液体和气体提纯及过滤工艺 本发明涉及从液体和气体中除去有机和其它污染物，尤其是(但不是唯一的)涉及通过过滤系统除去这些污染物。
为了处理像油溢出和泄漏，特别是在海上的这类问题，在石油化学工业中，人们已经研究出了多种方案。举例来说，有些采用洗涤剂的方法仅仅是为了在造成太大的损害之前尽可能快地将溢出的油分散开。但是优选地是将油从水中除去，而不是让它扩散，这是因为油中存在多种有毒成分，它们会对环境造成危害。已经知道可以采用基于纤维素的颗粒材料，这种材料具有吸油性，它们可以是适宜喷洒到溢出油上面的形式。一旦将油吸附起来，将该材料集中起来并且将其焚烧。
油溢出不仅仅是石油化学工业所面临的环境问题。还存在许多种情况，此时需要在将水作为废水排放之前由形成的水和溢出的水中除去包括有机污染物(如烃)和重金属杂质在内的成分。
人们还需要从除了水以外的液体中以及从气体(如空气)中除去污染物。
根据本发明的第一个方面，它提供了一种材料，该材料由基本上由纤维素纤维形成的一种基础材料组成，在该纤维素纤维上吸附了一种组合物，该组合物由一种或多种脂族羧酸组成，该羧酸具有由8-20个碳原子组成的烃链。
在优选地实施方案中，一种或多种羧酸的烃链由10-18个碳原子组成。已经发现特别有效的羧酸包括硬脂酸CH3(CH2)16COOH和棕榈酸CH3(CH2)14COOH。
根据本发明的第二个方面，它提供了一种制备材料的方法，该材料由基本上由纤维素纤维形成的一种基础材料组成，在该纤维素纤维上吸附了一种组合物，该组合物由一种或多种脂族羧酸组成，该羧酸具有由8-20个碳原子组成的烃链，其中将一种或多种纤维素材料与一种或多种羧酸的粉末一起混合。
本发明的第一个方面的材料可以通过将一种或多种纤维素材料，如原木浆和木屑与一种或多种粉末状羧酸以及任选地乳胶一起混合而形成。该混合优选地是在锤磨机中进行，在该锤磨机中，热和摩擦有助于羧酸吸附在纤维素纤维上。可以认为羧酸通过羧基-COOH官能团而吸附在纤维素纤维地表面上，可以通过氢键，也可以通过形成含有-O-CO-R基团的纤维素酯，该基团是用纤维素环上的羟基-OH形成的。但是羧酸与纤维素纤维结合在一起，结果使本发明的第一方面的材料由纤维素纤维组成，从该纤维中伸出疏水的烃链。当将该材料施加在水和烃污染物的混合物上时，羧酸残基的疏水烃部分可以将烃污染物吸附到该材料上并且排除水，从而获得所需的分离。然后可以将导入了烃污染物的材料集中起来并且作为燃料使用。
根据本发明的第三个方面，它提供了一种过滤材料，该材料由其中分散了根据本发明的第一个方面的材料的颗粒的基质组成。
该基质可以由多种材料制成，包括无纺织物材料，开孔发泡材料或棉或粘胶网。较为有利的是，该未加载的基质的密度不大于0.25克/立方厘米，优选地为0.01-0.18克/立方厘米。特别优选的基质的厚度为约3毫米，密度为0.1克/立方厘米。本发明的第一个方面的材料的颗粒可以通过如EP0504214中所说的压力梯度轰击而导入到基质中，该专利的内容作为参考而引入到本申请中。通过将本发明的第一方面的材料导入到基质中以形成一种过滤材料，可以增加活性表面积，从而有助于提高效率。此外，由于将其保持在基质中，因此可以降低该材料在被污染的流体中的分散。在某些方案中，可以将过滤基质块加载到约1公斤/平方米，而在某些情况下已经发现0.925公斤/平方米的密度是特别有效的。在其它一些方案中，已经发现约0.5公斤/平方米的密度是有效的，特别是当过滤基质块的厚度为3-4毫米时。一旦该过滤材料被污染物饱和，可以相当简单地取下该过滤器并且换上一个新的。
该过滤材料可以携带其自身重量两倍的烃类，因此它可以作为能源，例如在水泥窑中。在某些情况下，可以将用过的过滤材料破碎成可以流动并且作为燃料喷入到炉子中的形式。
可以将该过滤材料切割成适宜安装在过滤装置中的形状，如圆片状。特别优选地是过滤柱，它由其上安装了过滤板和本发明的第三个方面的过滤材料片的交替叠层空芯组成，其中该过滤板可以使流体由过滤柱的四周区域通过过滤材料片流动到空芯中。
或者，过滤器筒可以设计成将过滤材料层围绕中央芯而固定。举例来说，可以采用带孔的管状芯、并用过滤材料层覆盖它、采用一层保护外层以使流体流进或流出该筒以及用两个端盖固定整个部件而形成圆筒形筒。流体可以由中央芯向外或由外向中央芯从该圆筒中的过滤材料中通过。
可以在过滤箱中安装一个或多个这类过滤筒，该过滤箱可以由中间被一个支承体的内部分割成两个腔室的套组成，该支承体至少支承一个过滤筒，其结构被设计成使流体通过流过空心管状芯和至少一个筒的过滤材料，仅仅可以由一个室流动到另一个室中。
还可以用本发明的第一个方面的材料直接填塞上述过滤筒，而不必采用过滤基质。
根据本发明的第四个方面，它提供了一种清洗流体的方法，它是将流体与一种材料接触，该材料由基本上由纤维素形成的一种基础材料组成，在该纤维素上吸附了一种组合物，该组合物由一种或多种脂肪族羧酸组成，该羧酸具有由8-20个碳原子组成的烃链，其中将一种或多种纤维素材料与一种或多种羧酸的粉末一起混合。
可以通过该方法清洗的流体包括气体、如空气，和液体，如水。该材料可以是松散形式的，如根据本发明的第一个方面的材料，根据本发明的第三个方面，该材料也可以固定在基质中。
为了更好地说明本发明以及说明它是如何工作的，可以参照附图，其中：
图1表示导入本发明的第一个方面的材料的1码规模的过滤器装置的截面图；
图2是导入本发明的第三个方面的过滤材料的过滤柱的分解图；
图3表示图2中过滤板的细节；
图4表示包括与图2相似的过滤柱的试验线路；
图5表示导入本发明的第三个方面的过滤材料的过滤筒；
图6表示导入图5中的过滤筒的箱；
图7表示图6中箱的截面图；
图8表示导入图6和图7中的两个箱的过滤通道；
图9表示导入图6和图7中的8个箱的过滤通道；
图10表示采用8箱过滤通道对干涉时间作图的流速/污染数据的变化。
初始的小规模试验
一开始描述了根据本发明的第一个方面的的材料进行小规模实验室分析的结果。对由不同种类的纤维素制成的材料柱上的压力差进行测定，以计算不同基体的渗透性和孔隙性。在40天流动以后，所选定的种类其压力差没有增加。一种特别适用的木屑种类是平均颗粒尺寸为30毫米的软木屑。
实验室规模的烃过滤试验证实该材料的除油性能。该试验的两个实施例如下：实施例1：通过装有12克材料的柱除去溶解的烃
将575毫升Inde K浓缩液加入到10升人工合成的水(Brent配方)中并且用均化器强烈搅拌。然后将单独的试样(升)排水，每一份保留100毫升用于进行三次峰值分析，以测定在过滤之前溶解的烃含量，并且将余下的试样加入到安装在柱上方的分离漏斗中。在过滤后的水中进行三次峰值分析，以获得之前和之后的数据。其结果示于表1中：
表1 试样(升)除去的所溶解的烃％ 第一 86 第二 72 第三 83 第四 67 第五 82 第六 59 第七 75 第八 75实施例2：对来自脱盐工厂的被烃污染的干盐进行处理
将0.3公斤盐加入到1升纯水中而使盐重新水化并且以1升/分钟的速度经过12克材料。其结果示于表2和3中。
表2 烃/ppm 之前 之后试样1 2826 2试样2 4481 3
表3 烃/ppm 之前 之后试样3 1110 18 1 0试样4 636 13 1 0
这种小规模的分析可以用来识别在长时间内保持渗透性、吸附大量烃并且是100％可焚烧的基体的物理性能。因此现在可以开始较大规模的试验了。通过工厂规模的过滤器进行过滤试验
图1表示在下列分析中使用的工厂规模的装置。该装置包括用于将被污染的水通过流量仪(2)抽送到安装在过滤床(4)上方的分散器(3)中的泵(1)，所说的过滤床用一定量的根据本发明的第一个方面的材料(5)制成。过滤床(4)位于容器(6)中，经过过滤的水由该容器经过试样阀(7)流动到排放管(8)。实施例3
由Sean Papa平台提供真实制得的水并且将1000升水以10升/分钟的速度过滤批量经过0.5公斤材料。在每批水之前取样并且每隔10分钟获取经过过滤的水的试样。典型的结果示于表4和5中。
表4 试样 烃/ppm 溶解的 总量 ％降低预过滤物B 1870 26723过滤物B1 20 338 98过滤物B2 15 453 98过滤物B3 11 432 99过滤物B4 10 381 99过滤物B5 7 367 99过滤物B6 8 374 99过滤物B7 6 354 99过滤物B8 2 341 99过滤物B9 6 432 98过滤物B10 1 314 99
表5 试样 烃/ppm 溶解的 总量 ％降低预过滤D 211 1409过滤物D1 9 28 98过滤物D2 5 27 98过滤物D3 4 25 99过滤物D4 3 28 99过滤物D5 4 27 99过滤物D6 4 28 99过滤物D7 2 27 99过滤物D8 2 28 99过滤物D9 2 27 98过滤物D10 1 26 99
在这些试验中，水均没有经过任何预过滤装置或离心装置，因此其总的烃含量(26723-1409ppm)高于预计的量。但是在一次通过该过滤器以后，总的烃量平均下降90％以上。
特别是，所溶解的部分平均下降92％。
典型的固体悬浮物为245ppm。形成过滤板
现在讨论本发明的第三个方面的过滤材料的运用。
将本发明的第三个方面的材料的颗粒物经过一种可以将松散的产品粘接形成例如一种粘胶或棉网的系统中，从而形成3毫米厚的毡块，将该毡块切割成可以安装在现有的过滤器形状(典型地为圆片)。
形成这种板的工艺增加了该材料可用的表面积，从而改善了性能。
可以采用更长的试验过程来测定在工业上可变化的过滤系统中制造级圆片的性能。可以将圆片安装在如图2中所示的过滤柱中，这种过滤柱由过滤板(9)和安装在空心中央芯(12)上的过滤材料圆片(10)的交替叠层组成，它们整个被端板(11)加压并且放置在合适的容器(未示出)中。图3更加详细地表示了过滤板(9)。将被污染的流体施加到过滤柱上，从而使其流入每一块过滤板(9)的外沿，由此在进入空心中央芯(12)进行提取之前经过相邻的过滤圆片(10)。实施例4：
将2000升带有22ppm悬浮固体(平均尺寸为2.5-19微米)的合成水过滤经过如图2中所示的圆片过滤柱，该过滤柱中装有16块过滤材料圆片(10)，在过滤之前和之后取样。采用两个不同的流速进行两次试验，系列Ⅰ在48升/分钟下，而系列Ⅱ在10升/分钟下，所获得的结果示于表6和7中，表8表示所提供的浓缩液的分析结果。
表6
系列Ⅰ除去烃
48升/分钟 ppm溶解的分散的总量降低％预过滤物 27 489 516分钟 10 6 10 16 97分钟 15 5 17 22 96分钟 20 8 19 27 95分钟 25 8 34 42 92
表7
系列Ⅱ除去烃
10升/分钟 ppm溶解的分散的总量降低％预过滤物 52 792 844分钟 10 6 11 17 98分钟 15 13 15 28 97分钟 20 6 16 22 97分钟 25 6 15 21 98
表8
浓缩液组成 组成 ％重量 C1 ＜0.01 C2 0.04 C3 0.16 异-C4 0.17 正-C4 0.33 新-C5 0.04 异-C5 0.37 正-C5 0.45 环-C6 0.08 C6 1.99 苯 1.62 C7 3.55 甲苯 2.08 C8 3.70 乙基-苯 0.53 二甲苯 3.42 C9 3.75 异丙基苯 0.98 1,2,4三甲基苯 1.90 C10 6.65 C11 9.74 C12 8.90 C13 9.52 C14 8.96 C15 8.10 C16 5.23 C17 4.80 C18 3.54 C19 2.48 C20 1.78 C21 1.32 C22 0.98 C23 0.69 C24 0.60 C25 0.37 C26 0.34 C27 0.32 C28 0.26 C29 0.19 C30 0.07
在下列实施例中，目的是为了获得对于给定量的过滤材料圆片使其被烃饱和的时间以及连续地对烃除去性能进行监测。这些试验采用荧光在线烃监测仪器进行的。实施例5
采用16片根据本发明第一方面的原始材料制得的过滤器来处理水中500ppm浓缩物。这一点可以通过将油均匀分散的25升静止的水中而实现。实验室荧光仪记录如下：
第一循环：以5升/分钟的速度除去93.5％
第二循环：以5升/分钟的速度除去96％
第三循环：以5升/分钟的速度除去＞87％。
如图4中的线路所示，改变用于将油分散在水中的手段，图4中的线路包括掺杂物计量泵(13)，过滤柱(15)和取样容器(16)，其中取样容器(16)产生溢流和受到监测的液流，后一种液流流过用来通过荧光测试烃的存在的在线监测仪(17)。
制造生产级过滤圆片，以用于未来可重复工业化生产的试验，其重量为1000克/平方米。实施例6
在该实施例中，重复使用在实施例5中所用的过滤柱和圆片。将16片过滤器在线连接到工艺监测仪上，该监测仪已经用精确的浓缩物校准。将被烃污染的液流在强烈混合以后抽送经过16片过滤器。
将污染物以不变的速度通过正位移泵喷入到流入的水中，直接进入均化泵的喉管中。将出口的压力控制在98psi下。直接通过下降的液流室而获取用于在线分析的试样；在过滤之前和之后获取用于实验室分析的试样。
对于第一个连续的试验来说，将浓缩物的测定校准到水中500ppm，平均液滴尺寸小于10微米。在接下来的2小时中，过滤器以8升/分钟的速度连续地除去水中＞90％的浓缩物。图4中所示的实验线路被证明是令人满意的用于未来测试效果和过滤器能力的系统。
在下列试验中采用生产级过滤圆片。实施例7
以4升/分钟的速度将在水中的常规300ppm浓缩物流过新的过滤柱，其结果示于表9中。
表9经过的时间(小时)通过过滤器(升/分钟)监测的进口浓度/ppm测定的出口浓度/ppm％去除率 0.00 4.02 312 16 95 2.50 4.05 305 18 94 3.75 4.05 310 20 94实施例8
以4升/分钟的速度重复300ppm试验，但采用新的过滤圆片。该试验在显示出达到饱和的信号之前进行了7小时，其结果示于表10中。
表10经过的时间(小时)通过过滤器(升/分钟)监测的进口浓度/ppm测定的出口浓度/ppm％去除率 0.00 4.02 310 1.00 4.02 307 6 98 1.50 4.00 295 6 98 2.25 3.97 312 8 97 3.25 4.00 312 10 97 4.25 4.00 308 12 96 5.25 4.05 310 13 96 7.00 3.98 312 18 94实施例9
以相同的体积流速将常规500ppm浓缩物流过上述过滤器叠层，从而加速饱和，其结果示于表11中。该过滤柱显示出失败的信号。
表11经过的时间(小时)通过过滤器(升/分钟)监测的进口浓度/ppm测定的出口浓度/ppm％去除率 7.00 4.05 498 18 96 7.25 4.05 498 18 96 8.00 4.03 496 35 93 8.25 4.03 498 88 82实施例10
以6升/分钟的速度将常规500ppm浓缩物流过过滤器叠层，其结果示于表12中。
表12经过的时间(小时)通过过滤器(升/分钟)监测的进口浓度/ppm测定的出口浓度/ppm％去除率 0.00 6.51 515 0.50 6.32 515 11 98 1.00 6.42 515 14 97 2.00 6.35 513 14 97 3.00 6.42 516 22 96 3.50 6.46 514 26 95 4.50 6.42 514 46 91 5.67 6.42 513 62 87实施例11：除去乙二醇
将采用18”过滤圆片的更大的过滤器套连接到如图2中所示的试验装置中。提供被烃污染的乙二醇，将该混合物喷入到14升/分钟的总液流中。
该污染水平超过了标准的在线监测器的核定范围，但是可以采用4-20mA输出值来监测过滤器输入流动的变化。在过滤之前和之后获取手工分析样品。其结果示于表13中。
在整个试验过程中，将过滤器以17psi操作。将过滤元件在线操作150分钟。
表13 ppm预过滤器后过滤器 降低％乙二醇MEG 4520 797 82乙二醇MEG 4566 831 82分散的烃 95 0 100溶解的烃 7 0 100实施例12：金属去除
在该实施例中，采用具有下列金属含量的水：
镍：1.75ppm
铜：0.50ppm
锌：0.40ppm
铅：0.30ppm
并且将下列物质加入到水中：
浓缩物：0.50ppm
Leman淤泥：50ppm
在过滤之前和之后获取试样，其结果示于表14中。预先经过过滤的水中金属含量的增加是由于浓缩物和淤泥中的金属而造成的。
表14 ppm预过滤器后过滤器 降低％ 镍 1.77 0.52 71 铜 0.62 0.14 71 锌 2.9 0.25 57 铅 0.42 ＜0.05 88形成过滤器筒：
作为上述圆片过滤柱的替代物，可以采用含有一个或多个过滤筒的箱。如图5中所示，通过将过滤材料(19)固定在管状芯(20)周围并且加上保护性外层(21)以及端盖(22)而形成筒(18)。该保护性外层(21)和芯(20)上带有孔(23、24)，从而使过滤物通过，可以由筒(18)的外面经过过滤材料(19)而进入到芯(20)的里面，反之亦然。
典型的筒(18)的直径为215毫米、长度为1300毫米，内径为50mm，它可以装入10.98公斤密度为0.925公斤/平方米的密封固定的过滤材料板。实施例13
图6和7表示箱(25)，其中在载体(26)上安装了过滤筒(18)。支承体(26)可以使过滤物由箱(25)的底部(27)仅仅流入简(18)的空心芯(20)中。然后过滤物流过过滤材料(19)并且流入箱(25)的顶部(28)，顶部(28)支承体(26)与箱(25)的底部(27)隔开，由此通过出口(29)而排出箱(25)。实施例14
图8表示由两个过滤箱(25)组成的过滤通道(30)，图9表示由8个过滤箱(25)组成的过滤通道(31)。图8和图9没有按比例示意。箱(25)通过使连接管(32)交替地歧路化可以以多种结构串联或并联。典型的8箱通道(31)可以在4巴工作压力下承受120立方米/小时以下的流速。
表15表示采用8箱通道(31)获得的结果，其中每一个箱(25)由10个过滤筒(18)组成并且根据下列说明进行操作：
每个筒的过滤材料的重量：10.98公斤
每个容器的过滤材料的重量：109.8公斤
通道中过滤材料的重量：878.4公斤
油污染量：500毫克/升
油吸附：90％
MEG污染量：500毫克/升
MEG吸附：80％
流速：1656升/小时
表15 流量 升/小时 排出 留下的杂质 干涉通过过滤器毫克/升公斤/天公斤/年毫克/升公斤/天天 1656 150 5.96 2176 850 33.79 52.00
图10表示对于采用本发明的第三个方面的过滤材料的典型的8箱过滤通道来说流速对污染量和干涉时间的变化图。