KR100885650B1

KR100885650B1 - 강산 양이온 교환수지의 제조방법

Info

Publication number: KR100885650B1
Application number: KR1020020034798A
Authority: KR
Inventors: 로바크윌리엄더글라스; 로센바음브루스모리스
Original assignee: 롬 앤드 하스 캄파니
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2009-02-25
Also published as: US6784213B2; JP4205899B2; EP1270609A2; TW593459B; KR20030001280A; US20030018090A1; CN1393291A; CN1331607C; JP2003048920A; MXPA02006181A; EP1270609A3; EP1270609B1

Abstract

유기 팽창 용매없이 습윤 가교 공중합체의 술폰화에 의해 강산 양이온 교환수지를 제조하는 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은 비-용매 술폰화에 따르는 3~35%의 선택된 잔류 수분 수준으로 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 물을 제거하여, 증진된 물리적 안정성을 가지며 염소화-용매 오염물이 없는 강산 양이온 교환수지를 제공하는 것을 포함한다.

강산 양이온 교환 수지, 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체, 유기 팽창 용매, 술폰화, 수성서스펜션 중합

Description

강산 양이온 교환 수지의 제조 방법{METHOD FOR PREPARATION OF STRONG ACID CATION EXCHANGE RESINS}

본 발명은 습윤 공중합체 및 비-용매 술폰화 조건을 사용한 강산 양이온 교환 수지의 개선된 제조 방법에 관한 것이다.

다른 타입의 술폰화 시약과 가교된 비닐아로마틱 중합체의 술폰화는 잘 알려져있다. Biochemical Aspects of Reactions on Solid Supports, pp 201-202, Academic Press, Inc. N.Y., N.Y., 1971에서 J. A. Patterson은 H₂SO₄단독, H₂SO₄+ 과염소산염에틸렌 및 클로로술포닐산 + 메틸렌클로라이드를 사용하여 스티렌-디비닐벤젠(St-DVB) 공중합체를 술폰화하는 3개의 일반적인 방법 사용을 개시하고 있다. H₂SO₄ 단독으로 술폰화하는 경우, H₂SO₄의 순도는 96~105%(H ₂SO₄당량을 기준으로) 사이가 전형적이며, 추천되는 온도의 범위는 110~145℃ 사이(공중합체의 침투온도 보다 5℃위인 110℃와 산화로 인한 측쇄 파열 온도이며, 컬러 트로우(color throw)가 일어나기 시작하는 145℃)이다. 미국 특허 제 2,500,149 및 4,256,840은 용매-보조 및 비-용매 술폰화의 예를 각각 개시하고 있다. 상기 참고문헌들은 모두 술폰화가 건조하며 수분이 없는 공중합체와 함께 수행된다는 것을 가르치고 있다.

미국 특허 제 3,158,583은 추가적인 술폰화로서 폴리술폰화가 발연황산 (oleum)(유리 SO₃, 10~70중량% 함유하는 황산)을 사용하여 얻어질 수 있다는 것을 개시하고 있다. 유럽 특허 868,444-A는 비활성 염소-함유 팽창 시약의 첨가없이, 125~180℃에서 80~96% 황산과 St-DVB 공중합체의 술폰화 방법을 개시하고 있다.

본 발명에 의해 지적된 문제는 술폰화 방법을 돕기 위해 건조한 공중합체의 사용을 요구하거나 혹은 유기 팽창 용매의 사용에 의존하는 종래 술폰화 방법의 결함을 극복하기 위한 것이다. 본 발명은 비-용매 술폰화와 함께 습윤 공중합체를 사용함으로서 상기 결함을 극복하는 한편, 증진된 물리적 안정성을 갖는 강산 양이온 교환 수지를 제공한다.

본 발명은 (a)수성 서스펜션 중합에 의해 제조된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 물을 제거하여 물이 제거된 공중합체의 중량을 기준으로, 3~35%의 잔류 수분양을 갖는 물이 제거된 공중합체를 제공하는 단계; 및 (b) 95~105% 황산의 존재하에서 실질적으로 유기 팽창 용매없이, 20분~20시간동안 105~140℃에서 상기 물이 제거된 공중합체를 술폰화하는 단계를 포함하는 술폰화된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 제조 방법을 제공한다.

다른 구현에 있어서, 본 발명은 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체가, 가압 습윤 스크리너, 원심분리기 스크리너, 벨트 필터 프레스, 스크류 프레스, 필터 프레스, 원심분리기 분리기, 중력 분리기, 밀도 분리기, 회전식 드럼 분리기, 에어나이프 (airknife) 물제거시스템, 팬필터, 리프(leaf) 프레셔 필터 및 디스크 필터 중 하나 혹은 그 이상으로부터 선택된 물제거 장치에 의해 물이 제거되는 상기된 방법을 제공한다.

바람직한 구현에 있어서, 본 발명은 (a)원심분리기 스크리너를 통해 수성 서스펜션 중합으로 제조된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 물을 제거하여 물이 제거된 공중합체의 중량을 기준으로, 잔류 수분 용량 4~7%를 갖는 물이 제거된 공중합체가 제공하는 단계; 및 (b)96~99% 황산의 존재하에서 2~6시간동안 실질적으로 유기 팽창 용매없이, 125~135℃의 온도에서 상기 물이 제거된 공중합체를 술폰화하는 단계를 포함하는 술폰화된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 제조하는 방법을 제공하고 있다.

본 발명자들은 습윤 공중합체의 사용을 기초로 한 유기 팽창 용매없이 강산 양이온 교환 수지의 개선된 제조 방법을 발견해왔다. 본 발명의 술폰화 방법은, 바람직하게 공중합체 비드의 표면을 손상시키지 않는 물제거 장치의 사용으로 제공된, 선택된 잔류 수분 수준을 갖는 물이 제거된 공중합체의 사용과 관련된다. 놀랍게도, 본 발명자들은 비-용매 술폰화 조건하에서 습윤 공중합체의 사용을 결합하는 것이 염소화-용매 오염물질이 없는 부가적인 장점을 갖는 한편, 용매-술폰화된 공중합체와 비교하여 증진된 물리적 안정성을 갖는 강산 양이온 교환 수지를 제공한다는 것을 발견하였다.

본 명세서에서 하기의 용어는 문맥상 명백히 다른 것을 가르치지 않으면, 지정된 정의를 가진다. 용어 "습윤" 공중합체는 서스펜션 중합후의 공정으로부터 발생하거나 혹은 공중합체의 중합체 매트릭스 내에 흡수된 잔류 수분성 3~35%를 함유하는 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 칭한다. 용어 "건조" 공중합체는 3% 미만의 잔류 수분을 함유하는 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 칭한다. 용어 "공중합체"는 위치 이성질체를 포함하는 둘 또는 그 이상의 다른 단량체 단위를 함유하는 중합체 조성물을 칭한다. 용어 "강산 양이온 이온 교환 수지"(SAC)는 본 명세서에서 통상적으로 사용되며 유리산(H-형태) 혹은 중성(염-형태 예를 들어, 나트륨 및 칼륨의 염)상태에서 황산 그룹을 함유하는 겔상(gelular) 혹은 거대다공성(macroporous)중 하나의 강산 양이온 교환수지를 칭한다.

하기의 약자가 본 명세서에서 사용된다: SAC = 강산 양이온 교환 수지, g = 그램, ml = 밀리리터, cm = 센티미터, mm = 밀리미터, 압력은 킬로파스칼(kPa)이다. 그밖에 상세화하지 않으면, 열거된 범위가 포함, 조합되는 것으로 해석되며 온도는 섭시(℃)이고, 관련된 퍼센트(%)는 중량에 의한 것이다.

본 발명의 술폰화 방법은 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를, 물이 제거된 공중합체의 중량을 기준으로 3~35%, 바람직하게는 4~20%, 보다 바람직하게는 5~20% 그리고 가장 바람직하게는 4~7%의 잔류 수분의 수준으로 물을 제거한 다음, 황산의 존재하에서 그리고 실질적으로 유기 팽창용매없이 술폰화하는 것을 포함한다.

전형적으로 물이 제거된 공중합체는 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를, 배치-케틀(batch-kettle) 중합, 연속적인-비연속적인 젯팅(jetting) 컬럼 중합 및 이들의 배합과 같은 통상적인 서스펜션 중합방법에 의해 제조된 후에 바로 물을 제거하는 단계를 거침으로서 제공된다. 중합 단계로부터의 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 수성 서스펜션은 전형적으로 수성 서스펜션의 중량을 기준으로 약 20~60%의 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 함유한다. 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 그 후, 공중합체의 표면 손상을 일으키지 않는 3~35% 최종 잔류 수분 수준을 이루기에 충분한 하나 혹은 그 이상의 물 제거 방법으로 물이 제거될 수 있다. 적합한 물제거 장치는 예를 들어, 가압 습윤 스크리너(screener), 원심분리기 스크리너, 벨트 필터 프레스, 스크류 프레스, 필터 프레스, 원심분리기, 중력 분리기, 밀도 분리기, 회전식 드럼 분리기, 에어나이프(airknife) 물제거 시스템, 팬 필터, 리프(leaf) 프레셔 필터 및 디스크 필터 중 하나 혹은 그 이상을 포함한다. 바람직하게, 물제거 장치는 원심분리기 스크리너 및 중력 분리기 중 하나 혹은 그 이상으로부터 선택된다.

가압 습윤 스크리너는 예를 들어, 미국 특허 제 4,284,500에 개시되어 있으며, 상기 장치의 사용에 있어 보다 일반적이며 상세한 항목을 위해 참고될 수 있다. 원심분리기 스크리너는 예를 들어, 미국 특허 제 4,904,377에 개시되어 있으며, 상기 장치의 사용에 있어 보다 일반적이며 상세한 항목을 위해 참고될 수 있다. 원심분리기 스크리너는, 원심분리기력에 의해 스크린을 반대로 거쳐 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 직접 연속적으로 나선형 패들(paddles)로 회전하는 원통형 이동(shifting) 챔버를 갖는 원심분리기 스크리너 속으로 중력 혹은 공기압 수단에 의해 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 공급함으로서 조절되며; 스크린 구경 (aperture) 셋팅에 의해 보유된 오버사이즈(oversize) 물질은 분리 유출물 배출구를 거쳐 분리된다. 원심분리기 스크리너는 원하는 정도의 물제거와 입자-크기 분류를 이루기 위해 연속적인 방식으로 폐쇄-루프(loop)에서 사용될 수 있다. 선택적으로 하나 이상의 원심분리기 스크리너가 원하는 결과를 이루도록 직렬로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 겔상 가교 폴리(비닐 방향족) 공중합체가 제 1원심분리기 스크리너를 지나 5~20%의 잔류 수분양을 갖는 물이 제거된 공중합체를 제공하며, 1mm이상 혹은 0.15mm이하의 입자 직경을 갖는 구형 비드가 제거되며; 그 후, 제 2원심분리기 스크리너를 지나 3~10%의 최종 잔류 수분양을 갖는 물이 제거된 공중합체를 제공하며, 임의로 1mm이상 혹은 0.15이하의 직경을 갖는 추가적인 구형 비드가 제거될 수 있다.

벨트 필터 프레스 장치는 미국 특허 제 4,419,249에 개시된 것과 같이, 물이 제거되도록 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체 슬러리(slurry)의 분포층이 공기 혹은 진공으로 연결되며, 상기 장치의 사용을 위해 보다 일반적이고 상세한 항목을 개시된 특허로부터 참고할 수 있다. 스크류 프레스 및 필터 프레스 장치는 기계압 혹은 유압을 사용하여 공중합체의 습윤 조각(cake)을 생성하여 조절된다.

중력 분리기는 컬럼의 하부에서 조절되는 구경-크기 스크린 혹은 여과 플래이트(plates)를 갖는 컬럼 혹은 타워(towers)를 나타내며; 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 물제거에 앞서 여과 플레이트를 거쳐, 상기 장치에서 편리하게 역세척될 수 있다. 밀도 분리기 장치는 미국 특허 제 4,148,725에 개시되어 있다.

에어나이프(airknife) 물제거는, 수분 수준이 감소되도록 공기 스트림에 의 해 빠져나가는 것과 같이 물이 제거된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체 슬러리의 끝(edge)에 유도된 고속 공기 스트림과 관련된다. 원심분리기와 회전식 드럼 필터는 물제거가 원하는 수준이 될때까지 회전력하에서 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체 슬러리로부터 유리(free) 액체를 이동시키는 것과 비슷한 원리로 조절된다.

팬 필터, 리프(leaf) 프레셔 필터 및 디스크 필터 장치는 물제거가 되도록 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체 슬러리를 압력 혹은 진공 처리로 연결하는 추가적인 고안이다.

공정 도중에 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 표면을 손상하지 않도록 진행되는 물제거 단계가 필수적이다. 이온-교환기의 사용에 통상적인 공중합체 방법은, 상대적으로 좁은 입자 크기 범위를 갖는 건조한 물질이 되도록 전형적으로 물제거 단계, 건조 단계 및 크기 분류 단계를 포함한다. 상기 공중합체의 수분양은 전형적으로 1~2% 혹은 그 이하이다. 산업적인 규모에서 상기 공중합체의 물을 제거하고 건조하는데 사용되는 장치는, 많은 양의 물을 제거하기 위한 물제거 스크리너, 건조를 위한 유체 층(bed) 혹은 트레이(tray) 건조기 및 최종 입자 크기 분류를 위한 원심분리기력, 터보(turbo) 혹은 진동의 스크리너와 관련된다. 건조 및 스크리닝 장치는 자본 및 에너지 집중형이며 이들의 사용은 공중합체 표면에 좋지 않은 효과를 가지며 예를 들어, 건조 공중합체(건조-스크리닝)의 체로 인하여, 표면 마모, 분해 혹은 노우칭(notching)이 일어난다.

이러한 표면 결함은 상기 공중합체로 만들어진 SAC의 성질에 궁극적으로 영향을 미치며 예를 들어, 공중합체 표면 결함은 기능화 도중에(약 0.3~0.5mm의 직경 으로 팽창이 일어남) 비드 결함의 점원(point source)이 되며, 파쇄(shattered), 분열 혹은 깨진 비드가 된다. 공중합체에서 표면 결합으로 인한 이온 교환 비드의 파쇄는 이온 형태 사이의 레진의 정상적인 순환도중에 최종-사용 적용에서 일어날 수 있으며, 이것은 전형적으로 직경이 팽창, 수축되는 비드를 야기한다. 비드의 어떠한 물리적 파쇄가 일어나지 않더라도, 보다 난해한 문제는 사용도중에 빠져나오는 SAC 표면의 미소한 조각에 따라 생길 수 있다. 만약 SAC가 음이온 교환 수지(예를 들어, 혼합-층 이온 교환 시스템)와 결합되어 사용된다면, 빠져나온 양이온 입자가 음이온 수지로 끌리기 때문에, 혼합-층 시스템의 음이온 수지 표면을 오염시키고 이온 교환 운동 성능을 손상시킨다.

혼합층 이온 교환 시스템의 산업 이용자들에게 일반적인 실행은 수지의 질량 전이 계수를 결정하여 수지 동역학 특성(kinetic property)을 특성화하는 것이다. 정립된 세트의 조건하에서 실험적으로 측정된 질량 전이 계수(MTC)는 잠재적 성능(potential performance)을 측정하는데 사용될 수 있으며 혼합층 이온 교환 시스템의 이온 교환 동역학의 노후화 정도를 측정하도록 사용될 수 있다. MTC는 이온 교환 수지 동역학의 특성에서 필름 및 입자 효과를 모두 포함하는 매개변수이다. 이온 교환 수지 동역한에 수용된 방법론과 해석 및 혼합층 이온 교환 시스템에서 질량 전이 계수의 사용은 'Anion Exchange Resin Kinetic Testing: An Indispensable Diagnostic Tool for Condensate Polisher Troubleshooting'에서 J.T. McNulty등에 의해, 47th Annual Meeting International Water Conference (IWC-86-54), Pittsburgh, PA(October 27-29, 1986) 및 'A Discussion of Experimental Ion-Exchange Resin Mass-Transfer Coefficient Method'에서 G.L Foutch등에 의해(Oklahoma State university, Stillwater, OK), 57th Annual Meeting International water conference(IWC-96-46), Pittsburgh, PA(October 21-24, 1996)에 개시되어 있다. 실시예 4는 동적인 동역학 혼합층 이온 교환 수지 평가를 사용하여 음이온 교환 수지와 강산 양이온 교환 수지의 혼합층의 MTC 데이타를 발생하기 위해 사용된 방법을 개시하고 있다.

공중합체 입자 크기 조절에 있어서의 향상은(예를 들어, 젯팅에 의한, 보다 일반적이며 상세한 항목은 미국 특허 제 4,444,961을 참고) 공중합체의 입자 크기 분류가 이루어지도록 하는 광범위한 건조 스크리닝의 필요성을 제거한다. 그러나, 이러한 접근이 표면 마모 문제를 완화시키는 한편, 산업적으로 상기 방법들은 여전히 건조 장치로 사용된다. 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 건조는 변형력 분쇄 위치(stress fracture site)를 유도하여 공중합체 자체를 약화시킬 수 있으며, 궁극적으로 상기에 개시된 것과 같은 효과로 이끌어질 수 있다. 뿐만 아니라, 입자 크기 조절의 이러한 형태는 균일적인 크기의 입자로 제조되도록 복잡하고 비싼 젯팅 장치의 투자를 요구한다.

본 발명의 방법은 단지 3~35%의 수준으로 물을 제거하여 통상적인 건조 단계(3%이하의 수분 수준으로 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체를 건조하는 것)의 제거에 부분적으로 기초를 두며, 이와 같이 통상적인 건조 스크니링 기술을 적용한 표면 마모로 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 노출을 또한 피하는 한편, 건조 도중에 변형력 분쇄를 통해 공중합체의 약화를 피한다

역사적으로, 유기 용매는 겔상 St-DVB 공중합체 비드의 술폰화 도중에 사용되어지며 공중합체가 팽창하도록 공중합체 비드의 외부사이에만 술폰화가 되도록 비드 매트릭스(matrix)를 통하여 술폰화 시약이 들어간다. 일단 공중합체 구조가 팽창되고 술폰화가 진행되면, 팽창 용매는 제거되고 기능화된 공중합체 구조는 그것의 전 상태로 재순환이 시도된다. 그러나, 공중합체 구조에 도입된 황산기의 존재는 물리적 수축에 강하며, 술폰화된 비드 구조내에서 내부 변형력을 생성한다. 이 현상은 특히 삼투압 충격 마찰(osmotic shock attrition)(OSA) 실험의 증거이며, 팽창 용매의 존재하에서 제조된 SAC는 비-용매 술폰화(2~4% 분열, 표 1 참고)에 의해 제조된 것보다 더 입자 분열(6~11% 분열)되는 경향을 보인다.

팽창 용매가 술폰화 방법 도중에 사용되지 않을 경우, 황산기의 편입 도중에 공중합체의 확장은 공중합체의 구조를 약화시킬수 있으며, 상기 개시된 물리적 안정성의 감소가 또한 일어날 수 있다. 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 본 발명자들은 황산 농도 그래디언트(gradient)는 건조 공중합체의 술폰화와 함께 일어날 수 있는, 완전 초기 강도의 황산에 대한 비드 매트릭스의 직접적인 노출보다, 오히려 습윤 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 잔류 수분의 존재에 기인하여 형성되기 때문에, 본 발명에 기술된 바와 같이, 습윤 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 사용은 농축된 황산에 먼저 노출되는 경우 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 내부 변형력 파괴를 최소화하는 것으로 여긴다.

본 발명의 방법에 의해 술폰화에서 사용된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 전형적으로 약 0.1~2밀리미터(mm)직경의 부피 평균 입자 크기 분포를 갖는 구 형 비드의 형태이다. 바람직하게, 입자 크기 분포는 0.15~1.0mm(전형적으로 95% 이상), 보다 바람직하게는 0.3~0.7mm이며, 가장 바람직하게는 0.4~0.6mm(전형적으로 90%이상)이며 각각 대략 18-100, 20-50 및 30-40 메쉬(미국 표준 스크린 크기)에 상응한다.

본 발명에 따라, 물이 제거된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 실질적으로 어떠한 유기 팽창 보조용매없이 술폰화되며, 0 혹은 0.5%까지, 바람직하게는 0 혹은 0.1%까지이며 보다 바람직하게는 0%의 팽창 용매가 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 중량을 기준으로 술폰화 도중에 존재할 수 있다. 전형적으로 물제거 공중합체 1부당 3~10 중량부 황산이 술폰화 방법에서 사용되며; 공중합체 물을 제거하기 위한 바람직한 황산의 중량 비율은 4/1~8/1이며 보다 바람직하게는 5/1~7/1이다.

본 발명의 술폰화 방법은 황산, 삼산화황(SO₃) 및 클로로술폰산(HSO₃Cl 혹은 CAS) 중 하나 혹은 그 이상으로부터 선택된 술폰화 시약을 사용할 수 있다. 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체에서 본 명세서에 개시된 '황산'에 대한 비율과 농도를 위해, SO₃ 및 CAS는 통상적인 화학량론을 기준으로하는 황산(H₂SO₄)의 상응하는 양을 발생하도록 고려될 것이며, CAS 혹은 SO₃1몰은 H₂SO₄1몰을 발생할것이다. 모든 '황산' 농도는 사용된 술폰화 시약에 관계없이, H₂SO₄으로 전환된 것과 같이 표현될 것이다. 하기의 식 1과 2를 참고하면:

Ⅰ HSO₃Cl + H₂O 〓> H₂SO₄ + HCl

Ⅱ SO₃ + H₂O 〓> H₂SO₄

전형적으로, 본 발명에 따른 술폰화는 95~105%, 바람직하게는 96~100%, 보다 바람직하게는 96% 이상에서 최대 99%의 황산(H₂SO₄) 존재하에서 수행된다. 이 농도범위에 있어서, "% H₂SO₄" 수준(실질적인 술폰화 시약 공급원에 상관없이 CAS, SO₃ 혹은 H₂SO₄)은 물이 습윤 공중합체에서 잔류 수분 존재하에 술폰화 매질속으로 도입되는 것을 포함하여 H₂SO₄(계산된)과 물의 결합된 양에 대하여 상응하는 H₂SO ₄ (계산된)를 기준으로 한다.

황산 농도 100%이상(발연 황산으로 언급됨)을 위하여, 산은 % H₂SO₄ 당량 용량 뿐만 아니라 유리 SO₃ 용량의 퍼센트에 의해 결정된다. 예를 들어, 상기 % 유리 SO₃는 [T-100] X 4.444와 같으며, 여기서 T는 총 산정량 적정량(H₂SO₄ 당량)이며; 나타내는 % 유리 SO₃용량과 상응하는 % H₂SO₄ 당량값은 하기에 열거한다.

20% 발연 황산(SO₃) = 104.5% H₂SO₄

25% 발연 황산(SO₃) = 105.6% H₂SO₄

30% 발연 황산(SO₃) = 106.75% H₂SO₄

전형적으로, 본 발명에 따른 술폰화는 105~140℃의 온도에서 진행되며, 바람직하게는 110~135℃, 보다 바람직하게는 115~135℃이며 가장 바람직하게는 125~135℃이며; 20분~20시간동안, 바람직하게는 1~10시간동안, 보다 바람직하게는 2~6시간 동안이다.

본 발명의 방법에 의해 술폰화된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 알려진 방법으로 종결되며 수화될 수 있다. 예를 들어, 물의 느린 첨가 혹은 연속적으로 보다 희석된 황산 용액은 교반된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 반응 혼합물을 상기된 시간과 온도에서 유지한 후에 첨가될 수 있다. 선택적으로, 플러그-흐름 수화(plug-flow hydration) 기술은 술폰화된 비드(비-교반, 고정 층)가 연속적으로 감소된 황산 농도와 하향류(downflow) 방식(EP 223,596-B에서 플러그-흐름 수화의 보다 일반적이며 상세한 항목을 참고할 수 있다.)에서 접촉되는 경우에 사용될 수 있다. 플러그-흐름 수화 기술의 사용은 "폐기" 황산을 보다 많이 농축된 용액으로 회수하는 추가된 잇점을 제공하며, 전 술폰화 공정으로 다시 재순환될 수 있으므로, 많은 양의 희석 황산 폐기 스트림이 생기는 폐기물 처리와 환경적 논쟁을 최소화할 수 있다. 종결-수화(산정량 혹은 플러그-흐름)의 형태중 하나로 술폰화된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 유리-산에서 (H-형태) 혹은 중성화된 염-형태에서 원하는 SAC를 제공하도록 술폰화 시약의 잔류량을 제거하기 위하여 결과적으로 물로 세척한다.

본 발명에 유용한 적절한 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 예를 들어, 스티렌, α-메틸스티렌, (C₁-C₄)알킬-치환된 스티렌 및 비닐나프탈렌과 같은 단일 치환된 비닐아로마틱 단량체의 수성 서스펜션 공중합에 의해 형성된 공중합체를 포함하며; 바람직하게 비닐아로마틱 단량체는 스티렌 및 (C₁-C₄)알킬-치환된 스티렌으 로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 그 중 적절한 (C₁-C₄)알킬-치환된 스티렌은 예를 들어, 에틸비닐벤젠, 비닐톨루엔, 디에틸스티렌, 에틸메틸스티렌 및 디메틸스티렌이며; 앞서 언급된 어떠한 비닐아로마틱 단량체 각각의 다양한 위치 이성질체가 적합한 것으로 여겨진다. 상기의 어떠한 단량체의 혼합물로부터 제조된 것과 같은 공중합체는 본 발명에서 또한 사용될 수 있다.

임의로, 지방족 불포화 단량체와 같은 비-방향족 비닐 단량체 예를 들어, 비닐클로라이드, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 및 (메트)아크릴산(메틸아크릴레이트와 같은)(C₁-C₄)알킬 에스테르가 비닐아로마틱 단량체에 더하여 또한 사용될 수 있다. 사용될 때, 비-방향족 비닐 단량체는 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체가 형성되도록 총 단량체 중량을 기준으로 하여, 0~20% 바람직하게는 0~10%이며 보다 바람직하게는 0~5%의 중합 단위로 전형적으로 구성된다.

그 중 상기로부터 본 발명에 유용한 가교 폴리(비닐바향족) 공중합체를 제공하기 위하여 단일불포화 단량체로 공중합될 수 있는 가교기는 디비닐벤젠, 트리비닐벤젠, 디비닐톨루엔, 디비닐피리딘, 디비닐나프탈렌 및 디비닐크실렌과 같은 폴리비닐 화합물(전형적으로 가교 폴리(비닐아로마틱)공중합체의 1~50%이며, 바람직하게 3~20%이며 보다 바람직하게는 5~10%인); 및 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디비닐 에테르 및 트리비닐시클로헥산과 같은 지방족 가교 단량체이다. 사용될 때, 지방족 가교 단량체는 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 0~20%, 바람 직하게는 0~10%이며, 보다 바람직하게는 0~5%인 중합 단위로 전형적으로 구성된다. 바람직하게 본 발명의 방법에서 사용된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 중합된 디비닐벤젠 단량체 단위의 1~50%, 바람직하게는 5~10%를 함유하는 스티렌-에틸비닐벤젠-디비닐벤젠 공중합체(흔히 St-DVB 공중합체로 언급되는)이다.

본 발명에서 유용한 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 전형적으로 자유-라디칼 개시제를 사용하여 제조되며, 이는 유기과산화물, 과수산화물 및 관계되는 개시제 예를 들어, 벤조일 퍼옥시드, 큐멘 퍼옥시드, 테트랄린 퍼옥시드, 아세틸 퍼옥시드, 라우로일 퍼옥시드, 카프로일 퍼옥시드, tert-부틸 퍼옥토에이트(또한 tert-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트로 알려진), tert-부틸 퍼벤조에이트, tert-부틸 디퍼프탈레이트, 비스(4-tert-부틸시클로헥실)퍼옥시디카르보네이트 및 tert-부틸 퍼옥시피발레이트이다. 또한 아조디이소부티로니트릴, 아조디이소부티르아미드, 2,2'-아조-비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 아조-비스(α-메틸부티로니트릴) 및 디메틸-, 디에틸, 혹은 디부틸 아조-비스(메틸바레레이트)와 같은 아조 개시제가 유용하다.

본 발명의 방법에 사용된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 제조에 유용한, 적절한 수성상 분산제 및 서스펜션 안정제는 예를 들어, 전분, 겔라틴, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리아크릴산, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 피롤리돈, 정밀하게 분할된 입자(실리카, 클레이(clay), 분쇄된 이온 교환 수지와 같은) 및 특히 수산화인회석과 배합에 있어서 칼슘 하이드록시 포스페이트와 같은 무기염을 포함한다. 무기염은 물에 완전히 가용성이거나 혹은 아닐 수 있으며 물에 완전히 가용성이 아니면 정밀하게 분할된 입자와 비슷한 성격을 가질 수 있다. 분산제의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 염화나트륨 및 황산나트륨과 같은 가용성 무기염은 상기 수성상에서 불포화 단량체의 용해도를 감소시키는 분산제에 더하여 사용될 수 있다.

바람직하게 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 겔상(gelular) 공중합체이나, 거대다공성(macroporous) 공중합체가 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 거대다공성 공중합체가 사용되는 경우, 공중합체에서 전형적인 잔류 수분 수준은 10~35%이며 보다 전형적으로는 15~30%이며; 겔상 공중합체가 사용되는 경우, 공중합체에서 전형적인 잔류 수분 수준은 3~10%이며 보다 전형적으로 4~7%이다. 바람직한 거대다공성 공중합체 비드는 미국 특허 제 4,382,124에 개시된 타입이며, 다공성이 포로겐(porogen)(또한 "상 증량제" 혹은 "침전제"로 알려진)의 존재하에서 서스펜션 중합에 의해 공중합체 비드속으로 도입되며, 단량체를 위한 용매이나 중합체를 위한 비-용매이다.

전형적인 거대다공성 공중합체 제조는 예를 들어, 서스펜션 보조제(분산제, 보호 콜로이드 및 완충용액과 같은)를 함유하는 연속적인 수성상 용액을 제조한 다음 50~99%(바람직하게는 75~97%, 보다 바람직하게는 88~95%)비닐아로마틱 단량체, 1~50%(바람직하게는 3~25%, 보다 바람직하게는 5~12%)폴리비닐 가교 단량체, 자유-라디칼 개시제 및 단량체 1부당 0.2~1부 포로겐(톨루엔, 크실렌, (C₄-C₁₀)-알카놀, (C₆-C₁₂)-포화 탄화수소 혹은 폴리알킬렌 글리콜과 같은)을 함유하는 단량체 혼합물 과 혼합하는 것을 포함한다. 단량체 및 포로겐의 혼합물은 그 후, 상승된 온도에서 중합되며 포로겐은 다양한 수단에 의해서 결과 중합체 비드로부터 연이어 제거되며; 예를 들어, 톨루엔, 크실렌 및 (C₄-C₁₀)알콜이 증류 혹은 용매 세척 및 물세척에 의한 폴리알킬렌 글리콜에의해 제거될 수 있다. 그 결과물인 거대다공성 공중합체는 그 후 본 발명의 방법에 의해서 처리된다. 적합한 (C₄-C₁₀)-알카놀은 예를 들어, t-아밀 알콜(2-메틸-2-부탄올), 메틸이소부틸카빈올(MIBC 혹은 4-메틸-2-펜탄올), n-부틸알콜, sec-부틸알콜, 이소부틸알콜, 2-에틸헥사놀 및 데카놀을 포함한다. 적합한 (C₆-C₁₂)-포화 탄화수소는 예를 들어, 헥산, 헵탄 및 이소옥탄을 포함한다.

발명의 몇몇 구현에서 하기 실시예를 상세하게 개시하고 있다. 모든 비율, 부 및 퍼센트는 달리 명확히 하지 않았다면, 중량으로 나타내었으며 사용된 모든 시약은 달리 명확히 하지 않았다면, 우수한 상업용 품질이다. 실시예와 표에 사용된 약자는 하기에 열거하였다.

p(St-DVB) = 스티렌-디비닐벤젠 공중합체 SAC = 강산 양이온 교환 수지 MTC = 질량 전이 계수 OSA = 삼투압 충격 마찰 EDC = 에틸렌 디클로라이드(1,2-디클로로 에탄)

실시예 1

술폰화는 공중합체(습윤 혹은 건조)를 원하는 양의 황산에 첨가하고 팽창 용매를 첨가(사용된다면)하고, 원하는 온도로 지정된 시간동안 가열하고, 많은 양의 어떠한 팽창 용매(사용된다면)를 오버헤드 증류에 의해 반응 혼합물로부터 스트리 핑하고, 통상적인 수단에 의한 종결-수화하고, 최종 포장에 앞서 SAC를 세척하여 어떠한 잔류 산을 제거함으로써 수행된다.

SAC-4(실시예 3 참고)는 하기와 같이 제조되었다: 7% DVB, 5% 잔류 수분을 함유하는 습윤 겔상 p(St-DVB)을 98%의 H₂SO₄538g에 술폰화를 위해 97.1% H₂SO₄의 최종 산 세기를 제공하도록 첨가되었다. 이 혼합물은 132℃로 가열되고 140분 동안 유지되었다. 술폰화된 공중합체는 연속적으로 덜 농축된 H₂SO₄ 용액의 계열 (series)로 희석하여 수화되며, 약 60%의 황산에서 시작하며, 최종적으로 물로 완전히 세척하였다. 결과물 SAC는 〉99%의 완전히 비분열된 비드, 1.6%의 %OSA 파괴 값 및 2.6 x 10^-2 센티미터/초(cm/s)의 황산염 MTC를 가졌다.

본 발명의 방법을 사용한 대표적인 배합은 하기와 같이 개시되고 있다: 7% DVB, 6% 잔류 수분을 함유하는 습윤 겔상 p(St-DVB) 100g을 25% 발연황산(105.6% H₂SO₄, 팽창 용매 없는)538g에 폴리술폰화를 위해 104.5% H₂SO₄의 최종 산세기를 제공하였다. 이 혼합물은 132℃로 가열되었고 140분동안 유지되었다. 술폰화된 공중합체는 연속적으로 덜 농축된 H₂SO₄ 용액 계열을 희석하여 수화되었고, 약 60%의 황산에서 시작하였으며, 폴리술폰화된 SAC를 제공하도록 최종적으로 물로 완전히 세척되었다.

다른 대표적인 배합은: 4% DVB, 29% 잔류 수분을 함유하는 습윤 거대다공성 p(St-DVB) 100g을 20%의 발연황산과 96%의 황산(103.5% H₂SO₄, 팽창 용매 없는)에 술폰화를 위한 98% H₂SO₄ 최종 산세기를 제공하도록 첨가된다. 이 혼합물은 132℃로 가열되며 140분동안 유지된다. 술폰화된 공중합체는 연속적으로 덜 농축된 H₂SO₄용액 계열을 희석하여 수화되며, 약 60% 황산에서 시작하여, 최종적으로 거대다공성 SAC를 제공하기 위하여 물로 완전히 세척한다.

실시예 2

삼투압 충격 마찰(OSA)는 이온 형태의 변화에 있어 팽창 혹은 수축과 같은 삼투압 변화로 이온 교환 수지의 안정성을 실험하도록 사용된다. 전형적으로 SAC 샘플은 과량의 10% NaCl 용액(대략 NaCl 용액 200ml와 레진 25ml)으로 처리하여 나트륨 염 형태로 조절되며 0.65~0.85mm가 되도록 최종 입자 크기 메쉬 커트(cut)로 습윤 스크린된다. 습윤 스크린된 SAC(4.0ml)샘플은 그 후, 0.3mm(하부) 및 0.42mm(상부) 구경 스크린으로 맞춰진 10mm X 60-70mm 유리 컬럼속에서, 하기 용액에 15 싸이클(cycle) 노출되며, 그리고 0.15mm스크린은 상부와 하부를 통해 지나간 단편을 수집하는데 사용된다; 각 싸이클은 보유 스크린에 대하여 시험 수지를 추진하기 위하여 각 싸이클에 포함된 3.4 X 10²kPa(평방인치당 50 파운드)의 압력 스파이크를 이용한 15% H₂SO 및 20% NaCl 용액에 대한 연속적인 노출을 포함한다.

15개의 싸이클을 마친후에 0.15mm 스크린에 수집된 파인(fine)을 포함하는 SAC는 시험 컬럼으로부터 제거되며 상기와 같이 (NaCl용액) 초기 처리에 따라 재조정된다. SAC샘플은 그후 0.15+mm(단편을 나타내는) 및 0.6+mm(전체 비드를 나타내는)비율로 스크린된다.

양쪽 부분은 최소 16시간동안 105℃에서 건조되며 데시게이터 속에서 냉각되며 그후 칭량된다.(W=각 부분의 중량) 파괴 %는 하기와 같이 기록된다:

% OSA = 100 X W_frag/(W_whole + W_frag)

실시예 3

하기의 강산 이온 교환 수지는 OSA안정성에 대하여 평가되었다:

SAC-1 및 3(비교예): SAC는, 97% 황산/공중합체의 비율을 5.2/1(SAC-1) 및 5.5/1 (SAC-3)로 120-125℃에서 1.5시간동안, SAC-1의 경우 19% EDC 팽창 용매(공중합체의 중량을 기준으로)와 함께, 7% DVB를 함유하는 건조-스크린된 공중합체(3%미만의 잔류수분)(SAC-1), 및 습윤 공중합체 (3-4% 잔류수분)(SAC-3) p(St-DVB)를 사용한 통상적인 팽창-용매 술폰화에 의해 각각 제조된다.

SAC-2(비교예): SAC는, 96% 황산/공중합체의 비율을 5.5/1로 125-135℃에서 3시간동안 7% DVB를 함유하는 건조-스크린된 공중합체(3% 미만의 잔류수분)p(St-DVB)를 사용한 통상적인 비-용매 술폰화에 의해 제조된다. 광학 출현(optical appearance) = 83% 완전히 비분열된 비드, 6%의 단편된 비드.

SAC-4: SAC는, 97% 황산/공중합체의 비율을 5.4/1로 125-135℃에서 140분동안 7%의 DVB를 함유하는 습윤 공중합체(4-6% 잔류수분) p(St-DVB)를 사용한 본 발명의 비-용매 술폰화에 의해 제조된다. 광학 출현 = >99% 완전 비분열된 비드, <1% 단편된 비드. SAC-4A는 상기와 같이 제조된 제 2 술폰화된 양이온 교환수지를 나타내며 MTC를 위해 평가된다 (실시예4를 참고).

삼투 충격 마찰
수지	% OSA
SAC-1(비교예)	10.7 ± 1.4^a
SAC-2(비교예)	3.9
SAC-3(비교예)	6.3
SAC-4	1.6

a=5개의 다른 술폰화의 평균(±std.dev)

약 2-4%(SAC-1 - SAC-3 혹은 SAC-2 - SAC-4)의 %OSA 파괴 감소는 술폰화에서 습윤 공중합체 대 건조-스크린된 공중합체를 사용한 잇점을 보여준다. 약 5-7%(SAC-1 - SAC-2 혹은 SAC-3 - SAC-4)의 %OSA 파괴 감소는 술폰화도중에 비-용매 조건을 사용한 잇점을 보여준다. SAC-4의 경우에 가장 우수한 %OSA 파괴값(<2%)은 강산 양이온수지가 제조되도록 비-용매 술폰화 방법에서 습윤 공중합체의 사용을 연결하는 예상치 못한 잇점을 나타낸다. 이러한 잇점은 나아가 술폰화 후에, SAC-4(>99% 완전, <1% 단편된) 대 SAC-2(83% 완전, 6% 단편된)의 우세한 광학 출현에 의해 명시된다.

실시예 4

정제된 물을 제공하는데 있어서 다양한 혼합층 시스템의 효과 즉, 용액으로부터 이온을 제거를 결정하기 위하여 이온 교환 속도는 하기와 같이 측정되었다. 혼합층 시스템은 이온 교환 컬럼에서 SAC 2부(부피에 의한) 및 강산 음이온 교환수지 1부(부피에 의한)를 결합함으로서 제조되었다. 황산나트륨(초기 황산 농도= 수용액을 기준으로, 황산염 이온 빌리온(ppb)당 대략 300부)의 수용액은 그후 컬럼을 빠져나오는 액체의 저항력을 측정하는 한편, 혼합층 시스템을 거쳤다. 도입구 저항력 및 황산염 누출량 수준은 배출구 저항력 수준으로부터 결정되었다. 황산염 이온 MTC 값은 측정된 수지의 입자 크기, 이온 농도, 층 기하학, 음이온/양이온 수지 비율 및 액체 유속을 측정한 McNulty et al 및 Foutch et al이 개시한 방법에 따라 계산되었다.

질량 전이 성질
강산 양이온 교환 수지	황산 MTC (x 10 ^-2 cm/s)
SAC-2	2.22
SAC-4	2.61
SAC-4A	2.68

비-용매 술폰화된 SAC(SAC-2)에 공급원으로서 건조-스크린된 공중합체를 사용하는데 좋지 않은 효과는 본 발명의 방법 즉, 습윤 공중합체의 비-용매 술폰화의 방법에 의해 제조된 2개의 다른 SAC(SAC-4 및 SAC-4A)로부터 MTC의 값을 비교하는 경우에, MTC 값에서의 15-17% 감소에 의해 나타난다.

본 발명의 방법은 습윤 공중합체 및 비-용매 술폰화 조건을 사용하여 증진된 물리적 안정성을 가지며 염소화 용매 오염물이 없는 강산 양이온 교환 수지를 제조할 수 있다.

Claims

(a)수성 서스펜션 중합에 의해 제조된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 물을 제거하여, 물이 제거된 공중합체의 중량을 기준으로 3~35 중량%의 잔류 수분양을 갖는 물이 제거된 공중합체를 제공하는 단계; 및

(b)H₂SO₄당량을 기준으로 95~105 %H₂SO₄ 당량값을 갖는 황산 또는 발연황산의 존재하에서, 유기 팽창 용매의 부재하 또는 0.5 중량% 이하의 유기 팽창 용매의 존재하에, 105~140℃의 온도에서 20분~20시간동안 상기 물이 제거된 공중합체를 술폰화하는 단계;

를 포함하는 술폰화된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 중량을 기준으로 중합된 디비닐벤젠 단량체 단위를 1~50 중량% 포함하는 스티렌/에틸비닐벤젠/디비닐 벤젠 공중합체임을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 겔상 공중합체임을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체는 가압 습윤 스크리너, 원심분리기 스크리너, 벨트 필터 프레스, 스크류 프레스, 필터 프레스, 원심분리기, 중력 분리기, 밀도 분리기, 회전식 드럼 분리기, 에어나이프 (airknife) 물제거 시스템, 팬필터, 리프(leaf) 프레셔 필터 및 디스크 필터 중 하나 혹은 그 이상으로부터 선택된 물제거 장치에 의해 물이 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항에 있어서, 상기 물제거 장치는 원심분리기 스크리너 및 중력 분리기 중 하나 혹은 그 이상으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 물이 제거된 공중합체는 4~7 중량%의 잔류 수분양을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 물이 제거된 공중합체는 H₂SO₄당량을 기준으로 96~100 %H₂SO₄당량값을 갖는 황산 또는 발연황산의 존재하에서 술폰화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 물이 제거된 공중합체는 115~135℃의 온도에서 술폰화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 물이 제거된 공중합체는 물이 제거된 공중합체 1중량부당 4~8 중량부 비율의 황산 또는 발연황산 존재하에서 술폰화되는 것을 특징으로 하는 방법.
(a)원심분리기 스크리너로 수성 서스펜션 중합에 의해 제조된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 물을 제거하여 물이 제거된 공중합체의 중량을 기준으로 4~7 중량%의 잔류 수분양을 갖는 물이 제거된 공중합체를 제공하는 단계; 및

(b)H₂SO₄당량을 기준으로 96~99 % H₂SO₄당량값을 갖는 황산의 존재하에서, 유기 팽창 용매의 부재하 또는 0.5 중량% 이하의 유기 팽창 용매의 존재하에, 125~135℃의 온도에서 2~6시간동안 상기 물이 제거된 공중합체를 술폰화하는 단계;

를 포함하는 술폰화된 가교 폴리(비닐아로마틱) 공중합체의 제조 방법.