НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ, СОДЕРЖАЩИЕ ФОСФОР ПОЛИАКРИЛОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ ИНГИБИТОРОВ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДОПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМАХ Российский патент 2016 года по МПК C08F220/06 C08F2/38 C08F2/10 C08L33/02 C02F5/14 

Изобретение относится к низкомолекулярным, содержащим фосфор полиакриловым кислотам, к содержащим их водным растворам, способу их получения, а также к их применению в качестве ингибиторов отложений в водопроводящих системах.

Растворимость в воде большинства веществ ограничена. В особенности при промышленной обработке воды важно предотвращение минеральных отложений в водопроводящих системах. Неорганические вещества и соли, как например, карбонат кальция и магния, гидроксид магния, сульфат кальция и бария и фосфат кальция обладают малой растворимостью в воде. Если наступает концентрация этих растворенных веществ в водных системах, то их продукт растворимости превышается с последствием того, что эти ингредиенты выпадают в осадок, что приводит к отложениям. Растворимость этих веществ зависит от температуры и значения pH. Повышение температуры и/или значения pH могут быть причиной образования нежелательного выпадения в осадок и отложений в охлаждающих и системах питательной воды для котлов, на теплопередающих поверхностях или в трубопроводах.

Выпадение осадков и отложение сульфата кальция в водопроводящих системах следует в особой степени предотвращать, так как они с трудом могут удаляться. Использование дорогих и связанных с затратами времени сильных комплексообразователей, таких как ЭДТА, как правило, необходимо, так как посредством стандартных способов, таких как механическая очистка или применение кислот удаление отложений не является удовлетворительным.

Не только в охлаждающих и котловых питательных водных системах пытаются предотвращать образование отложений сульфата кальция и других солей. Также при обессоливании морской воды посредством дистилляции и мембранного способа, такого как реверсивный осмос или электродиализ, стремятся предотвращать образование этих твердых отложений.

Известно, что полученные посредством радикальной полимеризации низкомолекулярные полиакриловые кислоты и их соли вследствие их диспергирующих или ингибирующих рост кристаллов свойств находят применение в качестве ингибитора отложений в промышленной обработке воды и при обессоливании морской воды. Для хорошего действия средний молекулярный вес (M_w) этих полимеров должен быть <50000. Часто особенно эффективны полиакриловые кислоты с M_w<10000. Для получения низкомолекулярных полиакриловых кислот добавляются регуляторы молекулярного веса, соответственно средства переноса цепей во время радикальной полимеризации акриловой кислоты. Эти регуляторы должны быть согласованы с инициатором полимеризации, а также с процессом полимеризации. Инициаторами являются, например, органические и неорганические перекисные соединения, такие как пероксодисульфаты (персульфаты), перекиси, гидроперекиси и сложные перэфиры, азосоединения, такие как 2,2′-азобисизобутиронитрил и окислительно-восстановительные системы с органическими и неорганическими компонентами. В качестве регуляторов часто используются неорганические серные соединения, такие как гидросульфиты, дисульфиты и дитиониты, органические сульфид, сульфоксиды, сульфоны и меркаптосоединения, такие как меркаптоэтанол, меркаптоуксусная кислота, также неорганические фосфорные соединения, как гипофосфористая кислота (фосфиновая кислота) и ее соли (например, гипофосфит натрия).

Заявка EP-A 405818 раскрывает способ получения полимеров из моноэтилено-ненасыщенных монокарбоновых кислот и при необходимости дальнейших мономеров с персульфатом натрия в качестве стартера в присутствии гипофосфита в качестве регулятора, при котором во время полимеризации добавляется щелочное нейтрализующее средство в количестве, которое достаточно, чтобы нейтрализовать по меньшей мере 20% кислых групп. Полученные низкомолекулярные полимеры содержат по меньшей мере 80% происходящего от гипофосфината фосфора. По меньшей мере 70% фосфора имеются в качестве диалкилфосфината внутри полимерной цепи. Полученные таким образом полимеры используются среди прочего в качестве присадок к моющим средствам, диспергирующего средства для глинной взвеси или ингибитора осаждений при водообработке.

В примерах акриловая кислота полимеризуется в воде в приточном режиме в присутствии гипофосфата в качестве регулятора и персульфата натрия в качестве стартера, причем во время полимеризации подается натровый щелок в качестве дальнейшего непрерывного притока. Получают водную полиакриловую кислоту с весосредним молекулярным весом M_w 2700 г/моль, которая содержит 72% содержащегося в гипофосфате натрия фосфора в качестве диалкилфосфината, 18% в качестве моноалкилфосфината и 10% в форме неорганических солей. В сравнительном примере отказываются от притока натрового щелока и только после окончания полимеризации нейтрализуют натровым щелоком. При этом получают водную полиакриловую кислоту со средним молекулярным весом M_w 4320 г/моль, которая содержит только 45% содержащегося в гипофосфите натрия фосфора в качестве диалкилфофината, 25% в качестве моноалкилфосфината и 30% в форме неорганических солей.

Заявка EP-A 0510831 раскрывает способ получения полимеров из моноэтилено-ненасыщенных монокарбоновых кислот, моноэтилено-ненасыщенных дикарбоновых кислот и при необходимости дальнейших мономеров, которые не содержат карбоксигрупп, в присутствии гипофосфористой кислоты в качестве средства передачи цепи. По меньшей мере 40% встроенного в полимер фосфора имелось в качестве моноалкилфосфината и моноалкилфосфоната на конце полимерной цепи. Сополимеры могут применяться в качестве диспергирующих средств, ингибитора отложений и присадок к моющим средствам.

Заявка EP-A 0618240 раскрывает способ полимеризации мономеров в воде в присутствии водорастворимого инициатора и гипофосфористой кислоты или одной из ее солей. Способ проводится так, что в конце полимеризации содержание полимеров составляет по меньшей мере 50 вес.%. Таким методом удается повысить количество происходящего от гипофосфита, встроенного в полимер фосфора. Он имеется в форме диалкилфосфината, моноалкилфосфината, а также моноалкилфосфоната в полимере. Данных о распределении фосфора не приводится. Сополимеры находят применение в качестве диспергирующего средства, ингибиторов отложений и присадок к моющим средствам.

Заявка EP-A 1074293 описывает имеющую фосфонат на конце полиакриловую кислоту с молекулярным весом M_w 2000 до 5800 г/моль в качестве диспергирующего средства для получения водных суспензий карбоната кальция, каолина, глины, талька и оксидов металлов с содержанием твердого вещества по меньшей мере 60 вес.%.

Задачей изобретения является предоставление в распоряжение низкомолекулярных полиакриловых кислот с улучшенным ингибирующим отложения свойством, которые эффективно препятствуют выпадению осадков и отложениям сульфата кальция в водовпроводящих системах, а также способа их получения.

Эта задача решается водными растворами полимеров акриловой кислоты, получаемыми полимеризацией в воде в качестве растворителя акриловой кислоты в приточном режиме с пероксодисульфатом в качестве стартера и в присутствии гипофосфита в качестве регулятора, причем

(i) берут воду и, в случае необходимости, один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров, и

(ii) непрерывно добавляют акриловую кислоту в кислой, не нейтрализированной форме, в случае необходимости один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров, водный раствор пероксодисульфата и водный раствор гипофосфита и

(iii) после окончания притока акриловой кислоты к полученному раствору подают основание, причем содержание сомономеров не превышает 30 вес.%, в пересчете на общее содержание мономеров.

Объектом изобретения является также способ получения водных растворов посредством полимеризации в воде в качестве растворителя акриловой кислоты в приточном режиме с пероксодисульфатом в качестве стартера и в присутствии гипофосфита в качестве регулятора, при котором берут воду и в случае необходимости один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров и непрерывно подают акриловую кислоту в кислой, не нейтрализованной форме, в случае необходимости один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров, водный раствор пероксодисульфата и водный раствор гипофосфата, и после окончания притока акриловой кислоты полученный раствор по меньшей мере частично нейтрализуют, причем содержание сомономеров не превышает 30 вес.%, в пересчете на общее содержание мономеров.

В общем берут воду и нагревают до температуры реакции по меньшей мере 75°C, предпочтительно до 95-105°C. При температурах ниже 75°C пероксодисульфат в общем больше не распадается с достаточной скоростью. Дополнительно можно еще добавлять водный раствор фосфористой кислоты в качестве ингибитора коррозии.

В заключение осуществляют непрерывные притоки акриловой кислоты, в случае необходимости дальнейшего этиленно-ненасыщенного мономера, стартера и регулятора. Акриловая кислота подается в не нейтрализованной, кислой форме. В общем притоки осуществляют одновременно. Как пероксодисульфат в качестве стартера, так и гипофосфит в качестве регулятора применяются в форме своих водных растворов. Пероксодисульфат используется в общем в форме соли натрия или соли аммония. Гипофосфит может применяться в форме гипофосфористой кислоты (фосфиновой кислоты) или в форме солей гипофосфористой кислоты. Особенно предпочтительно гипофосфит используется в качестве гипофосфористой кислоты или соли натрия.

Содержание пероксодисульфата водного раствора пероксодисульфата составляет предпочтительно от 5 до 10 вес.%. Содержание гипофосфита водного раствора гипофосфита составляет предпочтительно от 35 до 70 вес.%.

Предпочтительно пероксодисульфат используется в количествах от 0,5 до 10 вес.%, предпочтительно от 0,8 до 5 вес.%, в пересчете на общее количество мономеров (акриловой кислоты и, в случае необходимости, сомономеров).

Предпочтительно гипофосфит используется в количествах от 8 до 25 вес.%, особенно предпочтительно от 8 до 15 вес.%, в пересчете на общее количество мономеров.

Подача отдельных притоков осуществляется предпочтительно линейно, т.е. количество притока в единицу времени Δm/Δt (=скорость притока) по всей продолжительности притока является постоянным.

Длительность притока стартера может быть до 50% продолжительнее, чем длительность притока акриловой кислоты. Предпочтительно длительность притока стартера прибл. на 3 до 20% продолжительнее, чем длительность притока акриловой кислоты. Длительность притока регулятора может быть до 30% короче, чем длительность притока акриловой кислоты. Предпочтительно длительность притока регулятора приблизительно на 3 до 20% короче, чем длительность притока акриловой кислоты.

Продолжительность притока акриловой кислоты составляет, например, от 3 до 6 часов. Например, при одновременной подаче всех притоков приток стартера заканчивается за 10 до 20 мин перед концом притока акриловой кислоты, и приток стартера заканчивается за 10 до 20 мин. после окончания притока акриловой кислоты.

В общем после окончания притока акриловой кислоты водный раствор по меньшей мере частично нейтрализуется подачей основания. В качестве основания используется предпочтительно натровый щелок. Нейтрализация осуществляется в общем в течение, например, от ½ до 3 часов, чтобы можно было хорошо отводить теплоту нейтрализации. В общем подается столько основания, что значение pH лежит в интервале от 3 до 9, предпочтительно от 3,5 до 8,5.

В одном варианте полимеризация проводится в атмосфере инертного газа. При этом получают полимеры акриловой кислоты, связанный на конце фосфор которых имеется по существу (в общем по меньшей мере на 90%) в форме фосфинатных групп.

Получают водные растворы полимеров акриловой кислоты с содержанием твердого вещества в общем по меньшей мере 30 вес.%, предпочтительно по меньшей мере 35 вес.%, особенно предпочтительно по меньшей мере от 40 до 70 вес.%, в частности 40 до 55 вес.% полимеров.

Полимеры акриловой кислоты могут быть переведены в форму порошка или гранулята посредством пригодного способа сушки, такого как распылительная сушка, распылительное гранулирование, валковая сушка или лопаточная сушка.

Получаемый таким образом раствор полимеров акриловой кислоты имеет в общем общее количество фосфора в форме органически связанного и в случае необходимости неорганически связанного фосфора, причем

(a) первая часть фосфора имеется в форме связанных в полимерной цепи фосфинатных групп,

(b) вторая часть фосфора имеется в форме связанных на конце полимерной цепи фосфинатных и/или фосфонатных групп,

(c) в случае необходимости третья часть фосфора имеется в форме растворенных неорганических солей фосфора.

В общем по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 76% общего содержания фосфора имеется в форме связанных в полимерной цепи фосфинатных групп.

Во многих случаях имеется даже по меньшей мере 78% общего количества в форме связанных в полимерной цепи фосфинатных групп.

В общем максимально 20%, предпочтительно максимально 16% фосфора имеется в форме связанных на конце полимерной цепи фосфинатных и/или фосфонатных групп. Особенно предпочтительно от 8 до 16% имеется в форме связанных на конце полимерной цепи фосфинатных и/или фосфонатных групп.

До 20% содержащегося в водном растворе акриловой кислоты неорганического фосфора может иметься в форме неорганического фосфора, в особенности в форме гипофосфита и фосфита. Предпочтительно от 2 до 15%, в особенности предпочтительно от 4 до 11% общего фосфора имеется в форме неорганического связанного фосфора.

Соотношение связанного в полимерной цепи фосфора к связанному на конце полимерной цепи фосфора составляет по меньшей мере 4:1. Предпочтительно соотношение составляет по меньшей мере от 4,5:1 до 10:1, в частности от 5:1 до 8:1.

В общем средний молекулярный вес полимера акриловой кислоты составляет от 1000 до 5000 г/моль, предпочтительно от 1000 до 4000 г/моль и особенно предпочтительно от 1000 до 3000 г/моль и в частности от 200 до 2500 г/моль.

Молекулярный вес полимера акриловой кислоты может целенаправленно регулироваться посредством применяемого количества регулятора.

Молекулярный вес определяется посредством гельпроницаемой хроматографии на нейтральных водных растворах полимеров акриловой кислоты при применении сети сополимера гидроксиэтилметакрилата в качестве стационарной фазы и полиакрилатного стандарта.

В общем индекс полидисперсности M_w/M_n полимера акриловой кислоты составляет ≤2,5, предпочтительно ≤2.

Константа K полимеров лежит между 10 и 25, предпочтительно между 10 и 20, особенно предпочтительно между 12 и 18, измеренные при pH 7 в 1%-ном по весу водном растворе при 25°C (см. H. Fikentscher, Cellulose-Chemie, том 13, стр.58-64 и 71-74, 1932).

Полимер акриловой кислоты может содержать до 30 вес.%, предпочтительно до 20 вес.%, особенно предпочтительно до 10 вес.%, в пересчете на все этиленно-ненасыщенные мономеры, этилено-ненасыщенных сомономерных звеньев. Примерами пригодных этилено-ненасыщенных сомономеров являются метакриловая кислота, малеиновая кислота, ангидрид малеиновой кислоты, винилсульфокислота, аллилсульфоновая кислота и 2 акриламидо-2-метилпропансульфокислота, а также их соли. Также могут быть получены смеси этих сополимеров.

Сомономеры могут частично или полностью иметься в исходной реакционной смеси, или частично или полностью подаваться в качестве притока. Если они подаются частично или полностью в качестве притока, то в общем они подаются синхронно с акриловой кислотой.

В частности, предпочтительны гомополимеры акриловой кислоты без доли сомономеров.

Объектом изобретения также является применение водных растворов полимеров акриловой кислоты в качестве ингибиторов отложений в водопроводящих системах.

Посредством полимеров акриловой кислоты согласно изобретению ингибируется в частности образование отложений сульфата кальция.

Водопроводящими системами, в которых могут применяться полимеры акриловой кислоты, являются, в частности, установки по обессоливанию морской воды, водоохладительные системы и системы питательной воды для котлов.

В общем полимеры согласно изобретению подаются в водопроводящих системах в количестве от 0,1 мг/л до 100 мл/л. Оптимальная дозировка зависит от требований соответствующего применения, соответственно от технических условий соответствующего способа. Так, например, при термическом обессоливании морской воды полимеры используются в концентрации предпочтительно от 0,5 мл/л до 10 мл/л. В промышленных охладительных циклах или системах питательной воды для котлов применяется концентрация полимеров до 100 мл/л. Часто проводятся анализы воды, чтобы определить долю образующих отложения солей и этим оптимальную дозировку.

К водопроводящим системам могут быть добавлены препаративные формы, которые могут содержать наряду с полимерами по изобретению в зависимости от требований среди прочего фосфонаты, полифосфаты, цинковые соли, молибдатные соли, органические ингибиторы коррозии, такие как бензотиазол, толилтриазол, бензимидазол или этинилкарбинолалкосилаты, биоциды, комплексообразователи и/или поверхностно-активные вещества. Примерами фосфонатов являются 1-гидроксиэтан-1.1-дифосфоновая кислот, 2-фосфонобутан-1,2,4-трикарбоновая кислота, аминотриметиленфосфоновая кислота, диэтилентриаминпента(метилен-фосфоновая кислота) и этилендиаминтетра(метиленфосфоновая кислота), которые применяются в форме натриевых солей.

Изобретение подробнее поясняется посредством нижеследующих примеров.

Примеры

Определение молекулярного веса осуществляют во всех случаях посредством гельпроницаемой хроматографии. При этом используют 2 колонки (Suprema Linear M) и предварительную колонку (SupremaVorsäule), все марки Suprema-Gel (НЕМА = сополимер гидроксиэтилметакрила) фирмы Polymer Standard Services (Майнц, Германия), при 35°C со скоростью потока 0,8 мл/мин. В качестве элюента применяют доведенный до pH 7 буфером TRIS водный раствор, к которому добавлен 0,15 M NaCl и 0,01 M NaN₃. Калибровку осуществляют посредством Na-PAA-стандарта, интегральная кривая распределения молекулярного веса определена посредством связи метода SEC с рассеянием лазерного света, по способу калибровки, описанного M.J.R. Cantow и др. (J.Polym.Sci., A-1, 5(1967) 1391-1394), однако без предложенной там корректировки концентрации. Все пробы устанавливают на значение pH 7, часть этого раствора разбавляют полностью обессоленной водой на содержание твердого вещества, равное 1,5 мг/мл и перемешивают 12 часов. В заключение пробы фильтруют. Каждый раз впрыскивают 100 мкл при помощи Satorius Minisart RC 25 (0.2 мкм).

Примеры согласно изобретению

Пример А

В реактор подают 425,0 г полностью обессоленной воды и в атмосфере азота нагревают до внутренней температуры, равной 102°C. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 481,0 г дистиллированной акриловой кислоты, 206,0 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 246,0 г 59%-ного по весу водного раствора гипофосфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 4 часов, пероксодисульфид натрия - в течение 4,25 часов, а гипофосфит натрия - в течение 3,75 часов. После окончания притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 30,0 г полностью обессоленной воды и добавляют в течение одного часа 536,0 г 50%-ного по весу раствора гидроксида натрия при 100°C внутренней температуры. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества и остаточное содержание акриловой кислоты и раствор оценивают визуально.

Пример В

В реактор подают 425,0 г полностью обессоленной воды и в атмосфере азота нагревают до 102°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании добавляют одновременно 481,0 г дистиллированной акриловой кислоты, 138,0 g 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 164,0 г 59%-ного по весу водного раствора гипофосфита натрия. Акрильную кислоту дозируют в течение 4 часов, пероксолисульфат натрия в течение 4,25 часов и гипофосфит натрия в течение 3,75 часов. После окончания притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 30,0 г полностью обессоленной воды и в течение одного часа добавляют 525,0 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия при 102°С внутренней температуры. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w и содержание твердого вещества и раствор оценивают визуально.

Пример C

В закрытый реактор подают 425 г полностью обессоленной воды. Затем в атмосфере азота нагревают до 98°C внутренней температуры. При этой температуре при перемешивании параллельно и отдельно дозируют одновременно 481 г дистиллированной акриловой кислоты 69 г 7%-ного по весу водного раствора перокосодисульфата натрия и 82 г 59%-ного по весу водного раствора гипофосфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 4 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 4,25 часов, а гипофосфит натрия - в течение 3,75 часов. После окончания притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 30 г полностью обессоленной воды и затем в течение 1 часа добавляют 55 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия при 98°C внутренней температуры. Затем добавляют еще 225 г полностью обессоленной воды и раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w и содержание твердого вещества. Раствор оценивают визуально.

Пример D

В реактор подают 50 г полимера из примера 9. При комнатной температуре добавляют 17,5 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 1 часа при 98°C внутренней температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w и содержание твердого вещества. Раствор оценивают визуально.

Пример E

В реактор подают 230,0 г полностью обессоленной воды. Затем в атмосфере азота нагревают до 102°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 480,8 г дистиллированной акриловой кислоты, 69,0 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 57,0 г 59%-ного по весу водного раствора гипофосфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 5 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 5,25 часов и гипофосфит натрия - в течение 4,75 часов. По окончании притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 30,0 г полностью обессоленной воды и 2 часа реакционную смесь перемешивают при 95°C внутренней температуры. Потом добавляют 175,0 г полностью обессоленной воды и при этом охлаждают раствор полимера до комнатной температуры. В заключение посредством 50%-ного по весу натрового щелока раствор полимера устанавливают на значение pH 7. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w содержание твердого вещества и раствор оценивают визуально.

Пример F

В реактор подают 425,0 г полностью обессоленной воды и в атмосфере азота нагревают до 100°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 481,0 г дистиллированной акриловой кислоты, 69,0 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 41,0 г 59%-ного по весу водного раствора гипофосфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 4 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 4,25 часов и гипофосфит натрия - в течение 3,75 часов. После окончания притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 30,0 г полностью обессоленной воды и добавляют 527,0 г 50%-ного по весу раствора гидроксида натрия в течение 1 часа при 100°C внутренней температуры. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества и остаточное содержание акриловой кислоты. Раствор оценивают визуально.

Пример G

В реактор подают 325,0 г полностью обессоленной воды и в атмосфере азота нагревают до 95°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 562,5 г дистиллированной акриловой кислоты, 542,4 49%-ного по весу водного раствора натриевой соли 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты (Na-AMPS), которая стабилизирована посредством 250 млн.ч. монометилового эфира гидрохинона, 533,0 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 127,1 г 59%-ного по весу водного раствора гипофосфита натрия. Акриловую кислоту и Na-AMPS дозируют в течение 3 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 4,5 часов, а гипофосфит натрия - в течение 2,75 часов. После окончания притока акриловой кислоты добавляют 175,0 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 2 часов при 95°C внутренней температуры. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры, определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества и остаточное содержание акриловой кислоты. Раствор оценивают визуально.

Сравнительные примеры

Пример H

В реактор подают 200,0 г полностью обессоленной воды вместе с 2,7 г 50-%-ного по весу водного раствора фосфористой кислоты и в атмосфере азота нагревают до 101°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 428,0 г дистиллированной акриловой кислоты, 123,0 г 7%-ного по весу раствора пероксодисульфата натрия и 108,0 г 2-меркаптоэтанола. Акриловую кислоту дозируют в течение 5 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 5,25 часов, а 2-меркаптоэтанол - в течение 4,75 часов. После окончания притока пероксодисульфата натрия перемешивают еще 15 минут при 101°C внутренней температуры и в заключение охлаждают до 80°C внутренней температуры. При 80°C внутренней температуры дозируют 16,2 г 5,38%-ного по весу водного раствора азо-стартера (Wako V50) в течение 30 минут и далее перемешивают 1 час. Потом добавляют 475,0 г 50%-ного по весу раствора гидроксида натрия за 1 час при 80-95°C внутренней температуры и перемешивают в течение 10 минут. Потом добавляют 14,0 г 50%-ного по весу раствора пероксида водорода за 30 минут и дополнительно полимеризируют 4 часа при 80°C. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w и содержание твердого вещества. Раствор оценивают визуально.

Пример I

В реактор подают 230,0 г полностью обессоленной воды вместе с 3,05 г 50-%-ного по весу водного раствора фосфористой кислоты и в атмосфере азота нагревают до 99°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 479,35 г дистиллированной акриловой кислоты, 68,65 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 59,9 г 2-меркаптоэтанола. Акриловую кислоту дозируют в течение 5 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 5,25 часов, а 2-меркаптоэтанол - в течение 4,75 часов. После окончания притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 12,5 г полностью обессоленной воды, после окончания притока пероксодисульфата натрия перемешивают 15 минут при 105°C внутренней температуры и в заключение охлаждают до 80°C внутренней температуры. При 80°C внутренней температуры дозируют 5,0 г 6%-ного по весу водного раствора Wako V50 в течение 1 часа. После окончания притока трубопровод промывают посредством 5,0 г полностью обессоленной воды и перемешивают еще 1 час при 80°С. Потом добавляют 521,5 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 1 часа при максимально 105°C внутренней температуры. Далее перемешивают 10 минут, добавляют 26,25 г 50%-ного по весу водного раствора перекиси водорода в течение 1,3 часа и 15 минут дополнительно полимеризуют при 80°C. После этого добавляют 140,0 г полностью обессоленной воды и при этом раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w и содержание твердого вещества. Раствор оценивают визуально.

Пример J

В реактор подают 230 г полностью обессоленной воды вместе с 3 кг 50-%-ного по весу водного раствора фосфористой кислоты и в атмосфере азота нагревают до 99°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 516,9 г дистиллированной акриловой кислоты, 67,4 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 44 g 2-меркаптоэтанола. Дозируют в течение 4 часов акриловую кислоту, пероксодисульфат дозируют в течение 4 часов, а 2-меркаптоэтанол - в течение 3,75 часов. По окончании притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 12,5 г полностью обессоленной воды и добавляют еще 20 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия в течение 30 минут. В заключение перемешивают 30 минут при 99°C внутренней температуры и охлаждают до 80°C внутренней температуры. При 80°C внутренней температуры дозируют 10 г 6%-ного по весу водного раствора Wako V50 в течение 1 часа. Трубопровод промывают посредством 5 г полностью обессоленной воды и дополнительно перемешивают еще 1 час. Потом добавляют 560 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 1 часа при 95°C внутренней температуры и перемешивают еще 10 минут. После этого добавляют 20 г 50%-ного по весу водного раствора перекиси водорода в течение 1 часа и дополнительно полимеризуют 15 минут при 80°C. После этого добавляют 100 г полностью обессоленной воды и раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества и остаточное содержание акриловой кислоты. Раствор оценивают визуально.

Пример K

Поступают как в примере 1 с той разницей, что добавляют 50 г 56%-ного по весу раствора 2-меркаптоэтанола и только 62 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия.

Пример L

В двухлитровый реактор подают 230 г полностью обессоленной воды вместе с 3,1 г 50%-ного по весу водного раствора фосфористой кислоты. Затем в атмосфере азота нагревают до 99°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 520 г дистиллированной акриловой кислоты, 74 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 23,4 г 2-меркаптоэтанола. Акриловую кислоту дозируют в течение 4 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 4 часов и 2-меркаптоэтанол - в течение 3,75 часа. По окончании притока акриловой кислоты добавляют 500 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 15 минут. Перемешивают 15 минут при 99°C внутренней температуры и в заключение охлаждают до 80°C внутренней температуры.

При 80°C внутренней температуры дозируют 10,1 г 6%-ного по весу водного раствора Wako V50 в течение 1 часа и дополнительно перемешивают 1 час. Потом добавляют 525 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 2,8 часа при 95°C внутренней температуры и перемешивают 1 час. Потом добавляют 10,75 г 50%-ного по весу водного раствора перекиси водорода за 0,5 часа и дополнительно полимеризуют 15 минут при 80°C. После этого добавляют 125 г полностью обессоленной воды и при этом охлаждают раствор полимера до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества и остаточное значение акриловой кислоты. Раствор оценивают визуально.

Пример M

В закрытый реактор подают 4525 кг полностью обессоленной воды. Затем в атмосфере азота нагревают до 95°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 11096 кг дистиллированной акриловой кислоты, 4756 кг 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 4993 кг 40%-ного по весу водного раствора бисульфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 5,5 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 5,75 часов и бисульфит натрия - в течение 5,5 часов. По окончании притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 50 кг полностью обессоленной воды. Перемешивают при 95°C еще 15 минут и потом охлаждают до 80°C внутренней температуры. При этой температуре дозируют 189 кг 6%-ного по весу водного раствора Wako V50 в течение 1 часа. Потом добавляют 12505 кг 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия, при этом внутренняя температура не превышает 85°C. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества. Раствор оценивают визуально.

Пример N

В реактор подают 304,0 г полностью обессоленной воды вместе с 1,84 г 50%-ного по весу водного раствора фосфористой кислоты и в атмосфере азота нагревают до 98°C внутренней температуры. При этой температуре отдельно и параллельно при перемешивании дозируют одновременно 461,0 г дистиллированной акриловой кислоты, 132,0 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата и 196,0 г 40%-ного по весу водного раствора бисульфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 4 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 4,25 часов и бисульфит натрия - в течение 3,75 часа. После окончания притока акриловой кислоты добавляют 496,0 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия в течение 1 часа при 98°C внутренней температуры и дополнительно полимеризуют 1 час при 98°C. После этого раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества и остаточное значение акриловой кислоты. Раствор оценивают визуально.

Пример O

В реактор подают 184,0 г полностью обессоленной воды и в атмосфере азота нагревают до 95°C внутренней температуры. При этой температуре при перемешивании отдельно и параллельно дозируют одновременно 647,7 г дистиллированной акриловой кислоты, 277,6 г 7%-ного по весу водного раствора пероксодисульфата натрия и 105,3 г 40%-ного по весу водного раствора бисульфита натрия. Акриловую кислоту дозируют в течение 5 часов, пероксодисульфат натрия - в течение 5,25 часов и бисульфит натрия - в течение 5 часов. После окончания притока акриловой кислоты трубопровод промывают посредством 10,0 г полностью обессоленной воды в течение 6 минут и при 95°C внутренней температуры еще 35 минут перемешивают. После этого добавляют 728,0 г 50%-ного по весу водного раствора гидроксида натрия, при этом внутренняя температура не превышает 95°C, и 30 минут при 95°C дополнительно полимеризуют. Далее добавляют 136,0 г полностью обессоленной воды и при этом раствор полимера охлаждают до комнатной температуры. После того как внутренняя температура снизилась до <75°C, добавляют 5,8 г 49%-ного по весу водного раствора перекиси водорода. Определяют значение pH, молекулярные веса M_n и M_w, содержание твердого вещества. Раствор оценивают визуально.

Аналитические данные полимеров представлены в таблице 1.

Таблица 1 Пример Содерж. твердого вещества [%]^a Константа K^b pH Mw^c ИП^с % Р внутри полимера^d % Р на конце полимера^d % неорганич. Р A 40,2 12,6 6,9 1270 1,2 81,2 13,5 5,3 B 42,2 14,6 7,0 2000 1,4 76,3 15,0 8,7 C 36,4 20,1 4,5 3620 1,7 81,4 11,4 7,2 D 39,0 20,1 7,0 3620 1,7 81,4 11,4 7,2 E 45,2 25,0 7,0 5560 2,1 84,7 12,1 2,6 F 42,3 29,1 7,0 7180 2,4 72,1 16,1 5,6 G 42,3 17,9 4,3 2870 2,0 89.5 8.2 2.2 H 49,7 12,6 7,6 1070 1,3 - - - I 44,9 18,4 7,0 1860 1,8 - - - J 46,7 22,0 7,2 3580 2,1 - - - К 49,0 24,1 7,0 5020 1,7 - - - L 45,2 29,5 7,2 7220 2,8 - - - M 40,6 14,5 6,9 2470 1,5 - - - N 43,5 20,3 6,9 4450 1,8 - - - O 44,7 30,6 6,9 9560 3,1 - - - a) ISO 3251, (0.25 г, 150°C, 2 ч), b) определена методом Фикентшера посредством 1%-ного раствора в полностью обессоленной воде, c) индекс полидисперсности, определенный гельпроницаемой хроматографией, d) определено посредством ³¹P{¹H} and ³¹P ЯМР.

Применение в качестве ингибитора отложений

Тест ингибирования сульфата кальция

Раствор из NaCl, Na₂SO₄, CaCl₂ и полимера взбалтывают 4 часа при 70°C в водной ванне. После фильтрации еще теплого раствора над имеющим размер пор 0,45 мкм фильтром Millex® определяли содержание Ca в фильтрате комплексометрически или посредством Са²⁺-селективного электрода и путем сравнения до/после определяют ингибирование CaSO₄ в % (см. нижеприведенную формулу I).

Условия

Ca²⁺ 2940 мг/л SO₄ ² 7200 мг/л Na⁺ 6400 мг/л Cl^- 9700 мг/л полимер 5 мг/л (100%-ный) температура 70°C время 24 часа pH 8,0-8,5

Формула I

ингибирование CaSO₄-(%)=мг(Ca²⁺) через 24 ч - мг (Ca²⁺) холостое значение через 24 ч / мг (Ca²⁺ нулевое значение - мг(Ca²⁺) холостое значение через 24 ч×100

Таблица 2   Стартер / регулятор Константа К (1%-но в воде) Mw Ингибирование [%] Пример         A NPS/NHP 12,6 1270 79,2 B NPS/NHP 14,6 2000 84,4 D NPS/NHP 20,1 3620 43,6 E NPS/NHP 25,0 5560 14,5 F NPS/NHP 29,1 7180 12,1 G NPS/NHP 17,9 2870 66,9           H NPS/MCE/Azo 12,6 1070 22,6 I NPS/MCE/Azo 18,4 1860 32,6 J NPS/MCE/Azo 22,0 3580 19,3 K NPS/MCE/Azo 24,1 5020 15,3 L NPS/MCE/Azo 29,5 7220 12,6           M NPS/NBS 14,5 2470 25,5 N NPS/NBS 20,3 4450 19,9 O NPS/NBS 30,6 9560 9,1 PS = пероксодисульфат натрия NHP = гипофосфит натрия MCE = меркаптоэтанол NBS = сульфит натрия
азо=2,2′-азобис(2-амидинопропан)дигидрохлорид для дополнительной полимеризации.

Результаты четко показывают превосходство полимеров по изобретению согласно примерам A, B и D по отношению к сравнительным полимерам согласно примерам G, I, J, M, N. Согласно примерам A, B и D предпочтительны молекулярные веса Mw<4000, в частности <2500.

Изобретение относится к низкомолекулярным, содержащим фосфор полиакриловым кислотам, к содержащим их водным растворам, способу их получения, а также к их применению в качестве ингибиторов отложений в водопроводящих системах. Описан водный раствор полимеров акриловой кислоты со средним молекулярным весом 1000-4000 г/моль. Водный раствор получают полимеризацией в воде в качестве растворителя акриловой кислоты в приточном режиме с пероксодисульфатом в качестве стартера и в присутствии гипофосфита. При этом (i) берут воду и (ii) непрерывно добавляют акриловую кислоту в кислой, не нейтрализованной форме водный раствор пероксодисульфата и водный раствор гипофосфита, и (iii) после окончания притока акриловой кислоты к водному раствору добавляют основание, при этом содержание сомономеров не превышает 30 вес.%, в пересчете на общее содержание мономеров. Максимально 16% фосфора имеется в форме связанных на конце полимерной цепи фосфинатных и/или фосфонатных групп. Технический результат - снижение выпадения осадков и отложения сульфата кальция в водопроводящих системах. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл., 15 пр.

1. Водный раствор полимеров акриловой кислоты со средним молекулярным весом от 1000 до 4000 г/моль, предназначенный в качестве ингибиторов отложений в водопроводящих системах и получаемый полимеризацией в воде в качестве растворителя акриловой кислоты в приточном режиме с пероксодисульфатом в качестве стартера и в присутствии гипофосфита, причем
(i) берут воду и
(ii) непрерывно добавляют акриловую кислоту в кислой, не нейтрализованной форме, водный раствор пероксодисульфата и водный раствор гипофосфита, и
(iii) после окончания притока акриловой кислоты к водному раствору добавляют основание,
при этом содержание сомономеров не превышает 30 вес.%, в пересчете на общее содержание мономеров, и
максимально 16% фосфора имеется в форме связанных на конце полимерной цепи фосфинатных и/или фосфонатных групп.

2. Водный раствор по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (i) дополнительно берут один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров.

3. Водный раствор по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (ii) дополнительно непрерывно добавляют один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров.

4. Водный раствор по п. 1, отличающийся тем, что средний молекулярный вес полимеров акриловой кислоты составляет от 1200 до 2500 г/моль.

5. Водный раствор по п. 1, отличающийся тем, что индекс полидисперсности полимеров акриловой кислоты M_w/M_n≤2,5.

6. Водный раствор по п. 1 с общим содержанием органически и в случае необходимости неорганически связанного фосфора, причем
(a) первая часть фосфора имеется в форме связанных в полимерной цепи фосфинатных групп,
(b) вторая часть фосфора имеется в форме связанных на конце полимерной цепи фосфинатных и/или фосфонатных групп,
(c) в случае необходимости третья часть фосфора имеется в форме растворенных неорганических солей фосфора,
отличающийся тем, что по меньшей мере 70% общего содержания фосфора имеется в форме связанных в полимерной цепи полимеров акриловой кислоты фосфинатных групп.

7. Водный раствор по п. 1, отличающийся тем, что полимеры акриловой кислоты представляют собой гомополимеры акриловой кислоты.

8. Водный раствор по одному из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что полимеры акриловой кислоты представляют собой сополимеры акриловой кислоты, которые содержат до 30 вес.%, в пересчете на все этилено-ненасыщенные мономеры, вполимеризированных этилено-ненасыщенных сомономеров, выбранных из группы, включающей метакриловую кислоту, ангидрид малеиновой кислоты, винилсульфокислоту, аллилсульфокислоту и 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоту.

9. Полимеры акриловой кислоты, получаемые из водного раствора по одному из пп. 1 - 8.

10. Способ получения водных растворов по одному из пп. 1 - 8 полимеризацией в воде в качестве растворителя акриловой кислоты в приточном режиме с пероксодисульфатом в качестве стартера и в присутствии гипофосфита в качестве регулятора, при котором берут воду и непрерывно добавляют акриловую кислоту в кислой, не нейтрализованной форме, водный раствор пероксодисульфата и водный раствор гипофосфита и после окончания притока акриловой кислоты к водному раствору добавляют основание, причем содержание сомономеров в пересчете на общее содержание мономеров не превышает 30 вес.%.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно берут один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно непрерывно добавляют один или несколько этилено-ненасыщенных сомономеров.

13. Способ по одному из пп. 10-12, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в атмосфере инертного газа.

14. Применение водного раствора по одному из пп. 1 - 8 и полимеров акриловой кислоты по п. 9 в качестве ингибиторов отложений в водопроводящих системах.

15. Применение по п. 14 для ингибирования отложений сульфата кальция.

16. Применение по п. 14 или 15 в установках по обессоливанию морской воды, в охладительных водных системах и системах питательной воды для котлов.