Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УДАЛЕНИЯ И УМЕНЬШЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Часть описания данного патентного документа содержит или может содержать материал, охраняемый авторским правом. Обладатель авторского права не возражает против репродукции фотокопированием кем-либо данного патентного документа или описания изобретения к патенту точно в том виде, в котором оно представлено в файле патента или в записях патентного ведомства, но в остальном сохраняет все авторские права.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к более эффективному предотвращению твердых отложений фосфата кальция в технологических системах. Изобретение также относится к улучшенному антискаланту, предотвращающему накопление твердых отложений в системе без регулирования рН. Кроме того, изобретение не подвергает риску целостность мембран, если их используют в системе.

Уровень техники

Засорение фосфатом кальция представляет собой возрастающую проблему во многих отраслях промышленности, прежде всего в тех отраслях, где для очистки и фильтрации используются мембраны. Новые варианты применения мембранных элементов для муниципальных нужд и изменения в источниках воды приводят к увеличению твердых отложений фосфата кальция и росту необходимости в эффективном и безопасном способе предотвращения накопления таких отложений. Традиционным способом контроля твердых отложений, включая фосфат кальция, является подача кислоты, что дает эффект, но обладает рядом недостатков: во-первых, кислота может разрушать мембраны или уменьшать их срок службы до замены; во-вторых, она может быть непомерно дорогой для крупных систем и, наконец, существуют проблемы безопасности, связанные с использованием кислоты в системах подачи кислоты с большим расходом и высоким давлением. Поэтому в промышленности ведется поиск новых решений для применения в качестве антискаланта, в частности, при фосфатных твердых отложениях.

Пример предотвращения твердых отложений фосфата кальция в системах относится к процессу мембранной водоочистки, где использование антискаланта для предотвращения засорения фосфатом кальция имело ограниченный успех, если имело вообще. Факторы, вызвавшие эту неудачу, включают множественность видов фосфата кальция, небольшой отрицательный заряд поверхности мембраны и отрицательные эффекты добавления фосфонатов и фосфатов в воду при наличии тенденции твердых отложений фосфата кальция. В настоящем изобретении предложены эффективные ингибиторы фосфата, сульфата и кальция, которые можно применять при мембранной водоочистке, а также в широком диапазоне других областей применения. В одном варианте осуществления данное изобретение используют с мембранными системами. В другом варианте осуществления данное изобретение, например триметилглицина гидрохлорид или альтернативную соль, такую как триметилглицин - гидроксид калия или триметилглицин - лимонную кислоту, используют в качестве очистителя. В еще одном варианте осуществления его используют в качестве улучшителя характеристик мембран.

Раскрытие изобретения

Изобретение состоит в добавлении в систему раствора триметилглицина в требуемых количествах для предотвращения накопления твердых отложений или для уменьшения накопления существующих твердых отложений. Этот раствор включает в себя композиции с химической формулой C₅H₁₁NO₂-HCl, такие как триметилглицина гидрохлорид, карбоксиметил, триметиламмония хлорид и N,N,N-триметиглицина гидрохлорид.

Триметилглицин в настоящее время используют в качестве продукта сельскохозяйственного назначения, который обычно экстрагируют водой из мелассы сахарной свеклы. В настоящее время триметилглицин в основном применяется в кормовых добавках для скота, пищевых добавках для человека, для подкормки растений и как химический реагент.

При разработке композиции антискаланта и способа его применения было обнаружено, что триметилглицина гидрохлорид эффективен для контроля образования твердых отложений фосфата кальция при различных концентрациях с условием увеличения дозы с ростом концентрации фосфата. Триметилглицин представляет собой малую цвиттерионную молекулу (с положительным и отрицательным зарядом в одной молекуле, что приводит к отсутствию общего внешнего молекулярного заряда) с триметиламмониевой группой (катионом) и карбоксилатной группой (анионом), разделенными единственной метиленовой группой и сбалансированными, соответственно, хлоридом и протоном. Обычно катионсодержащие антискаланты не применяют в мембранных системах в связи с засоряющим свойством классических катионных молекул и полимеров. Однако непосредственная близость катиона и аниона триметилглицина за счет углов связей и расстояний связей и нейтрализация локализованных зарядов за счет внутримолекулярных кулоновских сил обеспечивают его совместимость с мембранами. Проведенные исследования совместимости с мембранами указывают на совместимость с мембранами как при низких, так и при высоких концентрациях.

Настоящее изобретение содержит следующие ключевые аспекты.

1. Преимуществом изобретения является предотвращение накопления твердых отложений в системе.

2. Преимуществом изобретения является помощь в удалении твердых отложений в системах.

3. Преимуществом изобретения является обеспечение усовершенствованных антискалантных способностей, при этом не снижающих характеристик мембран или фильтрационных систем.

4. Преимуществом изобретения является эффективная работа с широким диапазоном видов твердых отложений, включая фосфат кальция.

5. Преимуществом изобретения является предотвращение накопления твердых отложений в системе без необходимости в регулировании рН.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собой способ снижения и/или контроля образования твердых отложений в системе с добавлением в систему композиции триметилглицина, уменьшающей образование твердых отложений и накопление твердых отложений.

Композиция триметилглицина, примененная в этом способе, может включать в себя одно или несколько из следующих веществ: триметилглицина гидрохлорид, карбоксиметил, бетаина гидрохлорид, триметиламмония хлорид и N,N,N-триметилглицина гидрохлорид, триметилглицин - гидроксид калия и/или триметилглицин - лимонная кислота. Наиболее предпочтительной композицией триметилглицина является триметилглицина гидрохлорид.

Изобретение может применяться в различных системах и в одном варианте осуществления его применяют в системе водоочистки. В данной системе это обеспечивает безопасность использования мембраны в технологическом процессе. Настоящее изобретение позволяет сохранять целостность мембраны и даже способно повысить ее эффективность за счет уменьшения твердых отложений, которые могут влиять на мембрану.

В данном способе композиция триметилглицина добавлена в концентрации, пропорциональной концентрации твердых отложений в системе. Композицию предпочтительно добавляют в концентрации, большей или равной 0,2 млн^-1. Композицию можно также добавлять в концентрации, равной или меньшей 25 млн^-1. В изобретении также можно использовать одну или несколько антискалантных или очищающих композиций в дополнение к композиции триметилглицина. Данный способ можно применять при фосфатных или сульфатных твердых отложениях.

Композиция триметилглицина по заявленному изобретению может представлять собой цвиттерионную молекулу. В такой цвиттерионной молекуле триметиламмониевая группа и карбоксилатная группа соединены одной метиленовой группой с хлоридной группой. Композицию триметилглицина по заявленному изобретению можно добавлять в технологическую систему постоянно или периодически. Изобретение также позволяет добавлять композицию триметилглицина и устраняет необходимость в каком-либо регулировании рН какими-либо средствами.

Примеры

Для лучшего понимания описанного выше далее приведены примеры, которые предназначены для иллюстрации способов осуществления изобретения и не предназначены для ограничения объема изобретения. Описанные эксперименты проводились при температуре 25°С с 45-минутными периодами выдержки. Порядок проведения эксперимента состоял в использовании 130 мл деионизованной воды в колбе Эрленмейера, оборудованной магнитной мешалкой, в которую добавляли стандартные растворы 1,0 М NaCl (25 мл), 0,1 М Na₂HPO₄ (0,016 мл) и 0,1 М СаСl₂ (40,0 мл). Если оценивали антискалант, его вводили на этой стадии с соответствующим объемом добавляемой в эксперименте деионизованной воды, таким образом, чтобы сохранить общие суммарные объемы и, следовательно, сохранить концентрации ионов. Затем измеряли мутность, используя ручной измеритель мутности (аликвоты, отобранные для измерений, возвращали в маточный раствор), и измеряли рН, используя измеритель рН VWR sympHony. Через 45 минут мутность и рН измеряли снова с последующим добавлением 0,1 М Nа₂НРO₄. Затем эти стадии повторяли до тех пор, пока измеренная мутность по окончании 45-минутного периода не становилась более 2,0 НЕМ (нефелометрических единиц мутности), что позволяло сделать выводы из эксперимента для данного водно-химического режима.

В целом, общие данные группы экспериментов дают возможность определить критические концентрации фосфата для зарождения твердых отложений и выпадения твердых отложений для АТМР (1 и 12,5 млн^-1), AA/AMPS (8,25 млн^-1) и TMG НС1 (0,8 и 10 млн^-1). В таблице 1 приведены данные для демонстрации эффективности TMG и в некоторой степени неэффективности AMP. AA/AMPS представляет собой антискалант фосфата кальция, используемый в устройствах для охлаждения и нагрева воды, применение которого при использовании мембран ограничено низкими концентрациями для гарантированной совместимости с мембранами.

Таблица 1. Критические концентрации фосфата для различных экспериментов

Следующую серию экспериментов проводили, чтобы определить, является ли эффект, наблюдаемый в первой серии, результатом уменьшения образования твердых отложений фосфата кальция или результатом изменения рН растворов. Кроме повторения контрольного и рабочего экспериментов с TMG НСl, был подготовлен третий эксперимент с обеспечением рН такого же значения, как и в случае TMG НСl при концентрации 10 млн^-1. Водно-химический режим и порядок проведения эксперимента идентичны методу, использованному в первом примере. Эти результаты доказывают, что TMG НСl эффективен для контроля зарождения отложений фосфата кальция (образования зародышей кристаллизации) и в некоторой степени препятствует их росту.

Таблица 2. Критические концентрации фосфата для различных экспериментов

Тест на фосфаты для триметилглицина при концентрации 10 млн^-1

Тесты проводили, чтобы определить виды фосфатов, присутствующих в твердых отложениях, возникающих в присутствии TMG НС1 при концентрации 10 млн^-1. Эксперимент проводили с добавлением фосфата до концентрации 53,3 млн^-1, что соответствует значению рН 6,96 и мутности 0,74. Эффективность TMG в качестве ингибитора твердых отложений фосфата кальция подтверждена данными, указывающими, что 95% суммарного фосфата является ортофосфатом. Эти данные указывают на то, что твердые отложения образуются, но их рост ингибируется триметилглицином.

Таблица 3. Концентрации фосфата, измеренные фильтрованным и не фильтрованным способами (суммарный, неорганический и ортофосфат) вместе с вычисленными значениями для фильтрованного и не фильтрованного органического фосфата.

Тесты на совместимость триметилглицина с мембраной ESPA1

Тесты на совместимость с мембраной проводили, чтобы оценить воздействие триметилглицина при применении мембран Hydronautics ESPA1 и плоскостной мембранной системы Osmonics. К настоящему времени проверены концентрации 10, 20 и 40 млн^-1 триметилглицина гидрохлорида, при которых все параметры возвращались к исходным значениям. Во время воздействия триметилглицина наблюдалось снижение удельной электропроводности фильтрата (27% для 20 млн^-1 и 40% для 40 млн^-1) при небольшом увеличении потока (0,7%) при работе с концентрацией 20 млн^-1 триметилглицина и уменьшении потока (1,8%) при работе с концентрацией 40 млн^-1 триметилглицина. Для всех контрольных образцов с хлоридом натрия все параметры возвращались к исходным значениям. Следует отметить, что эти эксперименты проводили для оценки концентраций действующих веществ. Они являются значительно более высокими, чем можно ожидать в отходах воды для большинства систем и водно-химических режимов.