專利名稱：注入硫的有機(jī)粘土汞和/或砷離子去除介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及組合物，制備該組合物的方法，和利用該組合物從水；和/或氣流，如 天然氣；工業(yè)煙囪物等中去除汞(有機(jī)汞、Hg、Hg+、和/或Hg+2)和/或砷(As+3和/或As+5) 的方法。所述組合物在本文中還被稱為“介質(zhì)”、或“汞去除介質(zhì)”、或“砷去除介質(zhì)”、或“Hg/ As去除介質(zhì)”，可以被用于從任何水源中去除汞和/或砷，且特別被用于從飲用水、工業(yè)廢 水、被污染的地下水、被污染的沉積物、近海的生產(chǎn)水中去除汞和/或砷，使得生成的水可 以回流至海洋；并且用于從含水的礦業(yè)廢物中去除汞和/或砷。所述Hg/As去除介質(zhì)包括 均質(zhì)且優(yōu)選為擠壓的組合物，該組合物包含層狀頁(yè)硅酸鹽；元素硫(游離狀態(tài)的硫)；和有 機(jī)頁(yè)硅酸鹽表面處理劑，優(yōu)選為鐺陽(yáng)離子，從而得到含硫的有機(jī)粘土。硫與頁(yè)硅酸鹽以共價(jià) 形式、離子形式、物理方式、或上述機(jī)理的組合結(jié)合在一起。背景和現(xiàn)有技術(shù)汞和砷污染物存在于水中，而汞既存在于水中也存在于氣體中，所述水和氣體主 要來(lái)自于火山噴發(fā)、燃煤電廠、煤燃燒的釋放物、來(lái)自天然氣的汞蒸氣和/或顆粒、來(lái)自油 氣工業(yè)的生產(chǎn)水、來(lái)自黃金生產(chǎn)和有色金屬生產(chǎn)(例如，熔煉爐)中的廢水、來(lái)自混凝土生 產(chǎn)中的廢水、污水淤渣焚燒物、苛性鈉的生產(chǎn)、生鐵和鋼的生產(chǎn)、和汞生產(chǎn)的廢料；所述汞主 要用于加入電池中。含汞的產(chǎn)品包括汽車部件、電池、熒光燈泡、醫(yī)用產(chǎn)品、溫度計(jì)和溫度 調(diào)節(jié)裝置?？捎糜谌コ蜕榈募夹g(shù)(如沉淀、凝聚/共沉淀、活性碳吸附、離子交換等)對(duì) 于去除汞和砷(亞砷酸鹽和砷酸鹽化合物)而言不是很有效的。本受讓人的有機(jī)粘土在 過(guò)去的十年中已被證明為對(duì)許多有機(jī)污染物都是有效的。例如，參見(jiàn)本受讓人的美國(guó)專利 No. 6，398，951、Νο· 6，398，966,No. 6，409，924、和 No. 6，749，757，將它們引入本文作為參考。 本文所描述的新的Hg/As過(guò)濾介質(zhì)，可以以相似的方式操作，或與有機(jī)粘土介質(zhì)一起使用， 但對(duì)于去除汞或砷而言更加有效。本文所描述的Hg/As去除介質(zhì)具有與用于去除有機(jī)污染物的有機(jī)粘土的相似的 物理形式，并且可以與以上所列專利所描述的相似地裝在罐或柱中。此外，本文所描述的 Hg/As去除介質(zhì)被置于單層或多層的透水性墊中，如本受讓人于2003年11月19日提交 的編號(hào)為No. 10/718, 128(公開(kāi)號(hào)為No. 2005-01013707A1)、于2005年9月7日提交的編 號(hào)為No. 11/221,019(公開(kāi)號(hào)為No. 2006/0000767A1)、于2006年7月19日提交的編號(hào) 為No. 11/489，383(公開(kāi)號(hào)為No. 2006-0286888 Al)、于2006年11月14日提交的編號(hào)為 No. 11/599,080(公開(kāi)號(hào)為No. 2007-005卯42 Al)、和于2007年4月27日提交的編號(hào)為 No. 11/741，376(公開(kāi)號(hào)為No. 2007-0206994 Al)的已公開(kāi)申請(qǐng)中所描述的，將其全部?jī)?nèi)容 引入本文作為參考。從根本上講，Hg/As去除介質(zhì)基于有機(jī)粘土技術(shù)，但是利用若干獨(dú)特的化學(xué)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行實(shí)質(zhì)上的改性以增強(qiáng)對(duì)含汞和砷的化合物的吸附。吸附汞的機(jī)理基于化學(xué) 鍵合、離子鍵合、機(jī)械鍵合、或它們的組合。汞和/或砷將結(jié)合到介質(zhì)的外表面和內(nèi)表面，并 且結(jié)合過(guò)程是不可逆的。本文所描述的Hg/As去除介質(zhì)對(duì)于全部汞源和砷源都是有效的，所述汞源和砷源 包括有機(jī)類型的汞和砷，包括有機(jī)汞和有機(jī)砷化合物；金屬汞(零價(jià)的)；亞砷酸鹽和砷 酸鹽化合物；砷離子(III價(jià)和V價(jià))；和汞離子(I價(jià)和II價(jià))。當(dāng)涉及基于有機(jī)的汞和/ 或砷時(shí)，除了化學(xué)鍵合之外可以涉及分區(qū)的吸附機(jī)理。此外，本文所描述的Hg/As去除介質(zhì) 還可以有效地去除油、脂膏和其它有機(jī)污染分子。當(dāng)所有的吸附位都飽和時(shí)，介質(zhì)將最終用 盡。實(shí)際的介質(zhì)壽命將取決于被污染的水的組成和場(chǎng)所的操作條件。Greco的美國(guó)專利No. 5，512，526描述了通過(guò)將脂肪硫醇(例如，十二烷基硫醇) 與含有脂肪烷基的季銨化合物反應(yīng)來(lái)制備基于粘土的重金屬去除介質(zhì)。如所述的，硫醇的 疏水性脂肪烷基基團(tuán)以某種方式與季銨化合物的脂肪烷基基團(tuán)相結(jié)合。簡(jiǎn)述根據(jù)本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)，利用注入硫的有機(jī)粘土提供了具有提高的反應(yīng)性、穩(wěn)定性以 及汞和砷去除能力的汞和砷去除介質(zhì)。本文所述的Hg/As去除介質(zhì)是通過(guò)將元素硫(游離 狀態(tài))注入親有機(jī)物質(zhì)的粘土來(lái)制備的。供選擇地，在注入硫得到的有機(jī)粘土之前或同時(shí)， 可以通過(guò)用表面處理劑(例如，能夠增大粘土片晶的晶面間距的聚合物)，或優(yōu)選地用鐺離 子處理粘土，將粘土制成親有機(jī)物質(zhì)性的。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1和2為顯示實(shí)施例所描述的Hg/As去除介質(zhì)的汞去除效果的曲線圖；圖3為顯示實(shí)施例6的Hg/As去除介質(zhì)的砷去除結(jié)果的曲線圖；圖4為近海鉆油井平臺(tái)的側(cè)視圖，該側(cè)視圖通常顯示了被裝在附著在具有可選設(shè) 置的集水池(sump tank)的近海鉆油井平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)上的罐中的Hg/As去除介質(zhì)；圖5為包含多個(gè)裝有Hg/As去除介質(zhì)的柱或罐的容器的實(shí)施方案的截面圖，所述 介質(zhì)用于有效地去除包含在水中的汞或砷；圖6為包含多個(gè)裝有Hg/As去除介質(zhì)的柱或罐的容器的優(yōu)選實(shí)施方案的正視圖；圖7為圖6所示容器的頭部的俯視圖，并且在頭部中的開(kāi)口用于接收滲透性導(dǎo)管， 各個(gè)導(dǎo)管可以穿過(guò)圖5和圖6所示的柱或罐的疊層延伸；和圖8為裝有Hg/As去除介質(zhì)的容器的實(shí)施方案的局部側(cè)面剖視圖，所述容器包括 多個(gè)層疊的柱(圖5和6)。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的描述涉及在近海鉆井平臺(tái)上使用 的方法、設(shè)備和汞/砷去除介質(zhì)，但是本發(fā)明還用于從任何被污染的水(包括飲用水、工業(yè) 廢水、被污染的地下水供給)；和/或氣流(例如，工業(yè)煙 )；含水礦業(yè)廢物；和被污染的地 下水和泥土沉積物中去除汞和/或砷，特別是當(dāng)被裝在如本申請(qǐng)的第三段所描述的反應(yīng)墊 (reactivemat)中時(shí)，或當(dāng)以體狀(in bulk form)使用時(shí)，或當(dāng)以共混的形式(in abIended form)使用時(shí)，例如，其它組分可以為沙、顆粒狀無(wú)煙煤、顆粒狀活性碳和它們的組合，其含 量為基于共混物總重量的約1重量％至約80重量％。優(yōu)選實(shí)施方案的詳述應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的描述涉及在近海鉆井平臺(tái)上使用的方法、設(shè)備和汞/砷去除介質(zhì)，但是本發(fā)明還用于從任何被污染的水，包括飲用水、工 業(yè)廢水、被污染的地下水供給、含水礦業(yè)廢物、和被污染的地下水和泥土沉積物中去除汞和 砷；特別是當(dāng)被裝在如本申請(qǐng)的第三段所描述的反應(yīng)墊中時(shí)，或當(dāng)以體狀或共混的形式使 用時(shí)。本文所描述的Hg/As去除介質(zhì)為含硫的層狀親有機(jī)物質(zhì)的頁(yè)硅酸鹽，通過(guò)與有機(jī) 頁(yè)硅酸鹽表面處理劑，優(yōu)選為釋放鐺離子的化合物反應(yīng)來(lái)(或已經(jīng))將該頁(yè)硅酸鹽制成親 有機(jī)物質(zhì)的，并且已經(jīng)通過(guò)用元素硫注入(impregnation with elemental sulfur)來(lái)將該 頁(yè)硅酸鹽制成汞反應(yīng)活性的和砷反應(yīng)活性的。頁(yè)硅酸鹽頁(yè)硅酸鹽可以為蒙皂石粘土，例如膨潤(rùn)土、蒙脫石、鋰蒙脫石、貝得石、皂石、綠 脫石、鉻嶺石、鋅蒙脫石、硅鎂石、和/或合成的蒙皂石衍生物，特別是含氟鋰蒙脫石和鋰皂 石；混合的層狀粘土和它們的合成衍生物，特別是累托石(rectonite)；蛭石、伊利石、云母 材料、和它們的合成衍生物；層狀水合結(jié)晶聚硅酸鹽，特別是馬水硅鈉石(makatite)、卡勒 米特石(kanemite)、八硅酸鹽(octasilicate) (illierite)、麥羥硅鈉石(magadiite)和 / 或水羥硅鈉石(kenyaite)、綠坡縷石、坡縷石、海泡石(s印oilite)、或它們的任意組合。粘土表面改件劑用于形成有機(jī)粘土的表面改性劑(插入劑)，包括但不限于，伯胺、仲胺、叔胺、和 離子和/或鐺鹽化合物、聚季銨鹽(polyquat)、聚胺、陽(yáng)離子聚合物和它們的衍生物、陰離 子聚合物、以及它們的混合物。在潤(rùn)濕過(guò)程中，將表面改性劑(例如，鐺離子)加入到固體組合物或液體組合物 (純的或攙水的，具有或不具有有機(jī)溶劑(例如，異丙醇和/或乙醇)，必要時(shí)幫助溶解鐺離 子化合物)形式的層狀材料集合中，所述組合物具有足夠的表面改性濃度(例如，鐺離子濃 度)以提供以粘土重量計(jì)(90-95%的水)約5%至約10%的濃度，并且將表面改性劑(例 如，鐺離子化合物)加入到粘土漿料水中，優(yōu)選地，鐺離子與可交換夾層陽(yáng)離子的摩爾比至 少為約0.5 1，更優(yōu)選為至少約1 1。然后，很容易地將插入鐺離子的粘土從水中分離， 因?yàn)楝F(xiàn)在的粘土是疏水性的，并在烘箱中干燥至小于約5%的水，優(yōu)選為完全干燥。可以將 鐺離子表面改性劑化合物或聚合物以添加有層狀材料表面改性劑共混物的固體來(lái)加入，所 述層狀材料表面改性劑共混物優(yōu)選地含有基于層狀材料干重計(jì)的約20%至約40%的水和 /或有機(jī)溶劑，更優(yōu)選為至少約30%的水或更多?；趯訝畈牧细芍赜?jì)的優(yōu)選約30%至約 40%的水，更優(yōu)選為約25-35%的水被包含在鐺離子插入組合物中，使得較少的水通過(guò)插入 而被吸附，從而使在鐺離子插入后需要較少的干燥能量。通常，用于制備或制造有機(jī)粘土介質(zhì)的干燥過(guò)程可以如下所述。將粉末形式的 粘土礦物通過(guò)用于固體的主要料口(通常為擠壓機(jī))進(jìn)料至混合機(jī)中。除了粘土進(jìn)料料 口之外，還可以使用第二粉末形式固體的單獨(dú)的料口。如果有的話，將液體形式的添加劑 (包括水、插入劑和偶聯(lián)劑)通過(guò)單獨(dú)的料口進(jìn)料至混合機(jī)中?？梢詫⒍喾N形式的固體 或液體進(jìn)行預(yù)混，或者可以通過(guò)單獨(dú)的混合機(jī)將固體和液體進(jìn)行預(yù)混，之后進(jìn)料至擠壓機(jī) (extender)中。優(yōu)選的液體重量為基于混合物總重量計(jì)的10%至50%，更優(yōu)選為20%至 40%，最優(yōu)選為25%至35%。將來(lái)自擠壓機(jī)的均質(zhì)混合物通過(guò)干燥器來(lái)進(jìn)一步干燥，并被 磨碎成優(yōu)選的顆粒尺寸。可以使用篩分工藝來(lái)收集具有期望顆粒尺寸分布的最終產(chǎn)品。
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所述鐺離子通常可以由下式來(lái)表示
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)接觸從水中去除汞和/或砷或者從氣體中去除汞的污染物去除介質(zhì)，該污 染物去除介質(zhì)包含有機(jī)粘土和元素硫的均質(zhì)混合物。
2.權(quán)利要求1所述的污染物去除介質(zhì)，其中，組分的百分比如下a)有機(jī)粘土50至99. 5重量％ ；b)元素硫0.5至50重量％。
3.權(quán)利要求2所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述有機(jī)粘土包含用插入劑插入的層狀 頁(yè)硅酸鹽，并且其中，組分的百分比如下a)頁(yè)硅酸鹽1-90%；插入劑10-50% ；b)元素硫0.5-50% ο
4.權(quán)利要求3所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述組分的百分比如下a)頁(yè)硅酸鹽=35-83%；插入劑15-45% ；b)元素硫2-20%ο
5.權(quán)利要求4所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述組分的百分比如下a)頁(yè)硅酸鹽=50-77%；插入劑20-40% ；b)元素硫:3-10%。
6.權(quán)利要求5所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述組分的百分比如下a)頁(yè)硅酸鹽=59-71%；插入劑25-35% ；b)元素硫4-6%。
7.權(quán)利要求6所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述組分的百分比如下a)頁(yè)硅酸鹽65%；插入劑30% ；b)元素硫5%。
8.權(quán)利要求1所述的污染物去除介質(zhì)，其中，在擠壓機(jī)中將所述混合物擠壓。
9.一種從水中去除汞和/或砷的方法，所述方法包括將水與權(quán)利要求1所述的污染物 去除介質(zhì)相接觸。
10.一種從水中去除汞和/或砷的方法，所述方法包括將水與權(quán)利要求2所述的污染物 去除介質(zhì)相接觸。
11.權(quán)利要求1所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重量％ 的顆粒小于美國(guó)篩制中的18目。
12.權(quán)利要求11所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重 量％的顆粒小于美國(guó)篩制中的50目。
13.權(quán)利要求12所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重 量％的顆粒小于美國(guó)篩制中的70目。
14.權(quán)利要求13所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重 量％的顆粒小于美國(guó)篩制中的80目。
15.權(quán)利要求14所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重 量％的顆粒小于美國(guó)篩制中的100目。
16.一種通過(guò)接觸從水中去除汞和/或砷或者從氣體中去除汞的污染物去除介質(zhì)，該 污染物去除介質(zhì)包含用表面改性的層膨脹插入劑插入的層狀頁(yè)硅酸鹽和硫的均質(zhì)混合物。
17.權(quán)利要求16所述的污染物去除介質(zhì)，其中，在擠壓機(jī)中將所述混合物擠壓。
18.權(quán)利要求16所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述層膨脹插入劑選自鐺離子、聚合物 及其混合物。
19.一種從水中去除汞和/或砷或者從氣體中去除汞的方法，該方法包括將水或氣體 與權(quán)利要求16所述的去除介質(zhì)相接觸。
20.權(quán)利要求16所述的汞去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重量％的 顆粒小于美國(guó)篩制中的18目。
21.權(quán)利要求20所述的汞去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重量％的 顆粒小于美國(guó)篩制中的50目。
22.權(quán)利要求21所述的汞去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重量％的 顆粒小于美國(guó)篩制中的70目。
23.權(quán)利要求22所述的汞去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重量％的 顆粒小于美國(guó)篩制中的80目。
24.權(quán)利要求23所述的汞去除介質(zhì)，其中，所述元素硫的顆粒尺寸為至少80重量％的 顆粒小于美國(guó)篩制中的100目。
25.一種將含有有機(jī)污染物和汞或砷污染物的被污染的水再生的方法，該方法包括將被污染的水與有機(jī)粘土相接觸，用于去除有機(jī)污染物；和將被污染的水與權(quán)利要求1所述的去除介質(zhì)相接觸，用于去除汞或砷。
26.權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述有機(jī)粘土和去除介質(zhì)被裝在串聯(lián)連接的分開(kāi) 的容器中。
27.權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述有機(jī)粘土和去除介質(zhì)被裝在同一容器中。
28.一種將含有有機(jī)污染物和汞污染物的被污染的氣體再生的方法，該方法包括將被污染的氣體與有機(jī)粘土相接觸，用于去除有機(jī)污染物；和將被污染的氣體與權(quán)利要求1所述的去除介質(zhì)相接觸，用于去除汞。
29.權(quán)利要求觀所述的方法，其中，所述有機(jī)粘土和去除介質(zhì)被裝在串聯(lián)連接的分開(kāi) 的容器中。
30.權(quán)利要求觀所述的方法，其中，所述有機(jī)粘土和去除介質(zhì)被裝在同一容器中。
31.權(quán)利要求1所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述介質(zhì)包含的顆粒的顆粒尺寸為至少 80重量％的顆粒小于5mm。
32.權(quán)利要求31所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述介質(zhì)包含的顆粒的顆粒尺寸為至 少80重量％的顆粒小于3mm。
33.權(quán)利要求32所述的污染物去除介質(zhì)，其中，所述介質(zhì)包含的顆粒的顆粒尺寸為至 少80重量％的顆粒小于2mm。
全文摘要
使用注入硫的有機(jī)粘土提供了一種具有提高的反應(yīng)性、穩(wěn)定性和汞去除能力的汞或砷去除介質(zhì)。本文所描述的Hg/As介質(zhì)是通過(guò)用元素硫(游離硫)浸漬親有機(jī)物質(zhì)的粘土來(lái)制備的。供選擇地，可以在用硫浸漬有機(jī)粘土之前或同時(shí)，通過(guò)鎓離子反應(yīng)來(lái)將粘土制成親有機(jī)物質(zhì)的。
文檔編號(hào)B01D53/86GK102105209SQ200980126656
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者R·亞伯拉罕, Z·王 申請(qǐng)人:安姆科爾國(guó)際公司