[发明专利]高分子量两性离子聚合物

说明书

发明背景

在许多工业操作如造纸或采矿中，或在许多废水处理应用如污泥脱水中，含水悬浮液的絮凝是必须或需要的。分别得自丙烯酰胺和阳离子或阴离子单体如N，N-二甲基氨基乙基丙烯酸甲基氯化物季盐或丙烯酸的聚合物，被广泛用于在这些操作中改进絮凝性能参数。通常测量的操作参数的例子是第一遍留着率(造纸)，沉降速度(采矿)，和浊度减低(污泥脱水)。在同一个聚合物中包含正电荷和负电荷的丙烯酰胺三元共聚物称作聚(两性电解质)并且也在这些系统中广泛应用。通过丙烯酰胺和包含阳离子基团的单体及包含阴离子基团的另一种单体的聚合制造这样的聚(两性电解质)。两性油包水自转化聚合物乳液和它们在造纸中的用途公开于美国专利4,330,450，4,363,886和4,392,917中。

上述所有的絮凝剂化学品都在聚合物链中具有净离子电荷，可以是普遍分布(如当共聚单体具有净电荷时的共聚物)或局部分布(如聚两性电解质)。在两性三元共聚物的情况下，单体引入速率的差异以及统计变化产生非均匀局部电荷分布，对于给定聚合物链导致净阳离子电荷或净阴离子电荷。因为局部的正电荷或负电荷将被吸引至相反电荷的表面，所以在给定聚合物链段中的净电荷是很重要的。由于静电排斥的原因，在更高的离子强度下，包含净电荷的聚合物链段会倒塌或变得更不易溶解。这样的聚合物溶解性的降低显著地降低了絮凝的效率。例如，在造纸系统中，通常使用阳离子絮凝剂以结合阴离子填料和纤维表面。相似地，在采矿应用中，阳离子絮凝剂可有效地结合阴离子粘土表面。

在许多加工用水中，可能有阴离子物质，它们与要被絮凝的目标阴离子材料竞争。当目标填料和纤维表面必须和阴离子溶质或胶体(阴离子“废物”)竞争聚合物时，由于聚合物中可用阳离子点的减少，絮凝效率显著降低。为解决此问题，人们通常使用阳离子絮凝剂“滴定”有害的阴离子物质。当絮凝剂中和有害阴离子物质高表面上的阴离子电荷时，然后絮凝剂保持“自由”以聚集剩余的阴离子纤维和填料表面，这是希望的结果。然而，由于溶解的有害阴离子物质的变化水平，而使加工用水的电荷需求出现波动，这意味着必须改变凝结剂用量以达到相同的中和水平。尽管絮凝操作中变化的消除对于保持工艺控制和一致的操作是决定性的，而实际上在絮凝剂加入之前，保持恒定的溶液电荷可能相当困难。使用凝结剂的电荷中和的另外方法是加入这样的絮凝剂，该絮凝剂，通过设计，耐溶液中阴离子废物水平和带电物质浓度的变化。

更耐阴离子废物的絮凝剂的一个例子是聚丙烯酰胺，它是中性的，不带电的均聚物。人们也可以通过引入两性离子单体，制造这样的聚合物，总体上它是严格电中性的，但它包含阳离子和阴离子官能度。

两性离子单体和聚合物已经被广泛研究，并且它们在水溶液中的独特性能已经得到很好的证明。例如，两性离子磺基甜菜碱单体如1-(3-磺丙基)-2-乙烯基吡啶鎓甜菜碱是可以市购的。乙烯基吡啶鎓羧基甜菜碱单体公开在J.Poly.Sci.，1957，26，251中。基于磷的两性离子单体如2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰基胆碱和2-[3-丙烯酰胺基丙基]二甲基铵]乙基2’-异丙基磷酸盐分别公开在聚合物杂志，1990，22(5)，355-360和聚合物科学：A部分：聚合物化学，1996，34，449-460中。乙烯基咪唑鎓磺基甜菜碱和它们的聚合物公开在聚合物，1977，18，1058和聚合物，1978，19，1157中。基于锍丙烯酸酯单体的羧基甜菜碱公开在美国专利3,269,991和3,278,501中。二烯丙基磺基甜菜碱单体和聚合物公开在美国专利4,822,847和5,788,866中。丙烯酰胺和3-(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷二甲基氨基)-1-丙烷磺酸酯的共聚物公开在McCormick，等，聚合物，1992，33，4617中。然而，在McCormick文献中，聚合物以水中均相溶液制备，并且由于未受控制的粘度，聚合在较低的单体转化率下停止。使用具有更低分子量两性离子均聚物的絮凝/凝结研究已经报告于聚合物制备，1991，32，323和环境技术，1998，19，323中。

发明概述

我们已经发现从一种或多种非离子单体和各种两性离子单体制备的高分子量聚合物特别适于絮凝含水悬浮液，该悬浮液包含高传导率或高水平的阴离子或阳离子组分。在高的盐溶液浓度下，或在干扰聚阴离子或阴离子胶体存在的情况下，这些两性离子或内盐共聚物不会倒塌。