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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von
Kationenaustauschern vom Poly(meth)acrylsäure-Typ mit verbesserten
sensorischen Eigenschaften sowie deren Anwendungen.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Kationenaustauscher vom Poly(meth)acrylsäure-Typ
bekannt. Es handelt sich dabei um eine Klasse von Kationenaustauschern,
die in der Praxis bei zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen
eingesetzt werden können.
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Ein
wichtiges Einsatzgebiet der Kationenaustauscher vom Poly(meth)acrylsäure-Typ
ist die Wasseraufbereitungstechnik, bei der mehrwertige Kationen
wie beispielsweise Calcium, Magnesium, Blei oder Kupfer aber auch
Carbonatanionen entfernt werden können.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Herstellung von Kationenaustauschern vom
Poly(meth)acrylsäure-Typ ist die Hydrolyse von vernetzten
Perlpolymerisaten aus (Meth)acrylmonomeren mit Säuren oder Laugen
gemäß
DE
10 322 441 A1 (
US
= 2005 090 621 A1 ),
DD
67583 oder
US 5 369
132 .
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Die
zur Hydrolyse eingesetzten vernetzten (Meth)acrylsäureester-
oder (Meth)acrylnitrilharz-Perlpolymerisate werden im Stand der
Technik als gelförmige oder makroporöse Harze
hergestellt. Ihre Herstellung erfolgt durch Mischpolymerisation nach
dem Suspensionspolymerisationsverfahren. Erhalten werden dabei heterodisperse
Perlpolymerisate mit einer breiten Kornverteilung im Bereich von
ca. 0,2 mm bis ca. 1,2 mm.
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Um
Harze zu erhalten, die nach einer Hydrolyse ihre Formstabilität
erhalten und die nur geringe Mengen organisches Material an das
behandelte Wasser abgeben, muss in die Polymerstruktur eine oder
mehrere vernetzende Verbindungen eingebaut werden. Bedingung für
mechanisch und chemisch stabile Ionenaustauscherperlen ist ein nahezu
homogener Einbau der Vernetzungsstellen in das Polymergerüst
der Perlen. Da die vernetzende Verbindung eine andere Struktur aufweist,
als das (Meth)acrylmonomer selbst, weist sie in den allermeisten
Fällen eine andere Reaktivität während
der Polymerisationsreaktion auf. Dies führt zu einem inhomogenen Einbau
der vernetzenden Verbindung in das Polymergerüst und folglich,
je nach (Meth)acrylmonomer/Vernetzer-Paar, zur unzureichenden mechanischen,
osmotischen und/oder chemischen Stabilität der Ionenaustauscherperlen.
Versuche, eine schneller polymerisierende vernetzende Verbindung
durch Nachdosierung während der Suspensionspolymerisation
nachzuliefern, führen unweigerlich entweder zur Koagulation
des Ansatzes oder zur Bildung von unregelmäßig
geformten, mechanisch instabilen Perlpolymerisaten.
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Der
Nachteil eines inhomogenen Einbaus der vernetzenden Verbindung in
das Polymergerüst des Perlpolymerisats kann teilweise dadurch
kompensiert werden, dass man das Polymergerüst mit zwei
unterschiedlichen, vernetzenden Verbindungen aufbaut, die sich durch
ihre Reaktivität unterscheiden. Wird die vernetzende Verbindung
1 beispielsweise schneller in das Polymergerüst eingebaut
als das (Meth)acrylmonomer, wählt man eine vernetzende
Verbindung 2 so aus, dass diese langsamer in das Polymergerüst
eingebaut wird als das (Meth)acrylmonomer. Somit verbleibt während
der gesamten Polymerisationszeit genügend vernetzende Verbindung
erhalten, um jederzeit für eine ausreichende Vernetzung
des Polymergerüstes zu sorgen. Diese Strategie hat allerdings
den Nachteil, dass eine vernetzende Verbindung 2, die langsam in
das Polymergerüst eingebaut wird, bis zum Ende der Polymerisation
nicht vollständig aufgebraucht wird und zu einem gewissen
Teil im fertigen Perlpolymerisat verbleibt. Auch nach Überführung
des Perlpolymerisats in einen schwachsauren Ionenaustauscher verbleiben Restmengen
vernetzender Verbindung 2 im fertigen Harz.
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Eine
andere Strategie, die am Ende der Polymerisation unzureichende Vernetzung
zu kompensieren besteht darin, dass man die Gesamtmenge an vernetzender
Verbindung, wie z. B. Divinylbenzol, erhöht. Dadurch erhöht
man aber auch den Anteil an organischen Nebenkomponenten, die mit
der oft in technischer Qualität eingesetzten vernetzenden
Verbindung eingeschleppt werden. Im Falle von Divinylbenzol sind
dies unter anderem Ethylstyrol und Naphthalin. Diese Nebenkomponenten
verbleiben wiederum im fertigen schwachsauren Kationenaustauscher.
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Die
verbleibenden organischen Verbindungen im fertigen schwachsauren
Kationenaustauscher sind in der Regel wegen ihrer Kohlenwasserstoff-ähnlichen
Struktur nur sehr wenig in Wasser löslich und lassen sich
deswegen schlecht vollständig auswaschen. Auch wenn sie
nur in kleinen Mengen im schwachsauren Ionenaustauscher vorhanden sind,
geben sie trotzdem dem mit schwachsaurem Kationenaustauscher zu
behandelnden Wasser meist einen unangenehmen Geschmack bzw. einen unangenehmen
Geruch. Diese sind deutlich wahrnehmbar, weil das behandelte, enthärtete
Wasser kaum noch andere Komponenten enthält.
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In
kommerziellen Wasserenthärtungsapparaten, wie z. B. in
Filterkartuschen, wird der schwachsaure Ionenaustauscher deswegen
mit einem Adsorber, in der Regel Aktivkohle, gemischt, um die Geschmacks-
bzw. Geruchskomponenten in der Filtereinheit zurückzuhalten.
Dies erhöht nicht nur den Aufwand für die Herstellung
solcher Filtereinheiten sondern erschwert nach Gebrauch das Wiedergewinnen/Recyceln
des Ionenaustauschers erheblich. Auch mindert das Beimischen von
Adsorbern die Aufnahmekapazität der Filtereinheit für
härtebildende Kationen wie Magnesium und/oder Calcium.
Es ist also wünschenswert, auf den Einsatz von Adsorbern in
den Filtereinheiten zu verzichten.
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Aus
DE 10 237 601 A1 (=
WO 2004 022 611 A1 )
sind gelförmige Ionenaustauscher mit einem Durchmesser
von bis zu 500 μm bekannt, die aus gelförmigen
Perlpolymerisaten hergestellt werden, die 50 bis 99,9 Gew.-% Styrol
und als Comonomere copolymerisierbare Verbindungen wie beispielsweise Methylmethacrylat,
Ethylmethacrylat, Ethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat oder Acrylnitril
enthalten. Beim Verfahren gemäß
DE 10 237 601 A1 werden unvernetzte
Saatpolymerisate verwendet. Nach Hydrolyse der gelförmigen
Perlpolymerisate sind Kationenaustauscher erhältlich, die
funktionelle Gruppen vom Poly(meth)acrylsäure-Typ aufweisen.
Durch den hohen Gehalt nicht-funktionellen Styrols ist die Totalkapazität
(Anzahl der funktionellen Gruppen per Volumeneinheit des Harzes
in Eq./Liter) solcher Kationenaustauscher begrenzt und für
die meisten Anwendungen unzureichend. Außerdem lehrt
DE 10 237 601 A1 kein
Verfahren, das zu einer homogenen Struktur des Polymergertüsts
im Perlpolymerisat führt.
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Ausgehend
vom Stand der Technik bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, Kationenaustauscher vom Poly(meth)acrylsäure-Typ
mit homogener Struktur des Polymergerüsts und mit verbesserten
sensorischen Eigenschaften (Geschmack, Geruch) bereitzustellen.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist
deshalb ein Verfahren zur Herstellung von Kationenaustauschern vom
Poly(meth)acrylsäure-Typ dadurch gekennzeichnet, dass man
- a) perlförmige Monomertropfen in einer
kontinuierlichen, vorzugsweise wässrigen Phase bereitstellt,
- b) diese perlförmigen Monomertropfen bei erhöhter
Temperatur polymerisiert,
- c) während der Polymerisation die perlförmigen Monomertropfen
mit Mischungen aus (Meth)acrylmonomeren, wenigstens einem Vernetzer
und gegebenenfalls wenigstens einem Initiator und/oder wenigstens
einem Porogen versetzt, wobei die Mischung in die polymerisierenden
Tropfen eindringt,
- d) die Polymerisation bei erhöhter Temperatur vervollständigt
und
- e) das entstandene, vernetzte (Meth)acrylperlpolymerisat mit
Säuren oder Laugen zu einem vernetzten Perlpolymerisat
vom Poly(meth)acrylsäure-Typ hydrolysiert.
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Überraschenderweise
lassen sich auf der Weise Perlpolymerisate herstellen, ohne dass
Bildung von Koagulat oder von unförmigen Polymerteilchen
auftritt, was sonst bei der Nachdosierung von Vernetzer üblicherweise
der Fall ist. Der Begriff Poly(meth)acryl steht in dieser Anmeldung
stellvertretend für sowohl Polyacryl als auch Polymethacryl,
der Begriff (Meth)acryl sowohl für Methacryl als auch Acryl.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die
Schritte b) und c) ein oder mehrmals hintereinander wiederholt werden.
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Die
in Schritt a) einzusetzenden Monomertropfen werden bevorzugt durch
Dispersion des Monomers bzw. der Monomere durch Verrühren
in der kontinuierlichen Phase bereitgestellt.
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Kationenaustauscher
vom Poly(meth)acrylsäure-Typ sind schwachsauer und enthalten
polymerisierte Einheiten von Acrylsäure bzw. Methacrylsäure.
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Die
Monomertropfen aus Verfahrensschritt a) können im Wesentlichen
eine Mischung aus monoethylenisch ungesättigten Verbindungen,
einer polyvinylaromatischen Verbindung, einem oder mehreren Initiatoren
und gegebenenfalls einem oder mehreren Porogenen enthalten.
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Als
monoethylenisch ungesättigte Verbindungen werden bevorzugt
Styrol, Vinyltoluol, Ethylstyrol, α-Methylstyrol, Chlorstyrol,
Chlormethylstyrol, (Meth)acrylsäure, (Meth)acrylnitril,
und (Meth)acrylsäureester eingesetzt.
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Unter
(Meth)acrylsäureester werden die Ester der Acrylsäure
und Methacrylsäure verstanden. Bevorzugt werden Ethylacrylat,
Methylacrylat, n-Butylacrylat, t-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat,
Benzylacrylat, Ethylmethacrylat, Methylmethacrylat, n-Butylmethacrylat,
t-Butylmethacrylat oder 2-Ethylhexylmethacrylat eingesetzt. Besonders
bevorzugt werden Methylmethacrylat und Methylacrylat.
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Die
Monomertropfen aus Verfahrensschritt a) enthalten 0 bis 80 Gew.-%,
vorzugsweise 0,1 bis 30 Gew.-% Vernetzer. Bevorzugte Vernetzer für
die vernetzten Perlpolymerisate sind multifunktionelle ethylenisch
ungesättigte Verbindungen wie beispielsweise und bevorzugt
Butadien, Isopren, Divinylbenzol, Divinyltoluol, Trivinylbenzol,
Divinylnaphtalin, Trivinylnaphtalin, Divinylcyclohexan, Trivinylcyclohexan,
Triallycyanurat, Triallylamin, 1,7-Octadien, 1,5-Hexadien, Cyclopentadien,
Norbornadien, Diethylenglykoldivinylether, Triethylenglykoldivinylether, Tetraethylenglykoldivinylether,
Butandioldivinylether, Ethylenglycoldivinylether, Cyclohexandimethanoldivinylether,
Hexandioldivinylether oder Trimethylolpropantrivinylether. Besonders
bevorzugt wird Divinylbenzol eingesetzt. Kommerzielle Divinylbenzolqualitäten,
die neben den Isomeren des Divinylbenzols auch Ethylvinylbenzol
enthalten, sind ausreichend. Es können auch Mischungen
unterschiedlicher Vernetzer, z. B. Mischungen aus Divinylbenzol und
Divinylether eingesetzt werden.
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Für
den Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
bevorzugte Initiatoren sind Peroxyverbindungen wie Dibenzoylperoxid,
Dilauroylperoxid, Bis (p-chlorbenzoyl)peroxid, Dicyclohexylperoxydicarbonat,
tert.-Butylperoctoat, tert.-Butylperoxy-2-ethyl-hexanoat, 2,5-Bis(2- ethylhexanoylperoxy)-2,5-dimethylhexan
oder tert.-Amylperoxy-2-ethylhexan, sowie Azoverbindungen wie 2,2'-Azobis(isobutyronitril) oder
2,2'-Azobis(2-methylisobutyronitril).
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Die
Initiatoren werden im Allgemeinen in Mengen von 0,05 bis 2,5 Gew.-%,
vorzugsweise 0,1 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren-Mischung,
angewendet.
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Als
weitere Zusätze in den Monomertropfen aus monoethylenisch
ungesättigten Verbindungen, geeigneten Vernetzern und Initiatoren
können Porogene verwendet werden, um im kugelförmigen
Polymerisat eine makroporöse Struktur zu erzeugen. Hierfür
sind organische Lösungsmittel geeignet, die sich mit dem
Monomergemisch mischen. Bevorzugt sind Hexan, Cyclohexan, Methylcyclohexan,
Octan, Isooctan, Isododecan, Methylethylketon, Methylisobutylketon,
n-Butanol, 2-Butanol, Isobutanol, t-Butanol, Octanol allein oder
im Gemisch. Geeignete Porogene werden auch in
DE-A 1 045 102 ,
DE-A 1 113 570 und
US-A 4 382 124 beschrieben.
Besonders bevorzugt sind Isooctan, Isododecan und Methylisobutylketon.
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Im
Verfahrensschritt b) wird die Polymerisation der Monomertropfen
bei erhöhter Temperatur eingeleitet. Die Polymerisationstemperatur
richtet sich nach der Zerfallstemperatur des eingesetzten Initiators.
Sie liegt im Allgemeinen zwischen 50 und 180°C, vorzugsweise
zwischen 55 und 130°C. Die Polymerisation dauert 0,5 bis
einige Stunden, vorzugsweise 1 bis 12 Stunden. Es hat sich bewährt,
ein Temperaturprogramm anzuwenden, bei dem die Polymerisation bei
niedriger Temperatur, beispielsweise 60°C, begonnen wird
und die Reaktionstemperatur mit fortschreitendem Polymerisationsumsatz
gesteigert wird. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die
Forderung nach sicherem Reaktionsverlauf und hohem Polymerisationsumsatz
sehr gut erfüllen.
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In
wässriger Phase erfolgt die Polymerisation der Monomertropfen
bevorzugt in Anwesenheit eines oder mehrerer Schutzkolloide. Als
Schutzkolloide eignen sich bevorzugt natürliche oder synthetische
wasserlösliche Polymere, besonders bevorzugt Gelatine,
Stärke, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylsäure,
Polymethacrylsäure oder Copolymerisate aus (Meth)acrylsäure
und (Meth)acrylsäureestern. Ebenfalls besonders bevorzugt
sind Cellulosederivate, insbesondere Celluloseester und Celluloseether,
wie Carboxymethylcellulose, Methylhydroxyethylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose
und Hydroxyethylcellulose. Ganz besonders bevorzugt sind Gelatine
und Methylhydroxyethylcellulose. Die Einsatzmenge der Schutzkolloide
beträgt im Allgemeinen 0,05 bis 1 Gew.-% bezogen auf die
wässrige Phase, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 Gew.-%.
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In
einer alternativen Ausführungsform kann die wässrige
Phase einen gelösten Polymerisationsinhibitor enthalten.
Als Inhibitoren kommen sowohl anorganische als auch organische Stoffe
in Frage. Bevorzugte anorganische Inhibitoren sind Stickstoffverbindungen
wie Hydroxylamin, Hydrazin, Natriumnitrit und Kaliumnitrit, Salze
der phosphorigen Säure wie Natriumhydrogenphosphit sowie
schwefelhaltige Verbindungen wie Natriumdithionit, Natriumthiosulfat,
Natriumsulfit, Natriumbisulfit, Natriumrhodanid oder Ammoniumrhodanid.
Bevorzugte organische Inhibitoren sind phenolische Verbindungen
wie Hydrochinon, Hydrochinonmonomethylether, Resorcin, Brenzkatechin,
tert.-Butylbrenzkatechin, Pyrogallol oder Kondensationsprodukte
aus Phenolen mit Aldehyden. Weitere bevorzugte organische Inhibitoren sind
stickstoffhaltige Verbindungen. Hierzu gehören Hydroxylaminderivate
wie beispielsweise N,N-Diethylhydroxylamin, N-Isopropylhydroxylamin
sowie sulfonierte oder carboxylierte N-Alkylhydroxylamin- oder N,N-Dialkylhydroxylaminderivate,
Hydrazinderivate wie beispielsweise N,N-Hydrazinodiessigsäure,
Nitrosoverbindungen wie beispielsweise N-Nitrosophenylhydroxylamin,
N-Nitrosophenylhydroxylamin-Ammoniumsalz oder N-Nitrosophenylhydroxylamin-Aluminiumsalz.
Die Konzentration des Inhibitors beträgt 5 bis 1000 ppm
(bezogen auf die wässrige Phase), vorzugsweise 10 bis 500
ppm, besonders bevorzugt 10 bis 250 ppm.
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Die
Polymerisation kann gegebenenfalls auch in Anwesenheit eines Puffersystems
durchgeführt werden. Bevorzugt werden Puffersysteme, die den
pH-Wert der wässrigen Phase zu Beginn der Polymerisation
auf einen Wert zwischen 14 und 6, vorzugsweise zwischen 13 und 8
einstellen. Unter diesen Bedingungen liegen Schutzkolloide mit Carbonsäuregruppen
ganz oder teilweise als Salze vor. Auf diese Weise wird die Wirkung
der Schutzkolloide günstig beeinflusst. Besonders gut geeignete
Puffersysteme enthalten Phosphat- oder Boratsalze. Die Begriffe
Phosphat und Borat im Sinne der Erfindung umfassen auch die Kondensationsprodukte
der ortho-Formen entsprechender Säuren und Salze. Die Konzentration
des Phosphats bzw. Borats in der wässrigen Phase beträgt
0,5 bis 500 mmol/l, vorzugsweise 2,5 bis 100 mmol/l.
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Die
Rührgeschwindigkeit bei der Polymerisation hat vor allem
am Anfang der Polymerisation einen wesentlichen Einfluss auf die
Teilchengröße. Grundsätzlich werden bei
höheren Rührgeschwindigkeiten kleinere Teilchen
erhalten. Durch Anpassung der Rührgeschwindigkeit kann
der Fachmann die Teilchengröße der Perlpolymerisate
in den gewünschten Bereich steuern. Es können
verschiedene Rührertypen eingesetzt werden. Besonders geeignet sind
Gitterrührer mit axialer Wirkung. In einem 4 Liter Laborglasreaktor
werden typischerweise Rührgeschwindigkeiten von 100 bis
400 Upm (Umdrehungen pro Minute) eingesetzt.
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Das
Volumenverhältnis der Summe aus Monomertropfen und zugesetztem
Monomergemisch zu wässriger Phase beträgt 1:0,75
bis 1:20, vorzugsweise 1:1 bis 1:6.
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Im
Verfahrensschritt c) werden die polymerisierenden Monomertropfen
mit einem Monomerzulauf bestehend aus (Meth)acrylmonomeren, geeigneten
Vernetzern, und gegebenenfalls Initiatoren und/oder Porogenen versetzt.
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Unter
(Meth)acrylmomonomere werden im vorliegenden Zusammenhang (Meth)acrylester, (Meth)acrylamide,
(Meth)acrylnitril, Acrylsäure, Methacrylsäure,
Acrylsäurechlorid oder Methacrylsäurechlorid allein
oder im Gemisch verstanden. Unter (Meth)acrylamide werden substituierte
und nicht substituierte Amide der Acrylsäure und Methacrylsäure verstanden.
Bevorzugt sind Acrylamid, Methacrylamid, Dimethylacrylamid, Dimethylmethacrylamid, Diethylacrylamid,
Diethylmethacrylamid. (Meth)acrylnitril umfasst. Besonders bevorzugt
werden Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure, Acrylnitril,
Acrylsäuremethylester, Methacrylsäuremethylester
oder Methacrylsäurebutylester eingesetzt. Insbesondere
bevorzugt wird im Sinne der vorliegenden Erfindung Acrylnitril und/oder
Acrylsäuremethylester eingesetzt.
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Vernetzer
im Verfahrensschritt c) im Sinne der vorliegenden Erfindung sind
die unter Verfahrensschritt a) bereits beschriebenen Verbindungen.
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Der
Anteil des Vernetzers in der Gesamtmenge an Monomeren gebildet aus
vorgelegten Monomertropfen und Monomerzulauf beträgt 2
bis 50 Gew.-%, bevorzugt 4 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 4
bis 10 Gew.-%.
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Initiatoren
im Verfahrensschritt c) im Sinne der vorliegenden Erfindung sind
die unter Verfahrensschritt a) bereits beschriebenen Verbindungen.
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Die
Initiatoren werden im Allgemeinen in Mengen von 0,05 bis 2,5 Gew.-%,
vorzugsweise 0,1 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Monomeren,
angewendet.
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Als
weitere Zusätze in dem Monomerzulauf aus monoethylenisch
ungesättigten Verbindungen, geeigneten Vernetzern und Initiatoren
können dieselben Porogene wie im Schritt a) verwendet werden.
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Der
für die Synthese erfindungsgemäßer makroporöser
Kationenaustauscher eingesetzte Anteil an Porogen liegt insgesamt
bei 3 bis 60 Gew.-%, bevorzugt bei 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf
die Gesamtmenge an Monomeren, gebildet aus vorgelegten Monomertropfen
und dosiertem Monomergemisch. Das Porogen kann für die
Synthese makroporöser Perlpolymerisate sowohl vor als auch
während der Polymerisation zugegeben werden.
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Die
Begriffe „makroporös" bzw. „gelförmig" sind
in der Fachliteratur beispielsweise in Seidl, Malinsky,
Dusek, Heitz, adv. Polymer Sci., Vol. 5 Seiten 113 bis 213 (1967) eingehend
beschrieben worden.
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Die
Zugabe des Monomerzulaufs zu den polymerisierenden Monomertropfen
im Verfahrensschritt c) erfolgt zu einem Zeitpunkt, wo die polymerisierenden
Monomertropfen einen Polymerisationsumsatz von 5 bis 99%, bevorzugt
10 bis 85%, besonders bevorzugt 10 bis 50%, bezogen auf die im Verfahrensschritt
a) vorgelegten Monomermischung, erreicht haben.
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Die
Menge an Monomerzulauf im Verfahrensschritt c) beträgt
50 bis 500 Gew.-%, bevorzugt 100 bis 500 Gew.-%, besonders bevorzugt
100 bis 300 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des im Schritt a)
vorgelegten Monomergemisches aus monoethylenisch ungesättigten
Monomeren, Vernetzern, Initiatoren und gegebenenfalls Porogenen.
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Die
Zugabe des Monomerzulaufs zu den polymerisierenden Monomertropfen
im Verfahrensschritt c) kann auch in der Weise erfolgen, dass zu
einer wässrigen Dispersion der Monomertropfen eine wässrige
Emulsion des Monomerzulaufs zugesetzt wird. Bevorzugt sind feinteilige
Emulsionen mit mittleren Teilchengrößen von 1
bis 10 μm, die mit Hilfe von Rotor-Stator-Mischern, Mischstrahldüsen
oder Ultraschall-Dispergiergeräten unter Verwendung von Emulgierhilfsmitteln,
wie beispielsweise Sulfobernsteinsäureisooctylester-Natriumsalz,
hergestellt werden können.
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Nach
Ende von Monomerzugabe und Polymerisation im Schritt c) erfolgt
im Schritt d) das Vervollständigen der Polymerisation bei
erhöhter Temperatur. Die erhöhte Temperatur im
Schritt d) im Sinne der vorliegenden Erfindung richtet sich nach
der Zerfallstemperatur des eingesetzten Initiators. Sie liegt im
Allgemeinen zwischen 50 und 180°C, vorzugsweise zwischen
55 und 130°C. Das Vervollständigen der Polymerisation
dauert 0,5 bis einige Stunden, vorzugsweise 1 bis 6 Stunden. Auch
hier hat es sich bewährt, ein Temperaturprogramm anzuwenden,
bei dem die Reaktionstemperatur mit fortschreitendem Polymerisationsumsatz
gesteigert wird.
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Nach
der Polymerisation wird das Perlpolymerisat mit üblichen
Methoden, bevorzugt durch Filtrieren oder Dekantieren, isoliert
und gegebenenfalls gewaschen und getrocknet.
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Die
mittlere Teilchengröße der vernetzten (Meth)acryl-Perlpolymerisate
aus Verfahrensschritt d) beträgt 10–1000 μm,
vorzugsweise 100–1000 μm, besonders bevorzugt
200 bis 800 μm.
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Eine
alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist ein mehrstufiger Zulauf-Prozess. Dabei wird das (Meth)acrylpolymerisat
in mehreren Einzelschritten hergestellt. Bevorzugt wird dabei eine
wässrige Suspension von Monomertropfen auf der Basis von
Styrol-Divinylbenzol erzeugt, diese mit einem ersten Gemisch aus
(Meth)acrylmonomeren, Vernetzer und Initiator versetzt und polymerisiert,
wobei das Copolymerisat I erhalten wird. Das Copolymerisat I wird
mit weiterer Monomermischung aus (Meth)acrylmonomeren, Vernetzer
und Initiator versetzt und polymerisiert, wobei das erfindungsgemäße
vernetzte (Meth)acrylperlpolymerisat entsteht. Versetzen im Sinne
der vorliegenden Erfindung bedeutet das englische Wort feeding,
weshalb man auch statt versetzt „gefüttert" schreiben
kann. Man spricht dabei von einem Saat-Zulaufverfahren oder seed/feed-Prozeß.
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Im
Verfahrensschritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Hydrolyse des vernetzten und bei erhöhter Temperatur
polymerisierten (Meth)acryl-Perlpolymerisats aus Verfahrensschritt d).
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Bevorzugte
Hydrolysemittel sind hierfür starke Basen oder starke Säuren,
bevorzugt Natronlauge oder Schwefelsäure. Die Konzentration
des Hydrolysemittels beträgt im Allgemeinen 5 bis 50 Gew.-%. Die
Hydrolyse erfolgt bevorzugt bei Temperaturen von 50°C bis
200°C, besonders bevorzugt 80°C bis 180°C.
Die Dauer der Hydrolyse beträgt bevorzugt 1 bis 24 h, besonders
bevorzugt 1 bis 12 h.
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Nach
der Hydrolyse wird das Reaktionsgemisch aus Hydrolyseprodukt und
restlichem Hydrolysemittel auf Raumtemperatur abgekühlt
und zunächst mit Wasser verdünnt und gewaschen.
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Bei
Verwendung von Natronlauge als Hydrolysemittel fällt der
schwachsaure Kationenaustauscher in der Natrium-Form an. Für
manche Anwendungen ist es günstig, den Kationenaustauscher
von der Natrium-Form in die saure Form zu überführen. Diese
Umladung erfolgt bevorzugt mit Mineralsäuren wie Salzsäure
oder Schwefelsäure in Konzentrationen von 5 bis 50%, vorzugsweise
10 bis 20%.
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Falls
gewünscht kann der erfindungsgemäß erhaltene
schwachsaure Kationenaustauscher zur Reinigung mit Wasser oder Dampf
bei Temperaturen von 70 bis 180°C, vorzugsweise von 105
bis 150°C behandelt werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch die Kationenaustauscher vom
Poly(meth)acrylsäure Typ erhältlich durch
- a) Bereitstellen von Monomertropfen in einer
kontinuierlichen, vorzugsweise wässrigen Phase,
- b) Polymerisieren der Monomertropfen bei erhöhter Temperatur,
- c) Versetzen der polymerisierenden Monomertropfen mit Mischungen
aus (Meth)acrylmonomeren, wenigstens einem Vernetzer und gegebenenfalls
wenigstens einem Initiator und/oder wenigstens einem Porogen, wobei
die Mischung in die polymerisierenden Tropfen eindringt,
- d) Vervollständigen der Polymerisation bei erhöhter
Temperatur und
- e) Hydrolysieren des entstandenen vernetzten (Meth)acrylperlpolymerisats
mit Säuren oder Laugen zu einem vernetzten Perlpolymerisat
vom (Meth)acrylsäure-Typ.
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Die
erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher
weisen eine gute osmotische und mechanische Stabilität
auf. Sie zeichnen sich durch eine sehr geringe geschmackliche Beeinträchtigung
des behandelten Wassers aus. Aufgrund dieser günstigen
Eigenschaften sind diese schwachsauren Kationenaustauscher für
zahlreiche Anwendungen, bevorzugt im Lebensmittelbereich, geeignet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft deshalb auch die Verwendung der erfindungsgemäßen
Kationenautauscher vom Poly(meth)acrylsäure-Typ
- – zur Entfernung von Kationen, Farbpartikeln
oder organischen Komponenten aus wässrigen oder organischen
Lösungen,
- – zur Enthärtung im Neutralaustausch von wässrigen
oder organischen Lösungen,
- – zur Reinigung und Aufarbeitung von Wässern der
chemischen Industrie, der Elektronik-Industrie und aus Kraftwerken,
- – zur geschmacklichen und geruchlichen Verbesserung
von Trinkwasser
- – zur Abtrennung und Reinigung von biologisch wirksamen
Komponenten wie z. B. Antibiotika, Enzyme, Peptide und Nukleinsäuren
aus deren Lösungen, beispielsweise aus Reaktionsgemischen
und aus Fermentationsbrühen,
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Weiterhin
können die erfindungsgemäßen Kationenaustauscher
in Kombination mit gelförmigen und/oder makroporösen
Anionenaustauschern zur Vollentsalzung wässriger Lösungen
und/oder Kondensaten, insbesondere in der Trinkwasseraufbereitung,
eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft deshalb auch
- – Verfahren
zur Reinigung und Aufarbeitung von Wässern der chemischen
Industrie, der Elektronik-Industrie oder aus Kraftwerken
- – Verfahren zur Entfernung von Kationen, Farbpartikeln
oder organischen Komponenten aus wässrigen oder organischen
Lösungen Verfahren zur Enthärtung im Neutralaustausch
von wässrigen oder organischen Lösungen
- – Verfahren zur Abtrennung und Reinigung von biologisch
wirksamen Komponenten, bevorzugt von Antibiotika, Enzymen, Peptiden
und Nukleinsäuren aus deren Lösungen, insbesondere
aus Reaktionsgemischen und aus Fermentationsbrühen
- – Verfahren zur geschmacklichen und geruchlichen Verbesserung
von Trinkwasser
unter Einsatz der erfindungsgemäßen
Kationenaustauscher vom Poly(meth)acrylsäure-Typ.
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Beispiele
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Beispiel 1
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1.1) Herstellung eines Copolymerisates
enthaltend 64 Gew.% Acrylnitrileinheiten
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Verfahrensschritt a)
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In
einem 4 l Glasreaktor wurden 568 g voll entsalztes Wasser, 177,3
g Natriumchlorid, 9 g Dinatriumhydrogenphosphat Dodecahydrat, 3
ml 5 gew.-%ige Natronlauge, 129,24 g einer Lösung aus 1,24
g Hydroxyethylcellulose (Tylose® H
4000, Clariant GmbH, Wiesbaden, Deutschland) und 128 g voll entsalztem
Wasser, und 120,84 g einer Lösung aus 0,84 g eines Kondensationsprodukts
zwischen Naphthalinsulfonsäure und Formalin (Retingan® ZN, Lanxess Deutschland GmbH,
Leverkusen, Deutschland) und 120 g voll entsalztem Wasser, vorgelegt.
Es wurde 30 Minuten bei Raumtemperatur und 250 Upm gerührt,
danach 17,6 g Acrylnitril zugegeben und weitere 30 Minuten bei Raumtemperatur
gerührt.
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Der
Rührer wurde dann ausgeschaltet und eine Mischung aus 183
g Styrol, 12 g Divinylbenzol (technisch, 81,1 Gew.-%ig), 119 g Methylisobutylketon
und 1,2 g t-Butylperoctoat (Trigonox® 21S,
Akzo Nobel Polymer Chemicals B. v., Amersfoort, Niederlanden) zugegeben.
Der Ansatz wurde 20 Minuten stehen gelassen, wobei das Styrol enthaltende
Gemisch eine separate organische Phase oberhalb der wässrigen
Phase bildete. Am Ende der 20 Minuten ohne Rühren wurde
der Rührer mit einer Drehzahl von 250 Upm eingeschaltet.
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Verfahrensschritt c)
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Nach
5 Minuten Rühren wurde der Reaktorinhalt innerhalb 1 Stunde
auf 70°C aufgeheizt.
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Verfahrensschritt c)
-
Nach
30-minütigem Rühren bei 70°C wurde die
Rührerdrehzahl auf 160 Upm abgesenkt und es wurden innerhalb
von weiteren 3 Stunden eine Mischung aus 537,32 g Acrylnitril und
56,6 g DVB (Divinylbenzol) 81,1 Gew.-% hinzu dosiert. Zur besseren Einhaltung
der Reaktionstemperatur von 70°C wurde während
der Dosierung des Acrylnitrilzulaufs portionsweise 250 ml 25°C
warmes voll entsalztes Wasser zugegeben. Nach beendeter Dosierung
wurde weitere 5 Stunden bei 70°C polymerisiert.
-
Verfahrensschritt d)
-
Anschließend
wurde in einer Stunde auf 80°C erhitzt, eine Stunde bei
80°C gerührt, in einer Stunde auf 95°C
erhitzt und weitere 2 Stunden bei 95°C gerührt.
-
Der
Ansatz wurde nach dem Abkühlen über ein 100 μm-Sieb
mit entionisiertem Wasser gewaschen und dann 24 Stunden bei 70°C
und weitere 24 Stunden bei 80°C im Umlufttrockenschrank
getrocknet. Man erhielt 575 g eines kugelförmigen Copolymerisats
mit einem Stickstoffgehalt von 16,8 Gew.-%. Dies entspricht einen
Acrylnitrilgehalt von 64 Gew.-%.
-
1.2) Umsetzung des acrylnitrilhaltigen
Copolymerisates zu einem schwach sauren Kationenaustauscher
-
Verfahrensschritt e)
-
- Apparatur: 6 l Druckreaktor mit Druckhalteventil, Rührer,
Thermostat, Pumpe
-
Im
Reaktor wurden 1800 ml voll entsalztes Wasser und 500 g vernetztes
Copolymerisat aus 1.1) vorgelegt. Die Suspension wurde auf 150°C
erhitzt. In 2 Stunden wurden 160 ml 50 gew.-%ige Natronlauge hinzu
dosiert. Anschließend wurden in 1 1/4 Stunden weitere 840
ml 50 gew.-%ige Natronlauge hinzu dosiert. Danach wurde weiter 2
Stunden bei 150°C gerührt. Der Ansatz wurde abgekühlt.
Das verseifte Polymerisat wurde abgelassen und auf der Nutsche mit
voll entsalztem Wasser alkalifrei gewaschen.
Volumenausbeute:
2480 ml
-
Das
Harz wurde in eine Säule überführt. Von oben
wurden 10 Liter 4 gew.% ige wässrige Schwefelsäure
in 4 Stunden überfiltriert. Anschließend wurde
das Harz mit voll entsalztem Wasser schwefelsäurefrei gewaschen.
Volumenausbeute:
960 ml
Totalkapazität: 4,53 mol/l
Reststickstoffgehalt:
1,1 Gew.-%
-
Nach
Kontakt mit dem Harz wies Leitungswasser keinen wahrnehmbaren Kohlenwasserstoffgeschmack
auf.
-
Beispiel 2
-
2.1) Herstellung eines Copolymerisates
enthaltend 54 Gew:-% Acrylnitrileinheiten.
-
Verfahrensschritt a)
-
In
einem 4 l Glasreaktor wurden 568 g voll entsalztes Wasser, 177,3
g Natriumchlorid, 9 g Dinatriumhydrogenphosphat Dodecahydrat, 3
ml 5 gew.-%ige Natronlauge, 129,24 g einer Lösung aus 1,24
g Hydroxyethylcellulose (Tylose® H
4000, Clariant GmbH, Wiesbaden, Deutschland) und 128 g voll entsalztem
Wasser, und 120,84 g einer Lösung aus 0,84 g eines Kondensationsprodukts
zwischen Naphthalinsulfonsäure und Formalin (Retingan® ZN, Lanxess Deutschland GmbH,
Leverkusen, Deutschland) und 120 g voll entsalztem Wasser, vorgelegt.
Es wurde 30 Minuten bei Raumtemperatur und 250 Upm gerührt.
Danach wurden 17,6 g Acrylnitril zugegeben und weitere 30 Minuten
bei Raumtemperatur gerührt.
-
Der
Rührer wurde dann ausgeschaltet und eine Mischung aus 183
g Styrol, 12 g Divinylbenzol (technisch, 81,1 Gew.-%ig), 119 g n-Butylacetat
und 1,2 g t-Butylperoctoat (Trigonox® 21S,
Akzo Nobel Polymer Chemicals bv, Amersfoort, Niederlanden) zugegeben.
Dieser Ansatz wurde 20 Minuten stehen gelassen, wobei das Styrol
enthaltende Gemisch eine separate organische Phase oberhalb der
wässrigen Phase bildete. Am Ende der 20 Minuten ohne Rühren
wurde der Rührer mit einer Drehzahl von 250 Upm eingeschaltet.
-
Verfahrensschritt b)
-
Nach
5 Minuten Rühren wurde der Reaktorinhalt innerhalb 1 Stunde
auf 70°C aufgeheizt.
-
Verfahrensschritt c)
-
Nach
30-minütigem Rühren bei 70°C wurde die
Rührerdrehzahl auf 160 Upm abgesenkt und es wurden innerhalb
von weiteren 3 Stunden eine Mischung aus 537,32 g Acrylnitril und
56,6 g Divinylbenzol (DVB) 81,1 Gew.-% hinzu dosiert. Zur besseren
Einhaltung der Reaktionstemperatur von 70°C wurde während
der Dosierung des Acrylnitrilzulaufs portionsweise 250 ml 25°C
warmes voll entsalztes Wasser zugegeben. Nach beendeter Dosierung
wurde weitere 5 Stunden bei 70°C polymerisiert.
-
Verfahrensschritt d)
-
Anschließend
wurde in einer Stunde auf 80°C erhitzt, eine Stunde bei
80°C gerührt, in einer Stunde auf 95°C
erhitzt und weitere 2 Stunden bei 95°C gerührt.
-
Der
Ansatz wurde nach dem Abkühlen über ein 100 μm-Sieb
mit entionisiertem Wasser gewaschen und auf einer Nutsche abgesaugt.
Man erhielt 960 ml g wasserfeuchtes Copolymerisat mit einem Stickstoffgehalt
von 14,2 Gew.-%. Dies entspricht einen Acrylnitrilgehalt von 54
Gew.-%. Das Harz wies ein Trockengewicht von 0,567 g Trockensubstanz
pro ml feuchtes Harz auf.
-
2.2) Umsetzung des acrylnitrilhaltigen
Copolymerisates zu einem schwach sauren Kationenaustauscher
-
Verfahrensschritt e)
-
- Apparatur: 6 l Druckreaktor mit Druckhalteventil, Rührer,
Thermostat, Pumpe
-
Im
Reaktor wurden 1800 ml voll entsalztes Wasser und 880 ml wasserfeuchtes
Copolymerisat aus 2.1) vorgelegt. Die Suspension wurde auf 150°C erhitzt.
In 2 Stunden wurden 213 ml 50 gew.-%ige Natronlauge hinzu dosiert.
Anschließend wurden in 1 1/4 Stunden weitere 840 ml 50
gew.-%ige Natronlauge hinzu dosiert. Danach wurde weiter 2 Stunden
bei 150°C gerührt. Der Ansatz wurde abgekühlt.
Das verseifte Polymerisat wurde abgelassen und auf der Nutsche mit
voll entsalztem Wasser alkalifrei gewaschen.
Volumenausbeute:
3140 ml
-
Das
Harz wurde in eine Säule überführt. Von oben
wurden 10 Liter 4 gew.-%ige wässrige Schwefelsäure
in 4 Stunden überfiltriert. Anschließend wurde
das Harz mit voll entsalztem Wasser schwefelsäurefrei gewaschen.
Volumenausbeute:
1220 ml
Totalkapazität: 4,00 mol/l
Reststickstoffgehalt:
0,8 Gew.-%
-
Nach
Kontakt mit dem Harz wies Leitungswasser keinen wahrnehmbaren Kohlenwasserstoffgeschmack
auf.
-
Beispiel 3
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3.1) Herstellung eines Copolymerisates
enthaltend 90 Gew.% Acrylnitrileinheiten.
-
Verfahrensschritt a)
-
In
einem 4 l Glasreaktor wurden 510 g voll entsalztes Wasser, 177,3
g Natriumchlorid, 1,4 g Borax, 85,82 g einer Lösung aus
0,82 g Hydroxyethylcellulose (Tylose® H
4000, Clariant GmbH, Wiesbaden, Deutschland) und 85 g voll entsalztem
Wasser, und 81,56 g einer Lösung aus 0,56 g eines Kondensationsprodukts
zwischen Naphthalinsulfonsäure und Formalin (Retingan® ZN, Lanxess Deutschland GmbH,
Leverkusen, Deutschland) und 81 g voll entsalztem Wasser, vorgelegt.
Es wurde 30 Minuten bei Raumtemperatur und 250 Upm gerührt,
danach 16,6 g Acrylnitril zugegeben und weitere 30 Minuten bei Raumtemperatur
gerührt.
-
Der
Rührer wurde dann ausgeschaltet und es wurde eine Mischung
aus 183 g Acrylnitril, 25,1 g Divinylbenzol (technisch, 81,1 Gew.-%ig)
und 1,2 g Dibenzoylperoxid (75 Gew.-%ig) zugegeben. Der Ansatz wurde
20 Minuten stehen gelassen, wobei das Divinylbenzol enthaltende
Gemisch eine separate organische Phase oberhalb der wässrigen
Phase bildete. Am Ende der 20 Minuten ohne Rühren wurde
der Rührer mit einer Drehzahl von 250 Upm eingeschaltet.
-
Verfahrensschritt b)
-
Nach
5 Minuten Rühren wurde der Reaktorinhalt innerhalb 1 Stunde
auf 70°C aufgeheizt.
-
Verfahrensschritt c)
-
Nach
30-minütigem Rühren bei 70°C wurde die
Rührerdrehzahl auf 160 Upm abgesenkt und es wurden innerhalb
von weiteren 3 Stunden eine Mischung aus 537,32 g Acrylnitril und
42,45 g Divinylbenzol 81,1 Gew.-% hinzu dosiert. Nach beendeter Dosierung
wurde weitere 5 Stunden bei 70°C polymerisiert.
-
Verfahrensschritt d)
-
Es
wurde in einer Stunde auf 80°C aufgeheizt und weitere 6
Stunden bei 80°C gerührt.
-
Der
Ansatz wurde nach dem Abkühlen über ein 100 μm-Sieb
mit entionisiertem Wasser gewaschen und auf einer Nutsche abgesaugt.
Man erhielt 1180 ml g wasserfeuchtes Copolymerisat mit einem Stickstoffgehalt
von 23,7 Gew.-%. Dies entspricht einen Acrylnitrilgehalt von 90
Gew.-%. Das Harz weist ein Trockengewicht von 0,589 g Trockensubstanz
pro ml feuchtes Harz auf.
-
3.2) Umsetzung des acrylnitrilhaltigen
Copolymerisates zu einem schwach sauren Kationenaustauscher
-
Verfahrensschritt e)
-
- Apparatur: 6 l Druckreaktor mit Druckhalteventil, Rührer,
Thermostat, Pumpe
-
Im
Reaktor wurden 1800 ml voll entsalztes Wasser und 849 ml wasserfeuchtes
Copolymerisat aus 3.1) vorgelegt. Die Suspension wurde auf 150°C erhitzt.
In 2 Stunden wurden 160 ml 50 gew.-%ige Natronlauge hinzu dosiert.
Anschließend wurden in 1 1/4 Stunden weitere 840 ml 50
gew.-%ige Natronlauge hinzu dosiert. Danach wurde weiter 2 Stunden
bei 150°C gerührt. Der Ansatz wurde abgekühlt.
Das verseifte Polymerisat wurde abgelassen und auf der Nutsche mit
voll entsalztem Wasser alkalifrei gewaschen.
Volumenausbeute:
2300 ml
-
Das
Harz wurde in eine Säule überführt. Von oben
wurden 10 Liter 4 gew.-%ige wässrige Schwefelsäure
in 4 Stunden überfiltriert. Anschließend wurde
das Harz mit voll entsalztem Wasser schwefelsäurefrei gewaschen.
Volumenausbeute:
1240 ml
Totalkapazität: 3,90 mol/l
-
Nach
Kontakt mit dem Harz wies Leitungswasser keinen wahrnehmbaren Kohlenwasserstoffgeschmack
auf.
-
Untersuchungsmethoden:
-
Bestimmung der Totalkapazität
des Harzes
-
In
einem 100 ml Messzylinder werden unter voll entsalztem Wasser auf
einem Vibriertisch 55 ml Ionenaustauscher in der Lieferform eingerüttelt
und in ein Filterrohr gespült. 300 ml 15%ige Salzsäure werden
innerhalb von 60 Minuten hinzudosiert. Anschließend wird
mit entionisiertem Wasser gewaschen, bis das Eluat neutral ist.
Von dem Harz werden 50 ml eingerüttelt und in ein Filterrohr
gespült. 600 ml in Natronlauge werden innerhalb von 60
Minuten hinzudosiert und das Eluat wird in einem 1 Liter Erlenmeyerkolben
aufgefangen. Das Harz wird mit 200 ml entionisiertem Wasser gewaschen,
wobei das Eluat ebenfalls in dem 1 Liter Erlenmeyerkolben aufgefangen
wird. Der Erlenmeyerkolben wird mit vollentsalztem Wasser bis zur
Marke aufgefüllt und gemischt. 50 ml Lösung werden
in einem Becherglas mit 50 ml vollentsalztem Wasser verdünnt
und unter Verwendung einer pH-Elektrode mit 0,1 n Salzsäure bis
pH 4,3 titriert.
Totalkapazität (TK): die Totalkapazität
ist ein Maß für die Menge saurer Gruppen im Harz.
Dimension:
mol saure Gruppen pro Liter Harz
Bestimmung der TK
(30 – Verbrauch)/2,5
= mol/Liter Harz in der sauren Form
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10322441
A1 [0004]
- - US 2005090621 A1 [0004]
- - DD 67583 [0004]
- - US 5369132 [0004]
- - DE 10237601 A1 [0011, 0011, 0011]
- - WO 2004022611 A1 [0011]
- - DE 1045102 A [0023]
- - DE 1113570 A [0023]
- - US 4382124 A [0023]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Seidl, Malinsky,
Dusek, Heitz, adv. Polymer Sci., Vol. 5 Seiten 113 bis 213 (1967) [0038]