DE68904581T2 - Staubbindemittel fuer mineralien. - Google Patents
Staubbindemittel fuer mineralien.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft das Binden von Staub und ist besonders bei der Verhinderung von Staub auf Grubenförderstraßen sowie bei anderen staubigen Materialien zweckmäßig.
- Staub in der Luft kann ein schwerwiegendes Problem im Bergbau und bei der Verarbeitung von Mineralien darstellen, da er sowohl eine Umwelt- als auch eine Gesundheitsgefährdung verursacht.
- Staub in der Luft kann von vielen Quellen herrühren, z. B. von Vorratshalden, unbefestigten Förderstraßen, Transport von Mineralien in offenen Fahrzeugen wie z. B. Eisenbahnwaggons.
- Die Aufwirbelung dieses Staubes kann gewöhnlich durch Besprühen der Materialien mit Wasser verhindert werden, was jedoch nur einen vorübergehenden Nutzen hat, der bei warmem, trockenen Klima sehr kurzlebig ist, da das Wasser rasch verdampft und der Staub erneut an die Luft freigesetzt wird. Es ist bekannt, Polymeren und andere Materialien mit einer wässrigen Lösung zu verwenden, um die Staubpartikel zu binden, nachdem das Wasser verdampft ist, und um Staubverlust zu verhindern.
- In US-P 3677014 werden in Wasser quellende Polyacrylamide in einem flüssigen Träger oder in trockener Form auf die Oberfläche von feinkörnigem Material aufgebracht, um diese zu stabilisieren und der Staubbildung vorzubeugen. Das Polymer hat ein Molekulargewicht zwischen 100.000 und etwa 4.000.000, gewöhnlich zwischen 1.000.000 und 3.000.000. Das Polymer wird vorzugsweise aus einer Lösung aufgebracht, jedoch neigt die Lösung zur Zähflüssigkeit und kann daher schwer zu handhaben und schwer effektiv aufzubringen sein. Die Polymeren sind relativ teuer, so daß deren Verwendung oftmals unökonomisch ist. Nach der ursprünglichen Aufbringung oder nach erneutem Naßwerden kann die Oberfläche klebrig oder rutschig werden, so daß sie möglicherweise unbefriedigende oder sogar gefährliche Eigenschaften aufweisen kann.
- In DE 2912326 wird ein Additiv auf Polyelektrolyt-Basis verwendet, um die Staubbindung bei der Benetzung mit Wasser zu unterstützen. Die Polymeren können anionisch oder kationisch und oftmals Acryl-Polymeren sein, z. B. solche aus Acrylamid oder -Derivaten oder Acrylsäure mit einem Molekulargewicht von 100.000 bis 10.000.000, vorzugsweise etwa 1.000.000. Anionische Polymeren (z. B. 70:30 Acrylamid: Acrylsäure-Copolymeren) haben sich als weniger zweckmäßig als die kationischen Polymeren erwiesen (z. B. 75:25 Acrylamid: Dimethylaminoethylmethacrylat).
- In US-P 4417992 werden in Wasser quellende, vernetzte Polyacrylamidgel-Teilchen aus einer Dispersion in Öl auf die Straßen, Bergwerke und auf Anhäufung von Mineralien aufgebracht, um die Staubteilchen zu binden. Das Polyacrylamid wird gegebenenfalls durch Copolymerisation z. B. mit Acrylsäure gebildet. Solche Dispersionen sind sehr teuer und deren Anwendung ist mit der Abgabe unerwünschter organischer Lösungsmittel an die Umgebung verbunden.
- Die Bindung von Staub auf Förderstraßen in Bergwerken erfordert eine sehr starke Bindung der Staubteilchen wegen der starken Mahl- und Abriebwirkung auf der Oberfläche, verursacht durch die schweren Beförderungsmittel, die diese Straßen benutzen. Starke Bindung kann durch die Behandlung mit einer Lösung eines anionischen Polymers mit hohem Molekulargewicht erreicht werden, der unmittelbar eine Behandlung mit einer Lösung eines kationischen Polymers mit hohem Molekulargewicht (oder umgekehrt) folgt. Die Co-Ausfällung der Polymeren bildet ein unlösliches Polymer, das die Staubteilchen stark bindet. Diese Art der Behandlung wäre jedoch teuer, weil die beiden Komponenten jeweils ihre eigene Aufbereitung und Aufbringungsvorrichtung erfordern. Gegenwärtig können daher die Staubbindungssysteme nach dem Trocknen relativ unwirksam sein, oder, wenn sie auf der Anwesenheit eines polymeren Bindemittels beruhen, Schwierigkeiten bei der Aufbringung bereiten, und sie können zur praktischen Anwendung zu teuer sein und/oder Klebrigkeit und/oder andere Eigenschaften verursachen, die sie zur Verwendung z. B. auf schmutzigen Fahrwegen unzweckmäßig machen. Ein besonderes Problem besteht bei dem Transport von Gütern mit einem Gehalt an feinem, teilchenförmigen Material, weil die durch die Bewegung verursachte Torsionskraft, z. B. in Eisenbahnwaggons, die brüchige Beschichtung aufbricht, die durch derzeit verfügbare staubbindende Zusammensetzungen gebildet wird. Um dieses Problem zu lösen, ist ein Staubbindemittel erforderlich, das eine flexible Schicht bildet, um der Torsionskraft zu widerstehen.
- In US-A 4690589 und US-A 4633759 wird eine wässrige Lösung einer Mischung eines wasserlöslichen, anionischen Polymers und eines wasserlöslichen nicht-ionischen Polymers auf Erde aufgetragen und unter der Oberfläche der Erde zur Ausfällung gebracht, um als ein Versiegelungsmittel zu wirken. Durch Einstellen des pH-Wertes und/oder Salzgehaltes der Lösung wird die Tiefe bestimmt, in welcher das Polymer ausfällt. Die Ausfällung wird offensichtlich durch Wechselwirkung des Polymers mit Ionen in der Erde bewirkt.
- In US-A 3520141 werden hydrolisiertes Polyacrylamid und mehrwertige Metallionen getrennt auf die Erde aufgebracht. Das Polymer wird in situ durch die Metallionen vernetzt und wirkt als ein Erd-Versiegelungsmittel.
- In US-A 4366194, US-A 4712617 und US-A 4474903 werden Polymeren auf Erde aufgetragen und durch covalente Vernetzung in situ durch Umsetzen mit einem chemischen Vernetzungsmittel vernetzt, wobei eine Erd-Versiegelung stattfindet.
- Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Stabilisierung einer Oberfläche von fein zerteiltem, teilchenförmigen Material, welches die Kombination von Teilchen eines anionischen, wasserlöslichen Polymers, das in einer nicht-wässrigen Flüssigkeit dispergiert ist, von Teilchen eines kationischen, wasserlöslichen Polymers, das in einer nicht-wässrigen Lösung dispergiert ist und ausreichend Wasser, um eine Lösung der kationischen und anionischen Polymeren zu ermöglichen, umfaßt und auch im wesentlichen das unmittelbare Auftragen der Lösung, worin die Anteile der anionischen und kationischen Polymeren 10 bis 40 oder 60 bis 90 Mol-% des anionischen Polymers und 90 bis 60 oder 40 bis 10 Mol-% des kationischen Polymers betragen, auf die Oberfläche umfaßt.
- In dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff Mol-% auf Mol der kationischen oder anionischen Gruppen.
- Die dispergierten kationischen und anionischen Polymeren können in Abwesenheit von Wasser als eine im wesentlichen wasserfreie Polymer-in-Öl-Dispersion vermischt werden, und das Wasser kann mit dieser zum Zeitpunkt der Anwendung auf der staubigen Oberfläche vermischt werden. Die Polymeren können in einer einzigen Zusammensetzung vorliegen. Alternativ können auch getrennte Dispersionen (entweder im wesentlichen wasserfrei oder mit geringem Wassergehalt) und Wasser zum Zeitpunkt der Anwendung vermischt werden. Es ist wichtig, daß bis zum Zeitpunkt der Anwendung die beiden Polymertypen in Anwesenheit von Wasser keinen Kontakt miteinander bekommen, da sie sonst vorzeitig zur Ausfällung gebracht werden können.
- Es wurde gefunden, daß diese Kombination von anionischen und kationischen Polymeren Ergebnisse hervorbringt, die überraschender Weise jenen überlegen sind, die man mit früheren Staubbindemitteln erhalten hat, und daß sie Staubteilchen durch gemeinsame Ausfällung stark bindet und ein unlösliches Polymer ergibt, das die Staubteilchen sogar nach dem Trocknen weiterhin bindet und daher wesentlich längeren Schutz bietet. Darüberhinaus ist die so erzeugte Beschichtung flexibler als bekannte Staubbindemittel und ist für den Transport von Mineralien z. B. in offenen Eisenbahnwaggons geeignet. Das Verfahren löst auch das Kostenproblem, das auftreten würde, wenn die kationischen und anionischen Polymeren separat und nacheinander aufgebracht würden.
- Äquimolare Mengen (z.B. 35 bis 40 Gew.-% anionisch mit 60 bis 65 Gew.-% kationisch) ergeben einen Niederschlag, der auf fein zerteilte, teilchenförmige Materialien nicht aufgebracht werden kann. Dieses Problem wurde durch Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gelöst. Ein Überschuß des einen Monomeren über den anderen ergibt eine dickflüssige Lösung, die unmittelbar vor der Anwendung mit Wasser verdünnt werden kann.
- Die verwendeten Polymeren können Copolymeren oder Homopolymeren sein und werden vorzugsweise aus ethylenisch ungesättigten Monomeren gebildet. Die Polymeren haben vorzugsweise ein hohes Molekulargewicht, im allgemeinen 1.000.000- 20.000.000. Die Zusammensetzung ist jedoch auch wirksam, wenn eines der Polymeren ein mittleres Molekulargewicht oder ein Molekulargewicht von 50.000 bis 1.000.000 aufweist.
- Die bei dem Verfahren verwendeten anionischen Copolymeren werden aus mindestens 20 Gew.-%, oftmals mindestens 50 Gew.- % wasserlöslichen, ethylenisch ungesättigten anionischen Monomeren, im allgemeinen mindestens 70 Gew.-% und manchmal mehr als 90 oder 95 Gew.-% anionischen Monomeren gebildet. Manchmal werden Homopolymeren bevorzugt.
- Ethylenisch ungesättigte Monomeren, die verwendet werden können, sind z. B. solche mit Carbonsäure-, Schwefelsäure-, Sulfonsäure- oder Phosphorsäuregruppen, im allgemeinen Monomeren mit Sulfon- oder Carbonsäuregruppen oder Derivate. Acrylmonomeren werden bevorzugt. Beispiele von Carbonsäuren sind Malein-, Itacon-und Crotonsäure, mehr bevorzugt Acryl- und Methacrylsäure. Sulfonsäuren, die verwendet werden können sind z. B. Acrylamidoalkylsulfonsäuren wie 2-Acrylamido-2- methylpropansulfonsäure oder Allylsulfonate. Die Einheiten, die sich von den anionischen Monomeren ableiten, liegen im allgemeinen in Form eines wasserlöslichen Metall-, Amin- oder Ammoniumsalzes vor, vorzugsweise als Alkalimetallsalz, mehr bevorzugt als Natriumsalz.
- Geeignete kationische Monomeren umfassen jene, die aus Aminoalkylderivaten gebildet werden, z. B. Dialkylaminoalkylderivate von Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure oder Methacrylsäure. Diese Derivate sind vorzugsweise quaternisiert. Im allgemeinen wird die Quaternisierung oder andere Derivat-bildende Schritte am Monomer vor der Polymerisation durchgeführt, sie können aber auch am Polymer selbst erfolgen. Das kationische Polymer kann auch ein Homopolymer oder ein Copolymer mit den gewünschten kationischen Eigenschaften sein. Z. B. kann es ein Copolymer eines kationischen Monomers mit einem nicht-ionischen Monomer wie z. B. Acrylamid oder Methacrylamid sein. Gewöhnlich wird das kationische Polymer mit mindestens 20 Gew.-% kationischem Monomer, oft mindestens 40 oder 50 Gew.-%, gebildet.
- Im allgemeinen wird bevorzugt, daß das anionische Polymer in größeren molaren Mengen als das kationische Polymer vorliegt. Bei einem bevorzugten Verfahren beträgt der Anteil an anionischem Polymer von 40 bis 95 Gew.-% des gesamten Polymers.
- Es ist erforderlich, daß die Zusammensetzung im wesentlichen nicht-wässrig bleibt, damit die beiden Formen der Polymeren in der flüssigen Dispersion nicht miteinander reagieren.
- Das Polymer kann mit jedem herkömmlichen Polymerisationsverfahren in gewünschtem Molekulargewicht hergestellt werden. Das geeignetste Verfahren ist die Umkehrphasenpolymerisation. Alternativ kannn das Polymer auch durch Gelpolymerisation hergestellt und dann zerkleinert und in Öl dispergiert werden.
- Die nicht-wässrige Dispersion der anionischen und kationischen Polymeren kann dann in der geeigneten Menge vermischt und die Zusammensetzung an den Verbraucher zur Verdünnung mit Wasser unmittelbar vor der Anwendung geliefert werden. Alternativ können die anionischen und kationischen polymeren Dispersionen auch separat zum Mischen und Verdünnen in Wasser unmittelbar vor der Anwendung geliefert werden. Die Lösung kann auf die Oberfläche aufgestrichen oder gegossen werden, wird im allgemeinen jedoch aufgesprüht. Das Polymer wird im allgemeinen auf die Oberfläche in einer Menge von 5 bis 100 g des trockenen Polymers/m² angewendet.
- Die Erfindung ist zur Staubbindung auf einem weiten Gebiet von Oberflächen aus teilchenförmigem Material geeignet. Da die erreichte Bindekraft sehr stark und nach dem Trocknen relativ flexibel ist, ist sie besonders für unbefestigte Förderstraßen geeignet und kann auch als Versiegelung für Vorratslager verwendet werden. Die Erfindung ist besonders für die Staubbindung bei sich bewegenden Oberflächen wertvoll, z. B. als Versiegelung für Eisenbahnwaggons und für andere Transportmittel und ebenso für unbefestigte Straßen und Wege, wobei das teilchenförmige Material Erde, sandige Erde oder eine andere Oberfläche in Form von Partikeln ist. Das kann z. B, Kohle, Eisen- oder andere Metallerze, Porzellanerde oder anderer Ton, Zement oder Kalk sein.
- Um maximale Staubbindungseigenschaften auf der Oberfläche von teilchenförmigem Material zu erhalten, kann es notwendig werden, das Besprühen oder Benetzen der Oberfläche zu wiederholen, wobei wahlweise die Oberfläche zwischen jeder Anwendung getrocknet werden kann. Wenn sich die Staubbindungseigenschaften verschlechtern, können sie in gleicher Weise wieder hergestellt werden.
- Die folgenden Beispiele und Ergebnisse beschreiben die staubbindende Wirkung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung.
- Die erfindungsgemäß verwendete Zusammensetzung wird
- (A) durch Mischen nicht-wässriger Dispersionen eines anionischen und eines kationischen Polymers hergestellt und umfaßt 50 Gew.-% eines kationischen Copolymers aus 42 Gew.-% Dimethyllaminoethylacrylat und 58 Gew.-% Acrylamid, und 50 Gew.- % eines anionischen Polymers aus 40% Natriumacrylat und 60 Gew.-% Acrylamid. Damit beträgt der Molprozentsatz von anionischen zu kationischem Polymer in der Zusammensetzung 66 % zu 33 %.
- Die Zusammensetzung B ist eine bekannte Art von Staubbindemittel, das Polyacrylamid umfaßt, wie dies in US-P 3.677.014 und 4.417.992 beschrieben worden ist.
- Die Wirksamkeit dieser zwei Staubbindemittel wurde mittels der folgenden Testverfahren bewertet:
- Eine Probe von 20 g Straßenstaub wurde in ein Becherglas gegeben. Es wurden 2,9 cm³ einer 0,5 %igen aktiven staubbindenden Lösung zugegeben und mit einer Spatel vollständig vermischt. Die Probe wurde dann in eine 1,5 inch-Tablettenstanze gegeben und bei 1,38 x 10&sup6;Nm&supmin;² (200 psi) 60 Sekunden gepreßt. Man ließ die Tablette 48 Stunden bei Raumtemperatur trocknen.
- Die getrocknete Tablette wurde dann in ein Kunststoffgefäß von 100 cm² gegeben und auf einer Drehscheibe geschleudert. In Intervallen von 1 Minute wurde die Tablette entfernt und gewogen, um die Materialmenge zu bestimmen, die in Tablettenform übriggeblieben war. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 angegeben.
- Der Versuch wurde unter Verwendung einer 1 %igen aktiven staubbindenden Lösung wiederholt, und diese Ergebnisse werden in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1 0,5 %ige aktive Lösung % von in Tablettenform übriggebliebenem Staub Produkt Tabelle 2 1 %ige aktive Lösung % von in Tablettenform übriggebliebenem Staub Produkt
- Aus diesen Ergebnissen kann man ersehen, daß das erfindungsgemäße Produkt eine den bisher bekannten Staubbindemitteln überlegene Wirksamkeit aufweist, da es eine stärkere Anfangsbindung und eine längere effektive Lebensdauer verleiht.
Claims (11)
1. Verfahren zur Stabilisierung einer Oberfläche von
feinzerteiltem, teilchenförmigen Material, bei dem
a) Teilchen eines anionischen, wasserlöslichen Polymers,
dispergiert in einer nicht-wässrigen Flüssigkeit,
b) Teilchen eines kationischen, wasserlöslichen Polymers,
dispergiert in einer nicht-wässrigen Flüssigkeit und
c) Wasser vermischt werden, um eine Lösung von 10 bis 40
oder 60 bis 90 Mol-% eines anionischen Polymers und 90
bis 60 oder 40 bis 10 Mol-% eines kationischen Polymers
zu erhalten,
und unmittelbar danach die Lösung auf die Oberfläche
aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die kationischen und
anionischen Polymeren in Abwesenheit von Wasser zusammen
vermischt werden, und die Mischung dann mit Wasser
kombiniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin eines oder
vorzugsweise beide Polymeren ein Molekulargewicht im
Bereich von 1.000.000 bis 20.000.000 aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
eines oder vorzugsweise beide der Polymeren aus
ethylenisch ungesättigten Monomeren gebildet worden sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
das anionische Polymer aus 50 bis 100 Gew.-% eines
wasserlöslichen ethylenisch ungesättigten anionischen
Monomers, vorzugsweise aus mindestens 70 Gew.-%,
insbesondere aus mindestens 90 Gew.-%, wahlweise mit bis
zu 50 % eines nicht-ionischen Co-Monomers gebildet worden
ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
das anionische Polymer aus ethylenisch ungesättigten
Sulfonsäure- oder Carbonsäure-Monomeren, vorzugsweise
Acrylsäure, gebildet worden ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
das kationische Polymer aus ethylenisch ungesättigten
Monomeren, ausgewählt aus -vorzugsweise quaternisierten-
Dialkylaminoalkylderivaten von (Meth)acrylamid- bzw.
(Meth)acrylsäure gebildet worden ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
das anionische Polymer in einer Menge im Bereich von 60
bis 90 Mol-% und das kationische Polymer in einer Menge
im Bereich von 40 bis 10 Mol-% des gesamten Polymers
anwesend ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
die Lösung auf die Oberfläche gesprüht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
die Lösung in einer Menge im Bereich von 5 bis 100 g
trockenes Polymer pro m² der Oberfläche aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
die Oberfläche, auf welche die Lösung aufgebracht wird,
eine sich bewegende Oberfläche ist, vorzugsweise die
Oberfläche von teilchenförmigem Material, das zu
transportieren ist.
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