JP2788101B2 - 弱酸性陽イオン交換樹脂の製造方法 - Google Patents

弱酸性陽イオン交換樹脂の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、架橋結合したアクリロニトリル・ビーズ重
合体を加水分解することにより弱酸性陽イオン交換樹脂
を製造するための環境適合性をもった新規方法に関す
る。
架橋したポリアクリル酸を基体にした弱酸性陽イオン
交換樹脂、および架橋したアクリロニトリル・ビーズ重
合体を酸またはアルカリにより加水分解することによる
その製造方法は公知である[例えばウルマンの工業化学
大辞典(Ulamann's Enzyklopdie der technischen Ch
emie)第4版13巻301頁、米国特許第2,885,371号、東独
特許第79,584号およびドイル特許第1,595,700号参
照]。
酸加水分解による弱酸性陽イオン交換樹脂の製造は、
加水分解が激しい熱の発生を伴って進行するため、工業
的規模の回分法においては調節が困難なこと、並びに加
水分解中に硫酸アンモニウムを含む廃硫酸が大量に生じ
るという欠点をもっている。これらの塩を含む硫酸は、
回収しなければならないが、回収にはかなりの技術的な
コストがかかる。このような欠点のために、酸加水分解
方法は、実用的に実施されていない。
酸加水分解法に比べ、アルカリ加水分解法は、加水分
解中に生じるアンモニアは回収することができ、環境汚
染の原因となる硫酸アンニウムとして得られることはな
い利点をもっている。アルカリ加水分解は、アルカリ金
属水酸化物を5〜45%含む水溶液、アルコール溶液また
はアルコール性水溶液を用いて行わて、一般に加水分解
させる架橋したポリアクリロニトリル・ビーズ重合体の
懸濁物(膨潤した又はしない状態で)をアルカリ性加水
分解剤中で60〜170℃の温度に加熱し、この間還流下に
おいて或いは閉じた反応容器(オートクレーブ)中にお
いて、撹拌しながら加水分解が終了するまで混合物をこ
の温度に保つ方法で行われる。しかしこのアルカリ加水
分解には、酸加水分解と同様な安全上の危険が伴う。ま
たアルカリ加水分解は、熱を激しく発生し、アンモニア
は一様にではなく爆発的に放出される。
従って本発明の目的は、安全性の見地並びに環境適合
性の見地から見て許容できる、架橋したポリアクリロニ
トリル・ビーズ重合体をアルカリにより加水分解する経
済的な方法を開発し、さらに高度の機械的および浸透圧
耐性をもち、高純度で高度の有効容量をもった弱酸性陽
イオン交換樹脂を提供することである。
本発明においては驚くべきことには、従来法のように
加水分解すべきポリアクリロニトリル・ビーズ重合体と
アルカリ性加水分解剤とを加水分解開始前に互いに混合
した後に加熱する代わりに、即ち該ビーズ重合体のアル
カリ性加水分解剤懸濁液を所望の加水分解温度に加熱す
る代わりに、加水分解温度において両反応原料を熱およ
びアンモニアが発生する速度で導入することにより、例
えば最初片方の、即ちアルカリ性加水分解剤またはビー
ズ重合体を反応容器に入れてこれを加水分解温度に加熱
し、次いで第二の反応原料を撹拌しながら導入するか、
或いは予め加水分解温度に加熱した反応容器に両方の反
応原料を計量しながら同時に導入することにより、上記
本発明の目的の方法が達成されることが見出だされた。
また本発明においては、驚くべきことには、両反応原
料を高温で混合すれば、ニトリル基のカルボキシル基へ
の加水分解が自発的に始まり、加水分解剤が或る一定量
過剰に存在することとは関連がなく、また反応速度、従
ってアンモニアおよび熱の発生速度は、量反応原料の混
合速度により制御できることが見出だされた。さらに加
水分解速度、従ってアンモニアおよび熱の発生速度は、
本発明方法で量反応原料を高温で混合することにより調
節することができ、従って加水分解は安全上の危険を伴
うことなく工業的規模で実施ことができることが見出だ
された。
従って本発明は、ビーズ重合体およびアルカリ性加水
分解剤を高温においてのみ混合することを特徴とする、
架橋したアクリロニトリル・ビーズ重合体をアカリ性加
水分解剤で高温において加水分解することにより弱酸性
陽イオン交換樹脂を製造する方法に関する。
反応を安全に行うことができるという上記利点の他
に、本発明方法は、得られる弱酸性陽イオン交換樹脂が
機械的および浸透圧に対する高度の耐性および高度の有
効容量をもっているばかりでなく、公知のアルカリ加水
分解法で得られる弱酸性陽イオン交換樹脂とは対照的
に、実質的に低分子量の有機化合物(未反応の単量体お
よび単量体中に含まれる非重合性化合物)を含まず、す
なわち非常に純粋であり、従って加水分解後に得られた
弱酸性陽イオン交換樹脂を精製する操作を別に行う必要
がない利点をもっている。
本発明方法、即ち所定の反応温度において両反応原料
を混合する方法は、種々の方法で行うことができる。
方法1: 加水分解すべきビーズ重合体を含む水性懸濁液を反応
容器に入れ、これを予め所望の加水分解温度に加熱し、
これに撹拌しながらアルカリ性加水分解剤を連続的に加
える。
方法2: アルカリ性加水分解剤を反応容器に入れ、これを予め
所望の加水分解温度に加熱し、これに撹拌しながら加水
分解すべきビーズ重合体を(計量して)導入する。
方法3: 加水分解すべきビーズ重合体およびアルカリ性加水分
解剤を同時に計量し、これを所望の加水分解温度に加熱
した反応容器に加えるか、或いは予め反応容器に入れ所
望の反応温度に加熱した水の中に導入する。
方法1は、操作および装置が特に簡単である。驚くべ
きことには、方法1において計算量(加水分解すべきニ
トリル基を基にして)25〜50モル%の加水分解剤を加え
た時点で既に熱の発生は実質的に止み、以後は所望の反
応温度を維持するために、熱を供給しなければならない
ことが見出だされた。従って残りの量の加水分解剤は、
もっと速く添加することができる。このような添加速度
が増加するため空間/時間収率がかなり増加する。
加水分解中に生じるアンモニア、即ち反応成分を混合
した状態にある間に発生するアンモニアは、必要に応じ
加圧下に蒸溜し、適当な装置、例えば洗滌機を使用して
濃アンモニア水として得られる。反応成分を混合した
後、アンモニアが生じなくなるまで蒸溜によりアンモニ
アを除去する。
加水分解剤としては、アルカリ金属の水酸化物および
アルカリ土類金属の水酸化物の任意の水溶液、アルコー
ル溶液またはアルコール性水溶液を使用することがで
き、アルカリ水溶液、例えば水酸化カリウム水溶液およ
び特に水酸化ナトリウム水溶液が好適である。
できるだけ短時間にニトリル機の反応を完了させるた
めには、両反応成分の混合が終了したときの水性相中の
アルカリ濃度が5〜40終了%、好ましくは10〜30重量%
になり、加水分解すべきニトリル基を基にしてアルカリ
過剰量が10〜300モル%、好ましくは100〜250モル%に
なるようにアルカリの量を選ぶ。
できるだけ短時間にニトリル基の反応を完了させるた
めには、必要に応じ減圧下において、反応を105〜200
℃、好ましくは110〜170℃で行うことが有利である。
本発明方法においては、加水分解剤として15〜25重量
%の水酸化ナトリウムを使用し、加水分解を125〜160℃
で行うことが特に有利である。この加水分解条件におい
ては、最高10重量%のポリビニル化合物で架橋したアク
リロニトリル・ビーズ重合体を用いた場合、4〜5時間
以内ですでにニトリル基は90〜95%転化している(加水
分解度)。
本発明方法で加水分解させるべき架橋したアクリロニ
トリル・ビーズ重合体はアクリロニトリルと架橋剤とし
て機能するポリビニル化合物、例えばジビニルベンゼ
ン、脂肪族または脂環式のポリアリル化合物、例えば2,
5−ジメチルヘキサ−1,5−ジエン、1,2,4−トリビニル
シクロヘキサンおよびトリビニルベンゼンとの共重合体
である。アクリロニトリル単位および架橋剤の他に、こ
の共重合体はさらに他のモノビニル化合物、例えば(メ
タ)アクリル酸エステル、スチレンおよび酢酸ビニルを
含んでいることができる。本発明方法はまた、メタクリ
ロニトリル、クロロアクリロニトリル、ビニリデンシア
ニドまたはクロトノニトリルを基にした弱酸性陽イオン
交換樹脂の製造にも適している。
実施例 加熱ジャケット、撹拌機、温度計および圧力調節弁を
備えた50のV4A撹拌容器中において、脱塩水16中に
共重合体アクリロニトリルを(濃度61%のジビニルベン
ゼン7.5重量%および1,7−オクタジエン2重量%との混
合物をビーズ重合させて得られたもの)10を含む懸濁
液を撹拌しながら150℃に加熱する。この温度に達した
後、水酸化ナトリウム45%溶液4.0kg(使用するニトリ
ル基に基づいて49モル%)を4.8〜5バールの内部圧下
において100分に亙り容器の中に圧入する。内部温度を1
48〜152℃の一定温度に保つためには、最初の90分間ゆ
っくりと冷却することが必要である。次いで水酸化ナト
リウム45%溶液の残りの13.5kg(使用するニトリル基に
基づいて166モル%)を40分をかけて圧入する。内部温
度を150℃に保つためには、混合物を加熱することが必
要である。同時にアンモニアを漸次蒸溜し始める。水酸
化ナトリウムの添加が終了した後、さらに3.5時間148〜
152℃においてアンモニアの蒸溜を続ける。この工程の
間に容器の内部圧力は徐々に5〜2.5バールに低下し
た。
蒸溜して除去したアンモニアは、洗滌機に吸収させ、
25%水溶液として集める。蒸溜塔の流出物は撹拌容器へ
の圧入して戻される。
アンモニアの蒸溜が終了し混合物を冷却した後、容器
の全内容物を洗滌機に移し、反応溶液を流下させ脱塩水
で陽イオン交換水を洗滌する。得られた陽イオン交換体
をナトリウム塩の形からH形に変えるためには、陽イオ
ン交換体を10%硫酸で再生し、流下物が中性になるまで
洗滌する。
Na 形の弱酸性陽イオン交換樹脂26.9=H 形の弱
酸性陽イオン交換樹脂18.9が得られた。この樹脂の全
容量はH 形1当たり4.58当量である。ニトリル基の
転化率は94.6モル%である。浸透機械的安定性を試験し
た結果、全ビーズの99%が2.5バールの圧をかけて150回
の荷重変化を行う試験に耐えた。純度試験では、得られ
たNa 形の陽イオン交換体1,500mlを1,000mlの脱塩水に
懸濁させて水蒸気蒸溜にかけたところ、毎時200mlの水
蒸気凝縮物が得られがが(実験継続時間5時間)、いず
れの溜分においても有機化合物、特にナフタレンは検出
されなかった(この試験のナフタレンに対する検出限界
は1mg/)。
また25%アンモニア水溶液5.85kgを得た。
ビーズ重合体および水酸化ナトリウム溶液を次のよう
にして混合し同じ品質の弱酸性陽イオン交換剤を同じ量
だけ得た。
(a)撹拌容器中で45%水酸化ナトリウム17.5kgを150
℃に加熱し、別の容器に入れた脱塩水16中に上記ビー
ズ重合体10を含む懸濁液を同じ温度で4時間に亙り計
量スクリューを用いてこの溶液に連続的に導入する。
(b)脱塩水10を撹拌容器中で150℃に加熱し、45%
水酸化ナトリウム溶液17.5kg(計量ポンプを介し)およ
び脱塩水6中に上記ビーズ重合体10を含む懸濁液
(計量スクリューを介し)を別の容器から同時に連続的
にこの水の中に温度148〜150℃において4時間に渡り導
入する。
アンモニアを蒸溜し、いずれの場合にも上記方法で加
水分解生成物を回収した。
本発明の主な特徴及び態様は次の通りである。
1.ビーズ重合体およびアルカリ性加水分解剤を105〜200
℃の温度においてのみ反応させる、架橋したアクリロニ
トリル・ビーズ重合体をアルカリ性加水分解剤で加水分
解することにより弱酸性陽イオン交換樹脂を製造する方
法。
2.アルカリ性加水分解剤としてアルカリ水溶液を使用す
る上記第1項記載の方法。
3.加水分解中に生成するアンモニアを水と共に連続的に
蒸溜して除去する上記第1または2項記載の方法。
4.ビーズ重合体およびアルカリ性加水分解剤を温度110
〜170℃で反応させる上記第1、2および3項記載の方
法。
5.予め反応容器に入れ所望の加水分解温度に加熱した加
水分解すべきビーズ重合体の懸濁液に、アルカリ性加水
分解剤を撹拌しながら連続的に加える上記第1〜4項記
載の方法。
6.加水分解剤として15〜25重量%の水酸化ナトリウム水
溶液を使用し、両反応成分を温度125〜160℃において反
応させる上記第1〜4項記載の方法。
フロントページの続き (72)発明者 ヘルベルト・ブイ・デイール アメリカ合衆国ノースカロライナ州 27406 グリーンズボロ・ドイルストリ ート 2408 ストツクハウゼン・インコ ーポレーテッド内 (72)発明者 アクセル・シエフアー ブラジル国ノバイグナズ・ベルフオード ロクソ・エストラダボアエスペランザ 650 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C08F 8/00,8/12 C08J 5/20 - 5/22,7/00,7/12 B01J 39/00,39/18 - 39/22

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】架橋したアクリロニトリル・ビーズ重合体
    をアルカリ性加水分解剤で加水分解することにより弱酸
    性陽イオン交換樹脂を製造する方法において、ビーズ重
    合体とアルカリ性加水分解剤とを105〜200℃の温度にお
    いてのみ反応させることを特徴とする方法。
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