述多糖是羥乙基纖維素衍生物，并且與3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷反應(yīng)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該組合物包含一種聚合物，該聚合物是由通式V的不飽和單體得到的均聚物或共聚物通式V
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述組合物包含一種由通式V的單體和一種或多種選自下組的可聚合的單體得到的聚合物乙烯基吡咯烷酮、(甲基)丙烯酰胺、N-取代的丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸及其鹽或酯、以及馬來(lái)酰亞胺。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該組合物包含由通式VI的單體得到的均聚物或共聚物
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述組合物包含一種由通式VI的單體和一種或多種選自下組的可聚合的單體得到的聚合物乙烯基吡咯烷酮、(甲基)丙烯酰胺、N-取代的丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸及其鹽或酯、以及馬來(lái)酰亞胺。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚合物是一種或多種通式V的共聚單體與一種或多種選自下組的共聚單體的共聚物乙烯基吡咯烷酮、N-辛基丙烯酰胺、丙烯酸及其鹽。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述聚合物是一種或多種通式VI的共聚單體與一種或多種選自下組的共聚單體的共聚物乙烯基吡咯烷酮、N-辛基丙烯酰胺、丙烯酸及其鹽。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該組合物包含符合通式XI的聚合物通式XIA-O- (CH2CH2O) x (CH2CH (CH3) 0) y (CH2CH2O) Z_0_B式中，χ = 5-100%，y和ζ = 0-100%，至少一個(gè)A和/或B單元是含一Si(0R" )3的基團(tuán)，其中R" = Na、K或NH4。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，χ= 100%，y和ζ = 0%。
15.如權(quán)利要求13所述的組合物，其特征在于，χ= 5-50%,y = 5-95%, ζ = 0-50%0
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該組合物包含一種聚合物，該聚合物是聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)_嵌段-聚(乙烯)與3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷的反應(yīng)產(chǎn)物。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該組合物包含一種聚合物，該聚合物是聚乙烯亞胺與3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷的反應(yīng)產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明涉及減少堿工業(yè)過(guò)程中鋁硅酸鹽污垢的方法，提供了一種用于減少堿工業(yè)過(guò)程中鋁硅酸鹽污垢的方法，該堿工業(yè)過(guò)程選自牛皮紙漿制造工藝流以及高等級(jí)核廢物處理流，該方法包括步驟向組合物中加入工藝流，該組合物包含以下聚合物具有至少0.5摩爾％的含-Si(OR″)3的側(cè)鏈基或端基，其中R″是H、C1-C3烷基、芳基、Na、K或NH4。
文檔編號(hào)D21C11/10GK102392382SQ20111016573
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2006年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月9日
發(fā)明者D·P·斯皮策, H·I·海特納, H·T·陳, M·L·泰伊爾 申請(qǐng)人:Cytec技術(shù)有限公司