DE3039356C2 - - Google Patents
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- C02F5/08—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents
- C02F5/10—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents using organic substances
- C02F5/14—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents using organic substances containing phosphorus
Description
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Behandlung
von Wasser oder wäßrigen Systemen, insbesondere zur
Verringerung oder Verhinderung von Ablagerungen fester
Teilchen in einem wäßrigen System, insbesondere in hartem
Wasser.
Es ist bekannt, daß feste Teilchen einschließlich Ton,
Schlamm, mikrobiologischen Sedimenten, Eisen(III)oxid
und Calciumcarbonat sich in wäßrigen Systemen und insbesondere
in solchen wäßrigen Systemen absetzen, die in
Wärmeaustauschern, Kühltürmen und damit verbundenen
Anlagen benutzt werden. Solche Ablagerungen verzögern
den Wärmeübergang erheblich, nicht nur durch Einschränkung
der Wasserzirkulation, sondern auch dadurch, daß sie
das zirkulierende Wasser von der Oberfläche, die gekühlt
werden soll, isolieren. Ferner kann unter den gebildeten
Ablagerungen eine starke Korrosion auftreten; eine solche
Korrosion kann dadurch herabgesetzt werden, daß man
die Metalloberflächen sauber hält. Abgesehen von Ablagerungen
durch härtebildende Salze werden auch teilchenförmige
Stoffe in ein Kühlsystem eingeführt, beispielsweise
durch Hindurchleiten von großen Volumina Luft
durch den Kühlturm, wobei während des Verfahrens die
feinverteilten Feststoffe wirksam aus der Luft ausgewaschen
werden.
Eine ähnliche, aber noch schwierigere Lage besteht beim
Kühlen und Auswaschen von Gasen, die während der Stahlherstellung
gebildet werden, bei der große Mengen von Kalk-
und Eisenoxid-Teilchen in das wäßrige Kühl- und Abschrecksystem
hinübergetragen werden. Dadurch wird das Kühlwasser
mit einem hohen Gehalt an härtebildenden Kationen und
teilchenförmigen Feststoffen versehen. Um einen Betrieb
unter diesen Bedingungen durchführen zu können, ist
ein außerordentlich wirksames Dispergiermittel erforderlich.
Dementsprechend ist es sehr wünschenswert, einen Weg
zu finden, bei dem solche Teilchen so dispergiert werden,
daß eine Ablagerung der Teilchen verhindert wird. Dieses
Problem ist verschieden von dem der Verhinderung von
Kesselstein, bei dem bestimmte, in Wasser gelöste Salze
ausfallen oder auskristallisieren, bzw. in einigen Fällen
nach Zusatz von beispielsweise Phosphaten mit Bedacht
ausgefällt werden, wobei der erhaltene Niederschlag
oder Schlamm so konditioniert wird, daß er rasch entfernt
werden kann, bevor er sich an den Wänden des Kessels
ablagert.
Der Einsatz einer Vielzahl von Polycarboxylaten und
anderen Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht einschließlich
Acrylatpolymeren als Dispersionsmitteln
in solchen wäßrigen Systemen ist seit Jahren bekannt.
So ist aus der US-PS 41 18 318 eine Zusammensetzung zur
Verhinderung der Bildung von Ablagerungen in Gaswäschern
bekannt, die im wesentlichen aus einem Phosphonat als
Kesselsteininhibitor und einem wasserlöslichen Polymer
mit einem minimalen Molekulargewicht von 25 000 besteht.
Als wasserlösliches Polymer finden Polyacrylamide, Po
ly-(2-acrylamidomethylpropansulfonsäure) und sulfoniertes
Polystyrol Anwendung.
In der DE-OS 27 49 719 wird ein Verfahren zur Verhinderung
der Korrosion und/oder des Kesselsteinansatzes in wäßrigen
Systemen beschrieben, bei dem dem Wasser eine Mischung
aus einem Phosphonat, einem wasserlöslichen Polyphosphat
und einem hydrolisierten niedermolekularen Polymaleinsäureanhydrid
zugesetzt werden.
Allerdings nimmt die Wirksamkeit dieser bekannten Mittel
bei Verwendung in hartem Wasser, zum Beispiel in Wasser
mit mehr als 300 ppm Kalkhärte, beträchtlich ab. Dies
bedeutet offensichtlich einen großen Nachteil bei dem
Versuch, in Kühlsystemen höhere Konzentrationsfaktoren
zu erhalten. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zu schaffen, das wirksamer bei der
Verhinderung von Ablagerungen in hartem Wasser ist als
die bisher verfügbaren Verfahren.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe durch Verwendung einer
spezifischen Kombination aus bestimmten wasserlöslichen
Phosphonaten und bestimmten wasserlöslichen organischen
Sulfonat-Polymeren gelöst werden kann. Es wurde festgestellt,
daß die Verwendung dieser Kombination von Phosphonat
und Polymerem zu einem synergistischen Effekt führt
trotz der Tatsache, daß die einzelnen Komponenten bei
Verwendung in hartem Wasser gegensätzliche Wirkung zeigen.
Außerdem unterstützt die synergistisch wirkende Mischung
die Verhinderung der Kesselsteinbildung.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Behandlung von Wasser oder wäßrigen Systemen
zur Verringerung oder Verhinderung von Ablagerungen
fester Stoffe. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß man dem Wasser oder wäßrigen System
wenigstens ein Phosphonat mit wenigstens drei Säuregruppen,
die Carboxyl- und Phosphonsäuregruppen sind, wobei wenigstens
eine der Gruppen eine Carboxylgruppe und wenigstens
eine andere der Gruppen eine Phosphonsäuregruppe
ist, und wobei wenigstens die genannten drei Säuregruppen
an C-Atome gebunden sind, in Form der freien Säure oder
eines Salzes und wenigstens ein wasserlösliches Polymeres
mit Carboxyl- (einschließlich Carbonsäureanhydrid-)
und Sulfonatgruppen zusetzt.
Obwohl es möglich ist, das Phosphonat und das Polymere
getrennt einzubringen, wird es im allgemeinen als zufriedenstellender
betrachtet, sie zusammen in Form einer
Zusammensetzung zuzusetzen. Dementsprechend betrifft
die vorliegende Erfindung auch ein Mittel zur Behandlung
von Wasser oder wäßrigen Systemen zur Verringerung oder
Verhinderung von Ablagerungen fester Stoffe. Das erfindungsgemäße
Mittel ist gekennzeichnet durch einen Gehalt
von wenigstens einem wie in Anspruch 1 definierten Phosphonat
und von wenigstens einem wie in Anspruch 1 definierten
Polymeren.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Phosphonate enthalten
wenigstens drei Säuregruppen, die Carboxyl- und Phosphonsäuregruppen
sind, wobei wenigstens eine der sauren
Gruppen eine Carboxylgruppe und wenigstens eine andere
saure Gruppe eine Phosphonsäuregruppe ist und wobei
die genannten drei sauren Gruppen an Kohlenstoffatome
gebunden sind.
Die bevorzugten Phosphonate besitzen die allgemeine
Formel
wobei R Wasserstoff, eine Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylgruppe
mit bis zu 4 C-Atomen, eine Phenylgruppe, eine
Cycloalkylgruppe mit 3 bis 6 C-Atomen, eine Benzylgruppe,
eine Phenethylgruppe oder die Gruppe
ist, wobei R′ Wasserstoff, ein Alkylrest mit 1 bis 4
C-Atomen oder ein Carboxylrest ist, R′′ Wasserstoff oder
ein Methylrest und R′′′ ein Carboxyl- oder Phosphonatrest
bedeutet. Besonders bevorzugt wird 2-Phosphonobutan-1,2,4-tricarbonsäure,
ein im Handel erhältliches Produkt.
Eine weitere bevorzugte Substanz ist 2,4-Diphosphono
butan-1,2-dicarbonsäure. Diese Phosphonate können durch
dem Fachmann gut bekannte Verfahren hergestellt werden,
beispielsweise nach dem in GB-PS 12 82 078 beschriebenen
Verfahren.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Polymeren sind im
allgemeinen Copolymere vom Vinyladditionstyp mit sich
wiederholenden Einheiten der Formeln
wobei R₁ Wasserstoff oder ein niedrigmolekularer Alkylrest,
das heißt ein Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen,
bevorzugt mit 1 bis 4 C-Atomen, oder -CH₂COOH bedeutet,
R₂ Wasserstoff oder ein niedrigmolekularer Alkylrest
darstellt und X die Gruppe -COOH und Z Wasserstoff oder
die Gruppe -COOH oder X und Z zusammen die Gruppe -CO-O-CO-
darstellen und Y die Gruppen -SO₃H, -C₆H₅SO₃H (para)
oder -CONHQ(R₃)(R₄)SO₃H bedeutet, wobei Q für die Gruppen
-CH₂- oder -CH₂-CH₂- steht und R₃ und R₄ unabhängig
voneinander Wasserstoff, eine Phenylgruppe, eine substituierte
Phenylgruppe, eine geradkettige oder verzweigte
Alkylgruppe mit 1 bis 12 C-Atomen oder eine Cycloalkylgruppe
mit 3 bis 12 C-Atomen, vorzugsweise eine Methylgruppe,
darstellen. Bevorzugt sind die Y-Reste -CONH,
-C(CH₃)(R₃)-CH₂-SO₃H, insbesondere solche, bei denen
R₃ eine Methylgruppe ist, sowie -CONHCH₂SO₃H.
Die Phosphonate und Polymeren werden in der Regel in
Form ihrer Alkalimetallsalze, insbesondere ihrer Natrium-,
Kalium-, Ammonium- oder niederen Aminsalze, angewendet,
obgleich auch die freien Säuren, Zinksalze oder andere
Salze für den Einsatz nicht ausgeschlossen werden.
Das molare Verhältnis der beiden Arten der sich wiederholenden
Einheit liegt in der Regel im Bereich von 5 : 95
bis 95 : 5, vorzugsweise von 25 : 75 bis 75 : 25 und ganz
besonders bevorzugt bei etwa 50 : 50. Die Polymeren besitzen
im allgemeinen ein Molekulargewicht von 500 bis 750 000,
insbesondere von 1 000 bis 10 000 und ganz besonders
von 4 000 bis 6 000. Es wird darauf hingewiesen, daß
bei einem zu hohen Molekulargewicht des Polymeren dieses
dazu neigt, sich wie ein Flockungsmittel zu verhalten,
was aber nicht notwendigerweise ein Nachteil sein muß,
vorausgesetzt, daß das ausgeflockte Material ausreichend
leicht ist, um in Suspension zu bleiben.
Bevorzugte Copolymere, die erfindungsgemäß eingesetzt
werden, umfassen ein Copolymeres von Methacrylsäure
und 2-Acrylamid-2-methylpropan-sulfonsäure (AMPS) insbesondere
in Form des Natriumsalzes, vor allem im Molverhältnis
von etwa 1 : 1 und mit einem Molekulargewicht
von etwa 5 000, und ein Copolymeres von Styrolsulfonsäure
und Maleinsäure, insbesondere in Form des Natriumsalzes,
vor allem in einem Molverhältnis von etwa 3 : 1 und mit
einem Molekulargewicht von etwa 4 500.
Die erste Einheit der Copolymeren leitet sich in der
Regel aus ethylenisch ungesättigten Säuren wie Maleinsäure
(oder deren Anhydrid), Acrylsäure und Methacrylsäure
ab. Die zweite Einheit der Copolymeren wird im allgemeinen
von ethylenisch ungesättigten Monomeren abgeleitet;
diese Monomeren können entweder die Sulfonatgruppe enthalten
oder diese Gruppe kann durch Sulfonierung des
Copolymeren eingeführt werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polymeren können aus
den entsprechenden Monomeren mit Hilfe konventioneller
Polymerisationsverfahren erhalten werden. Die Styrolsulfonat-Polymeren
können durch Sulfonierung eines Copolymeren
aus Styrol und Maleinsäureanhydrid mit Schwefeltrioxidorganischer
Phosphorverbindung hergestellt werden (siehe
zum Beispiel US-PS 30 72 618).
Im allgemeinen werden das Polymere und das Phosphonat
im Gewichtsverhältnis von 10 : 1 bis 1 : 10, vorzugsweise
von 4 : 1 bis 1 : 4 und ganz besonders bevorzugt von etwa
1 : 1 eingesetzt.
Die Menge an Polymerem und Phosphonat hängt in gewissem
Maße von der Natur des zu behandelnden wäßrigen Systems
ab. So hängt die Phosphonatdosis in gewissem Maße von
der Calciumkonzentration ab, während die Polymerdosis
entsprechend von der Konzentration der suspendierten
Feststoffe abhängt. In der Regel kann jedoch festgestellt
werden, daß die Konzentration des Additivs in der Beschickung
im Bereich von 0,01 bis 500 ppm, besonders
bevorzugt von 0,1 bis 50 ppm, liegt. Eine besonders
bevorzugte Konzentration liegt bei etwa 2,0 ppm. Die
eingesetzte optimale Konzentration ist jedoch vom Stand
der Zusammensetzung in dem System abhängig.
Es wird darauf hingewiesen, daß andere Ingredientien,
die bei der Wasserbehandlung üblicherweise angewandt
werden, wie Alkali, Ligninderivate, Biozide und Korrosionsinhibitoren,
ebenfalls eingesetzt werden können.
Das erfindungsgemäße Mittel wird normalerweise in Form
einer wäßrigen Lösung vorliegen, obgleich auch andere
Formen wie Pulver nicht ausgeschlossen sind.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung. In diesen Beispielen wurden zwei
verschiedene Prüfungsarten angewandt, nämlich ein statischer
Test und ein Kreislauftest. Im folgenden werden
die Einzelheiten dieser Tests angegeben:
- (i) In dem statischen Test vom Zylindertyp läßt man eine Suspension mit sortierter Teilchengröße 24 Stunden lang in 250 ml-Meßzylindern stehen. Die Höhe der fest/flüssigen Grenzschicht wird notiert und die Absenkung der Grenzschicht ("% Hold Up") als Quotient aus der am Ende des Versuchs gemessenen Höhe und der ursprünglichen Höhe der Grenzschicht, ausgedrückt in %, berechnet.
- (ii) Eine Umwälzanlage im Labormaßstab, bestehend aus einer Zentrifugalpumpe, einem 5-Liter-Kolben und einer Durchflußküvette zur Überwachung der optischen Durchlässigkeit einer Suspension unter Standardbedingungen. Die Lichtdurchlässigkeit nimmt mit der besseren Verteilung der Feststoffteilchen in der Suspension ab.
In diesen Beispielen wird mittels des statischen Tests
die Wirkung einer Anzahl von Zusätzen auf Wasser von
verschiedenen Härtegraden gezeigt.
Die Suspension bestand aus 1 000 ppm China-Tonerde.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.
Durch die Ergebnisse wird der starke Einfluß deutlich,
den die Calciumhärte auf die Leistungsfähigkeit einiger
Standardmittel hat, die bislang zum Dispergieren von
Festteilchen in Kühlwassersystemen verwendet worden
sind. Obgleich die Copolymeren 5, 6 und 7 die besten
Ergebnisse bringen, ist die Verschlechterung ihrer Leistungsfähigkeit
in hartem Wasser noch außerordentlich
unbefriedigend. Dieser Test ist mühsam, zeigt aber die
relativen Stärken und Schwächen auf einer Vergleichsbasis
an.
Die Ergebnisse in Tabelle II wurden mit der Umwälzanlage
nach 5 Stunden erhalten, wobei man Wasser mit einer
Feststoffsuspension aus 90 ppm China-Tonerde verwendete.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die in Tabelle I aufgeführten
Resultate nicht auf die Testmethode zurückzuführen sind.
In Tabelle III sind die Ergebnisse einer Anzahl von
Versuchen in einer Umwälzanlage zusammengestellt, um
die Wirkung von zum eingesetzten Polymeren zugesetzten
Phosphonat festzustellen.
In der Umwälzanlage befand sich eine Feststoffsuspension
von 90 ppm China-Tonerde. Die Dauer des Versuchs betrug
5 Stunden, die Dosiskonzentration des Additivs in allen
Fällen 5 ppm, die Wasserhärte 300 ppm Ca2+.
Diese Ergebnisse zeigen den synergistischen Effekt bei
Verwendung der Kombination von Phosphonaten und den
Polymeren. Im Gegensatz dazu erhält man keine solche
Wirkung, wenn man nur Phosphonat 1 einsetzt. Tatsächlich
zeigten Versuche mit einer Anzahl weiterer Phosphonate,
die in den folgenden Beispielen wiedergegeben werden,
die spezifische Natur des synergistischen Effektes.
Es wurde ein statischer Zylindertest unter Verwendung
einer Suspension von 100 ppm China-Tonerde in Wasser
mit einer Härte von 300 ppm Ca2+ durchgeführt. Man ließ
die Suspension in 250-ml-Meßzylindern zwei Stunden lang
absetzen und entnahm dann Proben aus einer bestimmten
Tiefe und maß die Trübung mit Hilfe eines Nephelometers.
Die Wirksamkeit des Additivs als Dispersionsmittel wurde
wie folgt berechnet:
Es ist deutlich zu erkennen, daß nur die Phosphonate
2 und 8 einen synergistischen Effekt ergeben.
Claims (10)
1. Verfahren zur Behandlung von Wasser oder wäßrigen
Systemen zur Verringerung oder Verhinderung von Ablagerungen
fester Stoffe durch Zugabe eines Gemisches
aus einem Phosphonat und einem wasserlöslichen Polymeren,
dadurch gekennzeichnet, daß man dem Wasser
oder wäßrigen System wenigstens ein Phosphonat mit
wenigstens drei Säuregruppen, die Carboxyl- und Phosphonsäuregruppen
sind, wobei wenigstens eine der
Gruppen eine Carboxylgruppe und wenigstens eine andere
der Gruppen eine Phosphonsäuregruppe ist, und wobei
wenigstens die genannten drei Säuregruppen an C-Atome
gebunden sind, in Form der freien Säure oder eines
Salzes und wenigstens ein wasserlös
liches Polymeres mit Carboxyl- (einschließlich Carbonsäureanhydrid-)
und Sulfonatgruppen zusetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Phosphonat die allgemeine Formel
besitzt, wobei R ein Wasserstoff, eine Alkyl-, Alkenyl-
oder Alkinylgruppe mit bis zu 4 C-Atomen, eine Phenylgruppe,
eine Cycloalkylgruppe mit 3 bis 6 C-Atomen,
eine Benzylgruppe, eine Phenethylgruppe oder die
Gruppe
bedeutet, wobei R′ Wasserstoff, eine Alkylgruppe
mit 1 bis 4 C-Atomen oder eine Carboxylgruppe, R′′
Wasserstoff oder eine Methylgruppe und R′′′ eine Carboxy-
oder Phosphonatgruppe ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Phosphonat 2-Phosphonobutan-1,2,4-tricarbonsäure
oder 2,4-Diphosphonobutan-1,2-dicarbonsäure
eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Polymere periodisch wiederkehrende
Einheiten der Formeln
besitzt, wobei R₁ Wasserstoff oder einen niedrigeren Alkylrest,
vorzugsweise mit 1 bis 4 C-Atomen, oder die Gruppe
-CH₂COOH darstellt, R₂ Wasserstoff oder einen niedrigeren
Alkylrest bedeutet, X die Gruppe -COOH und
Z Wasserstoff oder die Gruppe -COOH oder X und Z
zusammen die Gruppe -CO-O-CO bedeuten und Y die Gruppen
-SO₃H, -C₆H₅SO₃H (para) oder -CONHQ(R₃)(R₄)SO₃H bedeutet,
wobei Q die Gruppe -CH₂- oder -CH₂-CH₂- und
R₃ und R₄ unabhängig voneinander Wasserstoff, einen
Phenylrest, einen substituierten Phenylrest, einen
geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis
12 C-Atomen oder einen Cycloalkylrest mit 3 bis 12
C-Atomen, vorzugsweise einen Rest der Formeln-CONH-C(CH₃)₂(R₃)-CH₂-SO₃H oder -CONHCH₂SO₃Hbedeuten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polymere ein Copolymeres von Methacrylsäure
und 2-Acrylamid-2-methylpropan-sulfonsäure oder ein
Copolymeres von Styrolsulfonsäure und Maleinsäure
ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphonat und das
Polymere im Gewichtsverhältnis von 4 : 1 bis 1 : 4 eingebracht
werden.
7. Mittel zur Behandlung von Wasser oder wäßrigen Systemen
zur Verringerung oder Verhinderung von Ablagerungen
fester Stoffe, gekennzeichnet durch einen Gehalt
von wenigstens einem wie in Anspruch 1 definierten
Phosphonat und von wenigstens einem wie in Anspruch
1 definierten Polymeren.
8. Mittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Phosphonat eine oder mehrere der in Anspruch
2 oder 3 definierten Verbindungen ist.
9. Mittel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polymere eines der in Anspruch 4 oder 5 definierten
Polymere ist.
10. Mittel nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Phosphonat
zu Polymer 4 : 1 bis 1 : 4 beträgt.
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