Технологическая схема производства ионообменных материалов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Алиева Г.А.1, Бафадарова О.Б.2 ©

1Ст.н.с., доктор философии; 2доцент, к.т.н.

Кафедра «Технология переработки полимеров и неорганических веществ», Азербайджанская государственная нефтяная академия

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ИОНООБМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

В статье рассмотрен процесс получения ионообменных материалов на основе готового полимерного каркаса. В качестве полимерного каркаса использован полистирол, механохимически модифицированный каучуками и полимерами, содержащими различные функциональные группы.

Предложена технологическая схема производства сульфокатионитов по упрощенной технологии.

Ключевые слова: полимерный каркас, сульфокатионит, статическая обменная емкость, динамическая обменная емкость, механическая прочность.

Keywords: polymeric carcass, sulfocationites, statistic exchange capacity, dynamic exchange capacity, mechanical strength.

В настоящее время иониты широко используются в технологии органических и неорганических веществ, при получении йода и брома, в пищевой промышленности при очистке глюкозы, желатина, глицерина и т.д.

Ионообменные материалы приобретают первостепенное значение в химической технологии, в частности в технологии получения биопрепаратов и лекарственных веществ. Свое применение иониты нашли в производстве антибиотиков, витаминов, инсулина, при консервировании крови, извлечении токсичных веществ из крови [1].

Наиболее важными применениями ионитов являются умягчение и очистка воды, удаление некоторых ионизированных соединений из сложных сред, переработка растворов различных производств и т.д., что очень выгодно с экономической точки зрения. Поэтому синтез ионообменных материалов является весьма актуальной задачей.

Известен способ получения ионообменных материалов на основе суспензионной сополимеризации стирола и механохимически модифицированными полимерными смесями СКЭП-50:ПВХ и БК:ПВХ в присутствии дивинилбензола как сшивающего агента, которые в дальнейшем, для получения сульфокатионитов на их основе, подвергались сульфированию концентрированной серной кислотой [2].

Показано, что полученные таким способом сульфокатиониты имеют высокую механическую прочность и по основным ионообменным характеристикам близки к промышленному сульфокатиониту КУ-2-8 и могут быть использованы взамен их. Однако, при синтезе вышеуказанных сульфокатионитов на основе суспензионной сополимеризации стирола, использована многостадийная технология получения: модификация эластомера методом привитой сополимеризации функциональными мономерами, затем суспензионная

сополимеризация полученного модифицированного эластомера со стиролом и далее сульфирование концентрированной серной кислотой. Известно, что химические методы привитой сополимеризации экономически не выгодны из-за малого выхода

модифицированного сополимера, требуют больших затрат электроэнергии и являются продолжительными во времени.

Учитывая это обстоятельство, нами предложена идея синтезировать ионообменные материалы по более упрощенной технологии, т.е. на основе готового полимерного каркаса -промышленного полистирола марки ПСМ без использования ДВБ. С целью усиления

© Алиева Г.А., Бафадарова О.Б., 2015 г.

полимерного каркаса для дальнейшего получения на его основе сульфокатионитов была проведена модификация полистирола каучуками и полимерами, такими как бутилкаучук (БК), хлорированный и карбоксилированный бутилкаучук (ХБК, КБК), хлорированный и

сульфохлорированный атактический полипропилен (ХАПП, СХАПП), содержащими

функциональные группы - CL , - COOH , -SO2CL [3,4,5].

В зависимости от природы модификатора были выбраны оптимальные условия переработки, т.е. температура и время. Модификацию полистирола с БК, ХБК и КБК проводили при температуре 180-190°С в течении 3-5 минут. Механохимическая модификация полистирола с ХАПП и СХАПП была проведена при температуре 140-150°С в течение 5 минут. Сульфированию повергались механохимически модифицированные смеси ПСМ:БК, ПСМ:ХБК, ПСМ:КБК, ПСМ:ХАПП и ПСМ: СХАПП.

Сульфокатиониты на основе модифицированного полистирола были получены сульфированием набухших образцов модифицированных сополимеров в CCL4 . Сульфирование сополимеров проводили концентрированной серной кислотой. В качестве катализатора реакции сульфирования использовали безводный ALCL 3 в количестве 1%(масс.) от массы сополимера. С целью определения оптимальных условий процесса сульфирования, реакцию проводили при различных условиях: температуре и времени.

Сульфокатиониты, полученные на основе модифицированного полистирола имеют улучшенные показатели коэффициента набухания (Кнаб), статической и динамической обменной емкости (СОЕ, ДОЕ), а также механической прочности по сравнению с промышленным сульфокатионитом КУ-2-8 и могут быть использованы в системах очистки и подготовки воды [6].

На рисунке показана технологическая схема производства сульфокатионитов на основе сополимеров стирола с термообработанными смесями СКЭП-50:ПВХ и БК:ПВХ (узлы 1 и 2), а также предложена упрощенная технологическая схема производства сульфокатионитов на основе модифицированного полистирола (узел 3).

Технологическая схема синтеза сульфокатионитов состоит из 4-х узлов.

1 - узел получения смесей СКЭП-50:ПВХ и БК:ПВХ;

2 - узел суспензионной сополимеризации стирола смесями СКЭП-50:ПВХ и БК:ПВХ;

3 - узел получения механохимических смесей ПСМ:БК, ПСМ:ХБК, ПСМ:КБК, ПСМ ХАПП и ПСМ СХАПП (выделено красным цветом);

4 - узел сульфирования и получения сульфокатионитов на основе сополимеров стирола и механохимических смесей ПСМ.

В первом узле взвешенные на ленточных весах СКЭП-50 и ПВХ из бункера (1 и 2) и через дозировочное устройство (5) при помощи транспортера (4) поступают в экструдер (3), где при температуре 150-180°С в течение 5-7 минут подвергаются термообработке для получения их привитых- и блок сополимеров. Экструдат термообработанных смесей после охлаждения в водяной ванне (7) измельчается в зубчатом измельчителе (8) и посредством промежуточного бункера (9) и дозировочного устройства (10) поступает в реактор сополимеризации (16).

Во втором узле в реактор (16) из бункеров (6, 11, 12 и 13) подаются определенное количество стирола, пероксида бензоила, дивинилбензола, поливинилового спирта и воды. Подача компонентов осуществляется через дозаторы (5 и 14). Суспензионная сополимеризация проводится в реакторе сополимеризации (16) при температуре 85°С в течение 5-6 часов, после чего гранулы сополимера выгружаются в промывочный реактор (17) и промываются теплой водой, подаваемой из емкости (15). После промывки гранулы через сепаратор (33) поступают на ленточный сушильный агрегат (18) и оттуда в вакуум сушильную установку (19), где при температуре 60-70°С при остаточном давлении до 1 мм доводятся до постоянной массы и подаются в четвертый узел на процесс сульфирования.

В третьем узле технологической схемы в капиллярном смесителе (23), при температуре 140 и 180°С в течение 5-7 минут, получаются механохимически модифицированные смеси полистирола с различными эластомерами и полимерами - БК, ХБК, КБК, ХАПП и СХАПП. Из бункеров (20, 21, 22) соответственно полистирол и модификаторы через дозаторы (5)

поступают в капиллярный смеситель (23), где после термообработки в вышеуказанных условиях, полученные экструдаты охлаждаются в потоке воздуха (24) и через зубчатый измельчитель (8) и дозатор (5) направляются в четвертый узел технологической схемы непосредственно для сульфирования.

Сополимеры стирола и механохимически модифицированные смеси полистирола предварительно подвергаются набуханию в CCL4 в течение 15-20 минут в специальной емкости (25) и далее подаются в реактор (29) для проведения сульфирования.

Из бункеров (26 и 28) через дозаторы (14) в специальную емкость подаются H2SO4 и вода, где готовится серная кислота определенной концентрации и далее растворы загружаются в реактор (31) для промывки синтезированных сульфокатионитов.

Сульфирование проводится в реакторе сульфирования (29) куда из бункеров (26, 27) через дозаторы (5, 14) поступает необходимое количество серной кислоты и катализатора. Для промывки в специальной емкости готовится серная кислота определенной концентрации и подается в промывочный реактор (30).

После сульфирования гранулы поступают в реактор промывки (31), где полученный сульфокатионит промывается серной кислотой с постепенно уменьшающейся концентрацией (от 75 до 5%). После этого гранулы сульфокатионита в реакторе (17) промываются дистиллированной водой до нейтральной реакции и через фильтр (32) постурает на ленточный сушильный агрегат (18) и сушатся на воздухе при температуре 50-60°С, а затем в вакуумной установке (19) при температуре 40°С до постоянной массы и далее измельчаются в зубчатом измельчителе (8). Для анализа основных характеристик отбираются образцы соответствующего состава сульфокатионита и после положительного результата в соответствии с ГСТ отправляются в узел для упаковки.

Как видно из вышеуказанного описания процесса производства сульфокатионитов синтез ионитов полученных на основе механохимически модифицированного полистирола намного упрощен, по сравнению с синтезом ионитов на основе сополимеров стирола с термообработанными смесями. Полученные таким способом сульфокатиониты обладают улучшенными показателями СОЕ и ДОЕ, Кнаб и механической прочности.

Учитывая то, что синтез ионитов не продолжителен во времени и не требует больших затрат электроэнергии, а также в процессе модификации полистирола в полученном сополимере практически не остается свободного мономера стирола, этот процесс можно считать и экономически и экологически выгодным.

Литература

1. Л.Б.Зубакова, А.С.Тевлина, А.Б.Даванков - Синтетические ионообменные материалы // М.: -Химия, - 1978, - 184с.

2. Я.М.Билалов, А.М.Шахмалиев, Г.А.Алиева и др. - Получение сульфокатионитов на основе модифицированной полимерной смеси // Химия и нефтехимия, - 2000, - № 3, - с.36-38

3. Я.М.Билалов, Г.А.Алиева, А.М.Шахмалиев и др. - Способ получения ионообменной смолы. Патент АР № И 2004 0195, 22.12.2004

4. Я.М.Билалов, Г.А.Алиева и др. - Способ получения ионообменной смолы. Патент АР № И 2009 0134, 20.07.2009

5. Г.А.Алиева. Исследование процесса модификации и сульфирования ударопрочного полистирола // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Москва. - 2013, - № 3, - с.29-33

6. Я.М.Билалов, Г.А.Алиева, Л.Дж.Кулиева. - Сульфокатиониты для очистки воды // Журнал «Азербайджанское нефтяное хозяйство», - 2011, - №10, - с.60-64