改性木质素除油絮凝剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种改性木质素除油絮凝剂及其制备方法，步骤如下：先将木质素和水加入反应器中，搅拌均匀后，将反应体系的pH值调至9.5～11.5，加热升温至65～95℃后加入醛类化合物，反应10～30min后加入含氮化合物，继续反应2.0～4.0h后降温至0～25℃，然后缓慢加入碱液的同时滴加二硫化碳，反应2.0～5.0h后，升温至50～75℃，继续反应1.0～4.0h，降温出料。本发明产品的相对分子质量为5000～50000，含二硫代氨基甲酸盐基团，为黑褐色粘稠液体或棕褐色粉末，性价比优越。而且整个生产过程无“三废”排放，因此本制备工艺是一个清洁化、环境友好工艺。

说明书

技术领域：

本发明属于精细化工领域，特别涉及到一种用于处理含油废水的改性木质素除油絮凝剂及其制备方法。

背景技术：

当今世界，石油、天然气资源的储备有限，而且对它们的研究、开发和利用给地球生态环境带来的影响日趋严重，这促使了以天然资源为原料的高分子材料得以大力发展。木质素在自然界中存在的数量很大，而且总是与纤维素伴生，全世界陆生植物每年可产生500亿吨木质素，其中制浆造纸工业的蒸煮废液中产生的工业木质素有3,000万吨。人类利用纤维素已有几千年的历史，而真正开始研究木质素则是1930年以后的事了，而且至今木质素还没有得到很好的利用，我国仅约6％的木质素得到利用。木质素作为木材水解工业和造纸工业的副产物，由于得不到充分利用，变成了造纸工业中的主要污染源之一，这不仅造成严重的环境污染，而且也造成资源的重大浪费。有些造纸厂所谓木质素的综合利用也只是将亚硫酸盐废液浓缩到一定浓度，或将碱法蒸煮黑液磺化和浓缩到一定浓度，作为低档的分散剂和粘结剂直接销售给用户，附加值不高，企业的积极性也不高。因此，如何有效的利用好木质素这种可再生资源，提高其附加值，并解决环境污染问题成为本发明的出发点。

目前，含油废水的处理与达标排放已成为当今环保的重要课题。尤其对于某些含油废水，如油田采出水等，随着生产和环境要求的进一步提高，利用现有技术处理后的水的水质达不到注水和污水排放要求。因此，在改造现有设备或研发出新型水处理设备的同时，研究开发高效、广效的污水处理剂是目前污水处理技术发展的必然趋势。国外主要利用20世纪80年代美国开发的新型除油剂二硫代氨基甲酸盐(Dithiocarbamate，简称DTC)，并辅助其它化学药剂来处理含油废水。而我国对这类化学剂的研究仅处于初步研发阶段，尚未形成产业化，主要原因有以下两方面：一、我国对二硫代氨基甲酸盐的研究起点较晚；二、二硫代氨基甲酸盐的制备原料以CS₂和有机胺(二甲胺、乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺或多烯多胺等)为主，原材料价格偏高，进而影响二硫代氨基甲酸盐产品的价格，从而不利于产品在含油废水处理中推广应用。

因此，若以木质素为原料，通过化学改性研制出含二硫代氨基甲酸盐基团的改性木质素除油絮凝剂，则不仅大大降低二硫代氨基甲酸盐产品的价格，有利于改性木质素除油絮凝剂的推广应用，而且将进一步拓宽木质素的应用范围，并提高其附加值，同时也提高企业综合利用木质素并解决制浆造纸黑液污染的积极性，促进我国制浆造纸行业持续、健康发展。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提高木质素的附加值并解决二硫代氨基甲酸盐除油剂成本高等问题，提供一种改性木质素除油絮凝剂及其制备方法。即利用制浆工业中的副产物—木质素为原料，采用全封闭的加料方式以及一浴合成来制备改性木质素除油絮凝剂，以减少或消除生产和使用过程中对环境所产生的污染，在大大降低产品成本的基础上，提高产品的除油和絮凝协同作用性能，以便本发明能在工程中推广应用。

本发明所提供的一种改性木质素除油絮凝剂及其制备方法，其特征在于所述的改性木质素除油絮凝剂含有二硫代氨基甲酸盐基团，每克改性木质素除油絮凝剂中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为2.0～6.7mmol，改性木质素除油絮凝剂相对分子质量为5000～50000，为黑褐色粘稠液体或棕褐色粉末，棕褐色粉末在28.0℃时的溶解度为35.0～45.0g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为9.0～10.5，质量分数40％的溶液密度为1.16～1.25g/L，化学稳定性高。

上述改性木质素除油絮凝剂的具体工艺如下：

1.原料及配方(质量分数)：

木质素：2.5～20.0％

醛类化合物：2.0～25.0％

含氮化合物：8.0～25.0％

二硫化碳：10.0～30.0％

碱液：3.0～40.0％

水：10.0～50.0％

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将木质素和水加入反应器中，搅拌均匀后，将反应体系的pH值调至9.5～11.5，加热升温至65～95℃后加入醛类化合物，反应10～30min后加入含氮化合物，继续反应2.0～5.0h后降温至0～25℃，然后缓慢加入碱液的同时滴加二硫化碳，反应2.0～5.0h后，升温至50～75℃，继续反应1.0～4.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩、过滤，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。

该工艺中，采用的木质素为碱木质素，原材料来源于竹子、蔗渣、稻草、麦草、芦苇、桉木、桦木、马尾松等原材料及其按一定配比组成的两种或两种以上的混合原材料的碱法或硫酸盐法制浆废液，通过沉淀、分离、提取获得碱木质素；含氮化合物为脲、乙二胺、二乙烯三胺、四乙烯五胺、六次甲基四胺、二亚乙基三胺中的一种或两种以上(含两种)的混合物；碱液为氢氧化钠或氢氧化钾水溶液，而且碱液的质量分数为20.0～60.0％；醛化合物为甲醛、三聚甲醛或多聚甲醛。

以上各步骤的原料及配方的质量分数总和为100％。

本发明具有以下优点和积极效果：

1.本发明主要利用制浆工业中的副产物—木质素为原料，使得研制出的产品具有成本低，并兼具除油和絮凝双重功能。

2.本发明采用全封闭的加料方式以及一浴合成法来制备改性木质素除油絮凝剂，以减少或消除生产过程中原材料对环境的污染，而且整个生产过程无“三废”(废气、废水、废渣)排放，因此本制备工艺是一个清洁化、环境友好工艺。

3.本发明产品处理含油废水效果理想，而且药剂的投药量低：除油率可降低80.0％以上，最高可达96.5％，SS降低87.0以上；最高可达98.0％；COD_cr降低65.0％以上，最高可达76.0％；色度降低80.0％以上，最高可达91.1％。

4、产品稳定性好，无毒，使用不受季节、区域限制，便于存放和运输。

5.生产工艺简单，生产原料易得，生产周期短，反应温和，所需设备为常规设备，便于现有化工厂接产。

具体实施方式：

下面对本发明进行详细说明：

实施例1：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(碱法马尾松浆黑液中提取)：10.0千克

甲醛(质量分数为37.0％)：15.0千克

脲：12.5千克

二硫化碳：15.0千克

氢氧化钠(质量分数为50.0％)：19.5千克

水：28.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将上述计算量的碱木质素和水加入反应器中，搅拌均匀后，用50.0％NaOH溶液将反应体系的pH值调至10.5，加热升温至85℃后加入15.0千克甲醛，反应10min后加入12.5千克脲，继续反应3.0h后降温至15℃，然后缓慢加入19.5千克50.0％NaOH溶液的同时滴加15.0千克二硫化碳，反应3.0h后，升温至55℃，继续反应3.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩、过滤，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为4.5mmol/g，相对分子质量为10000～20000，质量分数为1.0％时的溶液pH值为10.0，溶液密度为1.20g/L。

实施例2：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(碱法马尾松浆黑液中提取)：8.0千克

甲醛(质量分数为37.0％)：20.0千克

脲：15.0千克

二硫化碳：16.0千克

氢氧化钠(质量分数为40％)：25.0千克

水：16.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将8.0千克碱木质素和16.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用30.0％磷酸钠溶液将反应体系的pH值调至10.0，加热升温至90℃后加入20.0千克甲醛，反应20min后加入15.0千克脲，继续反应2.0后降温至20℃，然后缓慢加入25.0千克40.0％NaOH溶液的同时滴加16.0千克二硫化碳，反应2.0后，升温至50℃，继续反应4.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为5.7mmol/g，相对分子质量为15000～25000，质量分数为1.0％时的溶液pH值为9.5，溶液密度为1.23g/L。

实施例3：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(碱法竹子和蔗渣浆黑液中提取，竹子和蔗渣质量比为3∶1)：15.0千克

甲醛(质量分数为40.0％)：22.0千克

乙二胺：9.0千克

二硫化碳：15.0千克

氢氧化钠(质量分数为50.0％)：18.0千克

水：21.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将15.0千克碱木质素和21.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用20.0％铝酸钠溶液将反应体系的pH值调至11.5，加热升温至65℃后加入22.0千克甲醛，反应30min后加入9.0千克乙二胺，继续反应4.0h后降温至5℃，然后缓慢加入18.0千克50.0％氢氧化钠溶液的同时滴加15.0千克二硫化碳，反应2.0h后，升温至75℃，继续反应1.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为4.3mmol/g，相对分子质量为5000～10000，质量分数为1.0％时的溶液pH值为9.6，溶液密度为1.21g/L。

实施例4：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(硫酸盐法麦草浆黑液中提取)：11.0千克

多聚甲醛：7.0千克

二乙烯三胺：8.0千克

二硫化碳：12.0千克

氢氧化钾(质量分数为50.0％)：20.0千克

水：42.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将11.0千克碱木质素和42.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用50.0％KOH溶液将反应体系的pH值调至10.5，加热升温至90℃后加入7.0千克多聚甲醛，反应30min后加入8.0千克二乙烯三胺，继续反应2.0h后降温至20℃，然后缓慢加入20.0千克50.0％氢氧化钾溶液的同时滴加12.0千克二硫化碳，反应4.0h后，升温至60℃，继续反应2.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩、过滤，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为3.9mmol/g，相对分子质量为5000～10000，28.0℃时的溶解度为41.0g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为9.5，溶液密度为1.17g/L。

实施例5：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(碱法芦苇浆黑液中提取)：5.0千克

甲醛(质量分数为37.0％)：20.0千克

脲和六次甲基四胺混合物(质量比为1∶1)：15.0千克

二硫化碳：18.5千克

氢氧化钠(质量分数为60.0％)：25.0千克

水：16.5千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将5.0千克碱木质素和16.5千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用35.0％醋酸钠溶液将反应体系的pH值调至9.5，加热升温至65℃后加入20.0千克甲醛，反应10min后加入15.0千克脲和六次甲基四胺混合物，继续反应5.0h后降温至10℃，然后缓慢加入25.0千克60.0％氢氧化钠溶液的同时滴加18.5千克二硫化碳，反应2.5h后，升温至50℃，继续反应3.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为5.3mmol/g，相对分子质量为5000～12000，28.0℃时的溶解度为38.5g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为10.0，质量分数40％的溶液密度为1.24g/L。

实施例6：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(碱法桉木浆黑液中提取)：20.0千克

甲醛(质量分数为40％)：10.0千克

乙二胺和四乙烯五胺混合物(质量比为4∶1)：10.0千克

二硫化碳：15.0千克

氢氧化钠(质量分数为50.0％)：25.0千克

水：20.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将20.0千克碱木质素和20.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用50.0％NaOH溶液将反应体系的pH值调至11.5，加热升温至95℃后加入10.0千克甲醛，反应30min后加入10.0千克乙二胺和四乙烯五胺混合物，继续反应3.5h后降温至25℃，然后缓慢加入25.0千克50.0％氢氧化钠溶液的同时滴加15.0千克二硫化碳，反应2.0h后，升温至55℃，继续反应2.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为3.2mmol/g，相对分子质量为20000～30000，28.0℃时的溶解度为41.0g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为9.8，质量分数40％的溶液密度为1.21g/L。

实施例7：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

木质素(碱法马尾松浆黑液中提取)：9.0千克

三聚甲醛：2.0千克

脲：8.0千克

二硫化碳：8.0千克

氢氧化钠(质量分数为20.0％)：25.0千克

水：48.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将9.0千克碱木质素和48.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用20.0％NaOH溶液将反应体系的pH值调至11.5，加热升温至85℃后加入2.0千克三聚甲醛，反应25min后加入8.0千克脲，继续反应2.5h后降温至25℃，然后缓慢加入25.0千克20.0％氢氧化钠溶液的同时滴加8.0千克二硫化碳，反应2.0h后，升温至75℃，继续反应2.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为2.6mmol/g，相对分子质量为15000～20000，28.0℃时的溶解度为36.6g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为10.2，溶液密度为1.17g/L。

实施例8：本实施例的具体步骤如下：

1.本实施例的原料及配方(单位-千克)：

碱木质素(碱法桦木浆黑液中提取)：5.0千克

甲醛(质量分数为35.0％)：15.0千克

脲、六次甲基四胺及二亚乙基三胺混合物(质量比为8∶1∶1)：10.0千克

二硫化碳：15.0千克

氢氧化钠(质量分数为50.0％)：20.0千克

水：35.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将5.0千克碱木质素和35.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用50.0％NaOH溶液将反应体系的pH值调至11.0，加热升温至75℃后加入15.0千克甲醛，反应10min后加入10.0千克脲、六次甲基四胺及二亚乙基三胺混合物，继续反应4.5h后降温至0℃，然后缓慢加入20.0千克50.0％氢氧化钠溶液的同时滴加15.0千克二硫化碳，反应2.0h后，升温至50℃，继续反应4.0h，降温出料，所制备的产品为黑褐色粘稠液体，或是将黑褐色粘稠液体经过减压蒸馏浓缩、过滤，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为5.1mmol/g，相对分子质量为35000～450000，28.0℃时的溶解度为35.2g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为9.3，质量分数40％的溶液密度为1.23g/L。

实施例9：本实施例的具体步骤如下：

1.原料及配方(质量分数)：

碱木质素(碱法马尾松浆黑液中提取)：2.5千克

甲醛(质量分数为37.0％)：5.0千克

脲：20.0千克

二硫化碳：27.5千克

氢氧化钠溶液(质量分数为50％)：35.0千克

水：10.0千克

2.工艺步骤及工艺参数

本发明的制备在常压下进行：

先将2.5千克碱木质素和10.0千克水加入反应器中，搅拌均匀后，用浓氨水将反应体系的pH值调至10.5，加热升温至85℃后加入5.0千克甲醛，反应15min后加入20.0千克脲，继续反应2.5h后降温至20℃，然后缓慢加入35.0千克50％氢氧化钠溶液的同时滴加27.5千克二硫化碳，反应3.0h后，升温至50℃，继续反应1.5h，降温出料，所制备的产品经过减压蒸馏浓缩，并用丙酮结晶得棕褐色粉末。经检测，本发明产品中二硫代氨基甲酸盐基团的含量为6.0mmol/g，相对分子质量为25000～35000，28.0℃时的溶解度为35.7g/100g水，质量分数为1.0％时的溶液pH值为10.3，质量分数40％的溶液密度为1.24g/L。

改性木质素除油絮凝剂的红外表征：

以实施例3中的液体产品通过减压蒸馏浓缩、过滤，用丙酮结晶得棕褐色粉末，再利用甲醇沉析，并用乙醚重结晶后真空干燥至衡重，采用KBr压片法，利用Nicolet AVATAR 360型傅立叶变换红外光谱仪进行检测获得表1数据。

表1 改性木质素除油絮凝剂的红外光谱谱图分析

  样品  振动形式  吸收峰位置(cm^-1)  强度    实施例3产品  v_(O-H)  v_(C＝O)  v_(C-N)  v_(C＝S)  v_(C-S)  3325  1638  1412  990  782  S  S  S  S  S

从表1中的结果可知：改性木质素除油絮凝剂在3325cm^-1和1638cm^-1处分别出现v_(O-H)和v_(C＝O)的特征吸收峰；在1412cm^-1、990cm^-1和782cm^-1处出现v_(C-N)、v_(C＝S)和v_(C-S)的特征吸收峰，说明改性木质素除油絮凝剂含有二硫代氨基甲酸盐基团，产品的合成工艺是可行的。

改性木质素除油絮凝剂在含油废水处理中的应用：

表2含油废水的水质指标

   水质指标  ρ(油)   (mg/L)  ρ(SS)   (mg/L)  ρ(COD_Cr)   (mg/L)  ρ(色度)   (C.U)  气井废水  转井废水  356.8  489.6  509.2  756.3  2351.0  3265.2  8762  9653

表3改性木质素除油絮凝剂的处理效果

  产品                                     ρ(去除率)/％                气井废水                   转井废水  油  SS  色度  COD_Cr  油  SS  色度  COD_Cr  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  实施例7  实施例8  实施例9  91.1  93.2  88.7  87.5  94.3  90.5  88.0  89.4  95.5  93.1  95.5  90.3  89.6  96.7  93.2  90.6  92.3  97.8  89.0  90.2  87.5  90.3  87.5  91.0  88.0  91.1  90.3  73.0  75.2  70.1  73.5  75.0  73.2  70.0  72.3  75.5  92.3  93.9  89.5  87.1  95.6  91.3  89.7  89.2  96.3  92.6  93.8  90.0  87.2  96.1  91.7  87.1  95.2  96.9  82.2  89.5  80.0  89.3  87.1  88.6  80.5  87.8  89.0  75.0  74.5  67.2  73.0  70.6  71.8  65.5  70.0  74.3

注：采用烧杯实验法。除油絮凝剂的用量为35mg/L。

表4不同二硫代氨基甲酸盐型药剂的处理效果比较

  除油剂  ρ(用量)   (mg·L^-1)                                   ρ(去除率)/％               气井废水               转井废水  油  SS  色度  COD_Cr  油  SS  色度  COD_Cr  实施例5  PTC  ATC  35  35  35  94.3  91.0  95.0  96.7  92.1  96.5  87.5  83.0  85.6  75.0  71.6  73.8  95.6  92.7  95.5  96.1  91.8  96.1  87.1  85.6  88.2  70.6  65.7  71.5

注：PTC为二硫代氨基甲酸钠；ATC为二亚甲基双(二硫代氨基甲酸钠)。

从表2-表4的数据可知，本发明的改性木质素除油絮凝剂具有很好的除油絮凝效果，而且与现有的二硫代氨基甲酸盐型药剂的处理效果比较，性价比较优越。