АДСОРБЕНТ МАСЛА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АДСОРБЕНТА МАСЛА

Область техники

Настоящее изобретение относится к адсорбенту масла для извлечения масла из воды и к способу получения адсорбента масла.

Уровень техники

С недавних пор вследствие развития промышленности потребовалось эффективное использование водных ресурсов. Поэтому очень важным является повторное использование сточных вод, таких как промышленный сток и тому подобное. Для достижения данной цели необходима очистка воды, а именно отделение от воды других веществ.

В качестве способа отделения других веществ от жидкости были известны различные способы. Примеры способов включают мембранное разделение, центрифугирование, адсорбирование на активированном угле, озонирование, флоккулирование и удаление суспендированного материала с использованием конкретного адсорбента. При использовании такого способа могут быть удалены химические вещества, оказывающие сильное неблагоприятное воздействие на окружающую среду, такие как фосфор и азот, содержащиеся в воде, и могут быть удалены масло и глина, диспергированные в воде.

В числе данных способов одним из наиболее широко использующихся является мембранное разделение. Однако, при удалении масла, диспергированного в воде, существует проблема, заключающаяся в тенденции масла к закупориванию мелких пор мембраны, что в результате приводит к получению короткого срока службы. Поэтому во многих случаях мембранное разделение непригодно для удаления масла в воде. Таким образом, в качестве способа удаления из воды масла, такого как тяжелое масло, включают, например, способ сбора тяжелого масла, плавающего на поверхности воды, при использовании заграждения для масла, установленного на воде, где используют способность тяжелого масла всплывать, и его отсасывания для извлечения с поверхности воды или способ распределения на воде гидрофобных материалов, обладающих способностью адсорбировать тяжелое масло, и адсорбирования тяжелого масла для его извлечения.

С данной точки зрения недавно был опробован подход с погружением адсорбента масла в воду, где диспергировано масло, и адсорбированием масла для его удаления из воды при использовании адсорбента масла. Например, в патентном документе 1 описывается методика адсорбирования для удаления масла из воды при использовании адсорбента масла, включающего магнитные частицы, покрытые на своей поверхности органическими веществами, такими как смолы. Однако в соответствии с данным способом вследствие низкой диспергируемости в воде функциональные частицы имеют тенденцию к осаждению в воде или к всплыванию на поверхность воды; таким образом, масло не могло быть эффективно адсорбировано и удалено.

Кроме того, в патентном документе 2 описывается способ адсорбирования масла при использовании в качестве адсорбента масла адсорбирующего полимера, содержащего гидрофильный блок и липофильный блок, а после этого удаления адсорбирующего полимера из воды. Однако такому способу свойственна проблема, заключающаяся не только в затрачивании больших трудовых усилий для разделения адсорбирующего полимера и воды, но также и в размягчении адсорбирующего полимера, на который адсорбировано масло, что ухудшает его механическую прочность и в результате приводит к получению неудовлетворительной перерабатываемости.

Документы предшествующего уровня техники

Патентные документы

Патентный документ 1: JP-A 60-97087 (KOKAI)

Патентный документ 2: JP-A 07-102238 (KOKAI)

Краткое изложение изобретения

Техническая проблема

С учетом описывавшейся выше проблемы задача настоящего изобретения заключается в создании адсорбента масла, демонстрирующего повышенную способность адсорбировать масло в воде и повышенную механическую прочность.

Разрешение проблемы

Адсорбент масла, соответствующий варианту осуществления изобретения, включает неорганические частицы и полимер, полученный на поверхностях неорганических частиц или между ними, где уровень содержания неорганических частиц составляет 50% (об.) и более и 97% (об.) и менее в расчете на объем неорганических частиц и полимера, а площадь неорганических частиц составляет 30% и более и 60% и менее в расчете на поперечное сечение неорганических частиц и полимера.

Технический результат изобретения

В соответствии с изобретением может быть предложен адсорбент масла, демонстрирующий повышенную способность адсорбировать масло в воде и повышенную механическую прочность.

Способ реализации изобретения

Далее в настоящем документе будут последовательно описываться варианты осуществления адсорбента масла изобретения, способа получения адсорбента масла и способа извлечения масла при использовании адсорбента масла.

Адсорбент масла

В адсорбенте масла в данном варианте осуществления неорганические частицы формируют ядра, которые покрыты полимером и агрегируются. В изобретении доля неорганических частиц в адсорбенте масла в расчете на объем находится в диапазоне от 50 до 97%, а предпочтительно от 70 до 90%, а площадь неорганических частиц, присутствующих в поперечном сечении адсорбента масла, находится в диапазоне от 30 до 60% от совокупной величины.

В случае доли неорганических частиц, меньшей, чем 50%, полости между частицами станут небольшими, и маслу станет трудно проникать вовнутрь; таким образом, способность адсорбировать масло станет меньшей. Кроме того, в случае превышения долей неорганических частиц 97% нельзя будет получить механическую прочность, достаточную для использования в воде, вследствие чрезмерно малого количества смолы. Кроме того, еще в случае площади неорганических частиц, присутствующих в поперечном сечении адсорбента масла, меньшей чем 30%, механическая прочность адсорбента масла станет чрезмерно малой для практического использования. В случае площади, большей, чем 60%, пространство, способное удерживать масло, уменьшится, что в результате приводит к получению малой способности адсорбировать масло.

В результате получения такой структуры способность адсорбировать масло может быть доведена до максимума при одновременном сохранении механической прочности адсорбента масла.

Процентная доля в расчете на объем может быть вычислена исходя из уровня содержания твердого вещества полимера и уровня содержания твердого вещества частиц в материале исходного сырья. Однако, она может быть получена в результате нагревания продукта до 500°С и более в бескислородном состоянии для выпаривания всей смолы в целях измерения уровня содержания смолы. Кроме того, площадь неорганических частиц, присутствующих в поперечном сечении, может быть получена таким образом, когда поперечное сечение, полученное в результате внедрения адсорбента масла в смолу внедрения, такую как эпоксидная смола, и разрезания материала, наблюдают при использовании микроскопа СЭМ или оптического микроскопа, а частицы и то, что отлично от частиц, бинаризуют (бинаризация). Площадью поперечного сечения адсорбента масла является площадь, полученная в результате соединения неорганических частиц, присутствующих во внешней оболочке, и вычисляют долю площади неорганических частиц, занимающих данную площадь. Кроме того, пороговым значением при бинаризации является значение, при котором яркость неорганических частиц и яркость той части, которая отлична от них, могут быть отчетливо разделены. Например, за пороговое значение вполне может быть принято значение в области впадины между пиками яркости неорганических частиц и полимера.

Кроме того, предпочитается иметь градиентную структуру, когда частицы в большей степени присутствуют на поверхности адсорбента масла и в меньшей степени присутствуют внутри него. Также может быть использован и пустотелый адсорбент масла. При получении такой структуры вследствие формирования внутри нее пространства для хранения масла способность адсорбировать масло увеличивается, а вследствие высокой плотности частиц снаружи может быть сохранена также и механическая прочность.

До тех пор, пока адсорбент масла будет образован подобным образом, на способ его получения конкретных ограничений не накладывают. Например, в случае использования способа распылительного высушивания, такого как распылительное высушивание, во время агрегирования сила не действует; таким образом, легко могут быть изготовлены агрегаты, имеющие полости между частицами. В частности, в случае проведения распылительного высушивания при температуре, большей, чем температура кипения растворителя, на 30°С и более, предпочтительно на 50°С и более, в результате быстрого высушивания моментально формируется поверхность, а растворитель, оставшийся внутри нее, расширяется и выходит наружу, тем самым, могут быть получены частицы, характеризующиеся разницей плотностей частицы между поверхностным слоем и внутренней областью.

Неорганические частицы формируют ядра адсорбента масла; таким образом, неорганические частицы надлежащим образом выбирают из числа тех, которые не вызывают прохождения значительной химической реакции даже при погружении в воду на короткое время.

Примеры подходящих для использования неорганических частиц включают частицы керамики, такой как плавленый кварц, кристаллический диоксид кремния, стекло, тальк, оксид алюминия, силикат кальция, карбонат кальция, сульфат бария, магнезия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид алюминия, оксид магния, оксид бериллия, слюда и тому подобное; или частицы металла, такого как алюминий, железо, медь и их сплавы и тому подобное, или их оксидов, таких как магнетит, ильменит, пирротит, магнезиальный феррит, феррит кобальта, феррит никеля, феррит бария и тому подобное.

Предпочтительным является содержание в частицах металлов магнитного материала, поскольку при извлечении адсорбента масла магнитный материал действует выгодным образом.

Магнитный материал не ограничивается конкретным материалом, но желательно представляет собой вещество, демонстрирующее ферромагнитные свойства в области комнатной температуры. Однако, при реализации данного варианта осуществления на магнитный материал ограничений не накладывают, и в общем случае могут быть использованы ферромагнитные материалы. Примеры магнитных материалов включают железо, сплавы, содержащие железо, магнетит, ильменит, пирротит, магнезиальный феррит, феррит кобальта, феррит никеля, феррит бария и тому подобное.

В их числе более эффективно могут обеспечить достижение цели изобретения ферритные соединения, превосходные с точки зрения стабильности в воде. Например, Fe₃O₄, а именно магнетит, является не только дешевым, но также и стабильным в качестве магнитного материала, а также безопасным в качестве составной части; таким образом, предпочтительно используют магнетит вследствие легкости его использования при обработке воды.

На размер и форму магнитного материала конкретных ограничений не накладывают до тех пор, пока площадь поперечного сечения при получении агрегатов будет находиться в диапазоне от 30 до 60%. Средний размер частиц магнитного материала предпочтительно находится в диапазоне от 0,05 до 100 мкм, а более предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 5 мкм. В данном случае средний размер частиц измеряют в соответствии с методом дифракции лазерного излучения. Говоря конкретно, при измерении используют аппарат для измерений SALD-DS21 (изготовленный в компании Shimadzu Corporation) и тому подобное.

В случае среднего размера частиц магнитного материала, большего, чем 100 мкм, агрегированные частицы неблагоприятным образом будут избыточно крупными, что неудовлетворительно с точки зрения диспергирования в воде при извлечении масла, а эффективная площадь поверхности частиц уменьшится, что имеет тенденцию к уменьшению способности адсорбировать масло и тому подобное. Кроме того, в случае среднего размера частиц, меньшего чем 0,05 мкм, первичные частицы неблагоприятным образом будут плотно агрегироваться, и достаточное пространство для адсорбирования масла получить будет нельзя, тем самым эксплуатационные характеристики имеют тенденцию к ухудшению. В данном случае термины "первичная частица" и "вторичный агрегат" используются для удобства. Первичная частица обозначает одну частицу, имеющую сферическую форму, многогранную форму или неопределенную форму, а вторичный агрегат обозначает агрегат из первичных частиц и представляет собой то же самое, что и адсорбент масла, соответствующий изобретению.

Вышеупомянутый средний размер частиц без ограничения магнитным материалом является предпочтительным также и для неорганических частиц, таких как керамические частицы и частицы немагнитных металлов, и демонстрируются подобные преимущества.

В данном варианте осуществления полимером, который покрывает ядра адсорбента масла, сформированные из неорганических частиц и тому подобного, может быть любой из полимеров до тех пор, пока полимер будет адсорбировать масло. Демонстрирующим большую способность адсорбировать масло и желательным является полимер, включающий в качестве основной цепи полимера, по меньшей мере, одного представителя, выбираемого из стирола, бутадиена, изопрена, акрилонитрила, алкилакрилата и алкилметакрилата.

Получение адсорбента масла

Далее в настоящем документе будет описываться способ получения адсорбента масла данного варианта осуществления.

Сначала получают вышеупомянутые неорганические частицы и тому подобное, полимер и растворитель А и их перемешивают для изготовления предварительно определенного раствора суспензии.

На растворитель А конкретных ограничений не накладывают до тех пор, пока он может растворять полимер с образованием раствора суспензии, где диспергированы неорганические частицы, а предпочтительно им является полярный растворитель. Полярный растворитель характеризуется превосходной гидрофильностью и является совместимым с гидроксильными группами, в незначительной степени присутствующими на поверхностях неорганических частиц, что обеспечивает однородное диспергирование неорганических частиц в полярном растворителе без агрегирования.

В данном варианте осуществления «гидрофильность» определяют как свободную совместимость с водой, говоря конкретно, состояние, в котором в случае умеренного смешивания растворителя с чистой водой в том же самом количестве при одной атмосфере и 20°С, а также после успокоения течения смесь может сохранять однородный внешний вид.

Примеры гидрофильных растворителей включают метанол, этанол, н-пропанол, изопропанол, ацетон, тетрагидрофуран. Предпочтительными являются ацетон и тетрагидрофуран, которые могут растворять различные полимеры.

С другой стороны, в случае растворителя А в виде неполярного растворителя растворитель А является гидрофобным растворителем (определяемым через растворимость растворителя в воде, которая составляет 10% и менее); таким образом, в некоторых случаях неорганические частицы агрегируются в растворе суспензии неоднородным образом. Поэтому в случае получения адсорбента масла в соответствии с описывающимся ниже распылительным высушиванием получают адсорбент масла, который не включает неорганических частиц, или адсорбент масла, включающий только неорганические частицы; таким образом, требуется стадия отделения дефектных продуктов, неподходящих для использования в качестве практичного адсорбента масла. Кроме того, поскольку составы дефектных продуктов также не являются однородными, в случае их возвращения в раствор суспензии при повторном использовании для выдерживания концентрации растворителя на заданном значении потребуется композиционный анализ дефектных продуктов, что делает стадию повторного использования проблематичной.

После этого получающийся в результате раствор суспензии подвергают распылительному высушиванию. Что касается распылительного высушивания, то используют способ распылительного высушивания, при котором из раствора, содержащего органический материал, удаляют органический растворитель для получения дисперсного органического материала. В данном варианте осуществления органический материал представляет собой частицу смоляного композита, то есть адсорбент масла, соответствующий изобретению, в котором неорганические частицы используются в качестве ядер, периферия которых покрыта вышеупомянутым полимером.

В соответствии со способом распылительного высушивания в результате контролируемого выдерживания температуры окружающей среды и скорости распыления при распылительном высушивании можно контролируемо выдерживать средний размер частиц вторичных агрегатов, в которые агрегированы первичные частицы, а также при удалении органического растворителя из промежутков между агрегированными первичными частицами формируются полости, что делает возможным легкое получение пористой структуры, предпочтительной в качестве адсорбента масла.

Температура окружающей среды во время распылительного высушивания, обусловленного способом распылительного высушивания, предпочтительно является большей, чем температура кипения растворителя А, на 30°С и более. Это обуславливается быстрым выпариванием растворителя А из частиц, адсорбирующих масло, с образованием внешней оболочки до испарения растворителя внутри, благодаря чему может быть получена разница плотностей у первичных частиц между внутренней областью и внешней оболочкой.

В случае разности температур, меньшей чем 30°С, внешняя оболочка будет формироваться медленно; таким образом, растворитель будет испаряться по существу одновременно с растворителем во внутренней области, и тогда разницу плотностей в некоторых случаях будет трудно установить.

Способ распылительного высушивания может быть любым из хорошо известных способов распылительного высушивания. Их примеры включают тип с диском, тип с нагнетательным соплом и тип с пневмораспылителем.

Способ извлечения масла

Далее будет описываться способ извлечения масла при использовании адсорбента масла. Извлечение масла заключается в отделении масла от воды, содержащей масло. В данном случае «масло» в числе органических материалов, смешанных с водой и диспергированных в ней, обозначает компонент, который в общем случае является жидким при комнатной температуре, трудно растворимым в воде, относительно высоковязким и имеющим меньшую удельную массу, чем вода. Говоря более конкретно, его примеры включают животные и растительные жиры и масло, углеводороды, ароматическое масло и тому подобное. Их представляют глицериды жирных кислот, нефть, высшие спирты и тому подобное. Каждый тип масла уникален с точки зрения функциональной группы, имеющейся у него; таким образом, в соответствии с этим, могут быть выбраны полимер и функциональная группа, составляющие адсорбент масла.

Вначале адсорбент масла погружают в воду, содержащую масло, и диспергируют в ней. Как описывалось выше, на поверхности адсорбента масла благодаря молекулярной структуре получают липофильный полимер, и, таким образом, в результате сродства между полимером и маслом полимер адсорбирует масло. В данный момент эффективность адсорбирования масла становится высокой при наличии неплоской, но предпочтительно пористой поверхности адсорбента масла. Как описывалось выше, в случае получения адсорбента масла при использовании способа распылительного высушивания может быть получен относительно пористый адсорбент, что делает возможным улучшение эффективности адсорбирования масла.

После адсорбирования масла адсорбентом масла адсорбент масла отделяют от воды и масло в воде отделяют и удаляют. Адсорбент масла может быть легко отделен при использовании хорошо известного способа, такого как осаждение под действием силы тяжести или центробежной силы при использовании циклона. Кроме того, в случае содержания в неорганических частицах магнитного материала совместно может быть использовано и отделение под действием магнитной силы.

На воду, которая представляет собой цель обработки для извлечения масла, конкретных ограничений не накладывают. Говоря конкретно, могут быть использованы промышленные сточные воды, канализационные стоки, человеческие нечистоты и тому подобное. На концентрацию масла, содержащегося в воде, подвергаемой обработке, также не накладывают конкретных ограничений.

Затем после адсорбирования масла адсорбентом масла и удаления его из воды адсорбент масла промывают растворителем В для удаления адсорбированного масла. Растворителем В должен быть тот, который не растворяет полимер, использующийся в адсорбенте масла. Говоря конкретно, используют полимер, растворимость которого в растворителе В составляет 1000 мг/л и менее.

Такой растворитель различается в зависимости от полимера, использующегося для покрытия или модифицирования поверхности. Его примеры включают метанол, этанол, н-пропанол, изопропанол, бутанол, изобутанол, гексиловый спирт, циклогексанол, ацетон, метилэтилкетон, метилизобутилкетон, метилацетат, этилацетат, пропилацетат, бутилацетат, диэтиловый эфир, диизопропиловый эфир, дибутиловый эфир, тетрагидрофуран, диоксан, циклогексан, хлороформ, диметиланилин, фреон, н-гексан, циклогексанон, толуол, ксилол.

В их числе в особенности предпочтительным является неполярный растворитель. Неполярный растворитель демонстрирует гидрофобность и приобретает в особенности высокое сродство к маслу; таким образом, компонент масла, адсорбированный адсорбентом масла, может быть просто и эффективно смыт. Кроме того, в случае использования неполярного растворителя ухудшенный адсорбент может быть очень легко отделен и удален. «Гидрофобность» обозначает равенство растворимости в воде 10% и менее и отделение растворителя от воды. В частности, гексан демонстрирует высокую растворимость масла и всегда представляет собой стабильную жидкость, поскольку он имеет температуру кипения 70°С, и, таким образом, гексан является предпочтительным вследствие удобства работы с ним.

Кроме того, в качестве растворителя В предпочтительным также может быть и использование спирта. В данном случае спирт легко замещается водой, присоединенной к поверхности адсорбента масла или адсорбированной на ней, что облегчает удаление примесей, отличных от масла. В числе спиртов в особенности предпочтительными являются метанол и этанол, имеющие низкую температуру кипения.

Стадия может включать способ, по которому адсорбент масла загружают, например, в колонну и через ее внутреннее пространство перепускают растворитель В, или способ, по которому при содержании адсорбентом масла, в частности, магнитного материала адсорбент масла загружают в моечную ванну и одновременно сюда же загружают большое количество растворителя В, а для разделения используют циклон или магнитную силу.

Примеры

Далее настоящее изобретение будет конкретно описываться при обращении к примерам.

Пример 1

Шесть массовых частей полистирола (G590, изготовленного в компании Japan Polystyrene Corporation, плотность: 1,05 г/см³) растворяли в 300 мл тетрагидрофурана для получения раствора и в растворе диспергировали 400 массовых частей частиц октаэдрического магнетита (плотность: 5,0 г/см³, площадь удельной поверхности: 3,0 м²/г), характеризующихся средним размером частиц 1000 нм, тем самым получали композицию.

Композицию распыляли при 100°С при использовании распылительной минисушилки (Type B-290, изготовленной в компании Shibata Kagaku KK) и изготавливали сферически агрегированный смоляной композит, характеризующийся средним диаметром вторичных частиц, равным приблизительно 20 мкм, а именно частицы адсорбента масла.

Как было установлено при наблюдении адсорбента масла при использовании микроскопа СЭМ частица адсорбента масла формировалась в виде пористого тела. При получении на микроскопе СЭМ фотографии для поперечного сечения частицы адсорбента масла и ее бинаризации для установления плотности частицы получали частицу адсорбента масла, которая характеризовалась площадью частицы 60% и демонстрировала наличие разницы плотностей частицы при нахождении полости в центре.

При измерении предела прочности при сжатии частицы с использованием прибора для испытания на микросжатие (MCT-W500, изготовленного в компании Shimadzu Corporation) он составил 2,2 МПа. Далее при загрузке 0,1 г композиции в 20 мл воды, содержащей 5000 ч/млн машинного масла (масла для швейных машин BENYSUN, B-111), и после перемешивания в течение 1 мин исследовали концентрацию масла в воде, как было установлено, адсорбировали 99,6% масла.

Результаты обобщенно представлены в таблице 1. Разницу плотностей между внешней областью и внутренней областью оценивали следующим образом: пустотелость градиент () и почти что отсутствие градиента (). Прочность частиц оценивали следующим образом: предел прочности при сжатии, равный 2 МПа и более, отсутствие схлопывания при перемешивании с водой () и схлопывание при перемешивании с водой (). Степень адсорбирования масла оценивали следующим образом: 99% и более 97% или более и менее чем 99% (), и менее чем 97% ().

Примеры 2-5

Образцы получали по способу, подобному тому, что и в примере 1, за исключением изменения количества смолы (уровня содержания неорганических частиц). Результаты продемонстрированы в таблице 1. Чем меньшим было количество смолы (чем большим был уровень содержания неорганических частиц), тем меньше было неорганических частиц в поперечном сечении, и тем больше полостей имело тенденцию к формированию. Чем меньшим было количество смолы, тем лучшей была степень адсорбирования масла.

Сравнительный пример 1

Образец получали по способу, подобному тому, что и в примере 1, за исключением изменения количества смолы на 0,1 г. Результаты продемонстрированы в таблице 1. Несмотря на образование композицией формы агрегата непосредственно после распылительного высушивания при перемешивании агрегатов с водой агрегаты схлопывались почти что до первичных частиц. Было невозможно оценить способность адсорбировать масло.

Сравнительный пример 2

Образец получали по способу, подобному тому, что и в примере 1, за исключением изменения количества смолы на 10 г. Результаты продемонстрированы в таблице 1. Несмотря на демонстрацию поперечным сечением композиции разницы плотностей неорганических частиц между внутренней областью и внешней областью зазор между неорганическими частицами поверхности композиции частично заделывался. Степень адсорбирования масла измерили равной 96,9%.

Примеры 6-8

Образцы получали по способу, подобному тому, что и в примере 1, за исключением изменения температур распыления. Результаты продемонстрированы в таблице 1. По мере увеличения температуры плотность неорганических частиц поперечного сечения композиции начинала формировать градиент плотности. При установлении температуры распыления, равной 120°С (температура кипения + 63,5°С) и более, приблизительно половина частиц адсорбента масла становилась пустотелыми частицами, и приблизительно 70% из них становились пустотелыми частицами при установлении 140°С. Степени адсорбирования масла были большими, чем у образца, полученного при меньших температурах.

Сравнительный пример 3

Образец получали по способу, подобному тому, что и в примере 1, за исключением изменения температуры распыления на 55°С (температура кипения - 1,5°С). Результаты продемонстрированы в таблице 1. При уменьшении температуры градиент плотности неорганических частиц в поперечном сечении композиции стало трудно определить, то есть получили композицию, заполненную до внутренней области. Степень адсорбирования масла была меньшей, чем у композиции, полученной при 75°С.

Примеры 10-17

Образцы получали по способу, подобному тому, что и в примере 1, за исключением изменения типа и количества полимера в примерах 10-15 и изменения типа неорганических частиц и установления температуры распыления на 120°С в примерах 16 и 17. Результаты продемонстрированы в таблице 1. До тех пор пока контролируемо выдерживали уровень содержания неорганических частиц и долю неорганических частиц в поперечном сечении, даже при изменении типов полимера и неорганических частиц могли бы быть получены композиции, демонстрирующие повышенную способность адсорбировать масло и повышенную механическую прочность.