CN1143876C - 改进的螯合树脂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及改进的螯合树脂。本发明尤其涉及在从盐水中除去阳离子(例如钙、镁、钡和锶)和从废物流中除去金属(例如镍、铜和锌)方面具有改进的稳定性和容量的大孔氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸螯合树脂。
Description
本发明涉及改进的螯合树脂。本发明尤其涉及在从盐水中除去阳离子(例如钙、镁、钡和锶)和从废物流中除去金属(例如镍、铜、锑和锌)方面具有改进的稳定性和容量的大孔螯合树脂。
氯气和金属氢氧化物的现代制备依靠使用隔膜氯碱池的盐水(NaCl)电解。在隔膜氯碱池中,隔膜通过只让水和钠离子(阳离子)通过来防止碱(NaOH)和氢气与盐水和氯气混合。这些隔膜非常耐用,但由于诸如钙、镁、锶和钡的硬性离子的沉淀可能将其破坏。因此,这些隔膜的功能和寿命与存在的硬性离子杂质量直接相关。为将硬性离子水平降低到小于20ppb的希望的水平,已经研制了选择性螯合离子交换树脂。已发现含氨烷基膦酸基团或氨基二乙酸基团的离子交换树脂对将盐水中硬性离子的水平降低到低于20ppb特别有效。当离子交换树脂被硬性离子耗尽时,可容易地用碱将其再生。
还有,来自各种设备和制造工业的重金属排出物一直是一个环境问题。从废物流中除去这些金属经常是复杂的,因为存在对环境无害的其它良性金属离子(如钠或钙)。除去所有的金属离子是不经济的,因此已经研制了在其它离子存在下选择性地除去重金属离子的树脂。亚氨基二乙酸树脂和氨烷基膦酸树脂代表了这种类型的重金属选择性树脂。
在盐水提纯中使用的氨烷基多膦酸树脂应具有大容量,从浓盐水中选择性地除去钙离子和镁离子。另外,这类树脂应具有高渗透压冲击耐受性,从而不会在浓盐水和碱。诸如氯碱池中的浓盐水和碱中被破坏。除了除去诸如钙和镁的硬性离子以外,树脂还应能够除去锶和钡离子,这些离子更难从浓盐水中除去。由于对锶和钡的选择性不如对钙和镁的选择性高,当树脂被耗尽时,这些离子被首先释放。在流出液中,锶百分数的上升水平可作为漏出即将出现和应进行再生的信号。这类对锶和钙都有好的容量的树脂是必须的。
已经在US-A-4 002 564和US-A-4 818 773中描述了用于盐水软化的大网络或大孔氨烷基膦酸树脂的研制。在US-A-4 002 564中描述了从大孔的苯乙烯/二乙烯基苯共聚物的官能化合成大孔的氨烷基膦酸树脂。发现这些树脂对除去金属离子有良好的容量。在US-A-4 818 773中描述了酸型的、孔隙度0.80-1.10cm3/g、表观密度0.354-0.425g/ml、水保留值50-60%的大孔氨烷基膦酸树脂在纯化浓盐水的应用中,其具有高的耐渗透压冲击性(30次冲击后有大于90%未受损伤的小珠)和足够的交换容量(理论上钙离子的容量不大于31g/ml)。
在US-A-5 109 074中描述了一种不加甲醛一步制备氨烷基膦酸树脂的方法。在US-A-4 442 231中报道了另一种制备用于盐水纯化的氨烷基膦酸树脂的方法。
在US-A-4 895 905中描述了芯/壳形态的凝胶型氨烷基膦酸和亚氨基二乙酸螯合树脂。
我们已经发现,在相扩展剂存在下由单乙烯基芳族烃、二乙烯基芳族烃和含氧交联剂悬浮聚合制备的被氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸基团官能化的大孔共聚物在(i)从盐水,例如用于氯碱池的盐水中除去诸如钙、镁、锶和钡的阳离子和(ii)从废物流中除去镍、铜、锑和锌的金属中表现出改进的稳定性和容量。
根据本发明,提供一种大孔螯合离子交换树脂,其含有一种共聚物,包括(i)86-94%wt由单乙烯基芳族单体衍生的单元,单乙烯基芳族单体是诸如苯乙烯、乙烯基甲苯或乙烯基乙基苯,优选是苯乙烯;(ii)4-8%wt由二乙烯基芳族单体衍生的单元,二乙烯基芳族单体是诸如二乙烯基苯或二乙烯基萘,优选二乙烯基苯;和(iii)2-6%wt由含氧交联剂单体衍生的单元,含氧交联剂是诸如三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、二甘醇二甲基丙烯酸酯或二甘醇二乙烯基醚,优选三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA),其中共聚物被氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸基团官能化。
基于共聚物的重量,优选在共聚物中二乙烯基芳族单体以约6%wt的量存在。
基于共聚物的重量,优选在共聚物中含氧交联剂单体以约4%wt的量存在。
根据本发明,还提供一种大孔螯合离子交换树脂的制备方法,包括(I)悬浮聚合含下列单体的单体混合物:(i)86-94%wt单乙烯基芳族单体,诸如苯乙烯、乙烯基甲苯或乙烯基乙基苯,优选是苯乙烯;(ii)4-8%wt二乙烯基芳族单体,诸如二乙烯基苯或二乙烯基萘,优选二乙烯基苯;和(iii)2-6%wt含氧交联剂单体,诸如三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、二甘醇二甲基丙烯酸酯或二甘醇二乙烯基醚,优选三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯;单体的百分数基于单体混合物的重量计算,聚合在40-48%wt的诸如甲基异丁基甲醇(MIBC-也称为4-甲基-2-戊醇)等的相扩展剂存在下进行,相扩展剂的百分数基于相扩展剂和单体混合物的总重量计算;和(II)用氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸基团将生成的共聚物官能化。
基于单体混合物的重量计算,优选在制备螯合树脂的方法中,二乙烯基芳族单体以约6%wt的量存在。
基于单体混合物的重量计算,优选在制备螯合树脂的方法中,含氧交联剂单体以约4%wt的量存在。
基于相扩展剂和单体混合物的总重量计算,优选相扩展剂的用量为40-44%wt。
悬浮聚合在聚合引发剂存在下进行,聚合引发剂诸如过氧化苯甲酰或过辛酸叔丁酯,其在含单体混合物和相扩展剂的有机相中是可溶的。
我们已经发现,在制备根据本发明的螯合树脂中,除二乙烯基芳族单体、特别是二乙烯基苯(4-8%wt,优选约6%wt)和在40-48%的相扩展剂、特别是甲基异丁基甲醇之外,含氧交联剂、特别是使用三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(2-6%wt,优选约4%wt)的使用提高了最终的官能化的树脂的物理稳定性和操作容量。尽管不完全清楚,但认为诸如三甲基丙烷三甲基丙烯酸酯等含氧交联剂的使用改变了树脂的结构和/或亲水性,得到与不使用含氧交联剂制备的树脂相比高得多的操作容量。
根据本发明方法制备的树脂不具有孔隙特征,比US-A-4 818 564中描述的氨烷基膦酸树脂渗透压力条件下是更稳定的。根据本发明制备的树脂还优于在US-A-4 002 564中描述的树脂。根据本发明制备的树脂的操作功能可与其它官能化程度更高的树脂相同或更高。甚至更令人惊讶地发现,根据本发明制备的树脂与其它氨烷基膦酸树脂相比,对锶有更高的容量/选择性。
认为通过使用一类交联剂/交联剂用量和特定的相扩展剂用量调节聚合物形态学结构,这样制备的共聚物在被官能化成含氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸螯合配体(即,制备根据本发明的树脂)时表现出改进的性能。有较高程度的官能化的螯合树脂不象本发明树脂那么有效,这个事实证明,这种在性能上的改进被认为是聚合物形态最优化的结果。
我们已经发现,通过最优化(a)交联剂的选择与用量和(b)相扩展剂的用量,可制备优于官能化程度更高的树脂的、并且具有改进的稳定性的螯合树脂。
根据本发明,还提供一种从盐水溶液中除去例如选自钙、镁、锶和钡的一种或多种离子的阳离子的方法,其包括将盐水溶液与一种根据本发明的大孔螯合离子交换树脂或与一种根据本发明方法制备的大孔螯合离子交换树脂接触。
根据本发明,还另外提供一种从废物流中除去例如选自镍、铜、锑和锌离子的一种或多种重金属离子的金属离子的方法,其包括将废物流与一种根据本发明的大孔螯合离子交换树脂或与一种根据本发明方法制备的大孔螯合离子交换树脂接触。
在下列实施例中将详细描述本发明的一些实施方案。
实施例2是一种氨甲基膦酸树脂,其根据本发明,在相扩展剂MIBC(4-甲基-2-戊醇)存在下,通过将苯乙烯、二乙烯基苯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯聚合制备的大孔共聚物氯甲基化、胺化、水解和甲基膦酸化制备。
实施例3是一种亚氨基二乙酸树脂,其根据本发明,在相扩展剂MIBC(4-甲基-2-戊醇)存在下,通过将苯乙烯、二乙烯基苯和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯聚合制备的大孔共聚物氯甲基化、胺化、水解和与氯乙酸反应制备。
树脂A是可从市场购得的Bayer的氨甲基膦酸树脂。
树脂C是可从市场购得的Bayer的亚氨基二乙酸树脂。
树脂D是可从市场购得的Rohm and Haas Company的亚氨基二乙酸树脂。
树脂B是按US-A-4 002 564所述制备的氨甲基膦酸树脂。
实施例1 合成共聚物
2升4颈烧瓶装备了一个冷凝器、机械搅拌器、热电偶和氮气入口,其中有由700g去离子水、4.9g明胶、17.3g聚烯丙基二甲基氯化铵、1.1g50%氢氧化钠和1.8g硼酸组成的水溶液,向其中加入含370g苯乙烯、40.7g63%DVB、17.1g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、310g MIBC和4.3g过辛酸叔丁酯的单体混合物。在氮气气氛下,搅拌该混合物以保持正确的颗粒尺寸(200-500微米)并在1小时期间加热到80℃。然后,使反应物在80℃聚合9小时。用蒸馏将MIBC从生成的聚合物小珠除去。除去MIBC后,在40℃的炉中将小珠干燥过夜。
实施例2 合成根据本发明的氨甲基膦酸树脂
通过100g聚合物小珠与含278g氯磺酸、118g甲醛、75g甲醇和作为催化剂的17.5g水合氯化铁的溶液反应,氯甲基化实施例1生成的多孔聚合物小珠。该混合物边搅拌边加热到35℃并保持6小时。6小时后,将反应物冷却到室温并加入水。用稀释的碱洗涤小珠。然后,生成的小珠淤浆被转移到含300ml甲缩醛的反应器中。搅拌1小时后,加入在150g水中的190g六亚甲基四胺。然后,加热该混合物到45℃并回流4小时。回流后,虹吸水,用水洗涤生成的胺化的中间体。用500g 18%HCl在45℃水解生成的胺化的中间体3小时。洗涤该产品后,移出250ml中间体并置于一个反应器中。向该反应器加入125g 37%的甲醛水溶液,随后是150g磷酸和100g 35%的HCl水溶液。该混合物加热到90℃并保持8小时。用常规量的水和甲醇洗涤生成的物质,然后用10%的NaOH中和。
实施例3 合成根据本发明的亚氨基二乙酸树脂
通过100g聚合物小珠与含278g氯磺酸、118g甲醛、75g甲醇和作为催化剂的17.5g水合氯化铁的溶液反应,氯甲基化实施例1生成的多孔共聚物。该混合物边搅拌边加热到35℃并保持6小时。6小时后,将反应物冷却到室温并加入水。用稀释的碱洗涤小珠。然后,生成的小珠淤浆被转移到含300ml甲缩醛的反应器中。搅拌1小时后,加入在150g水中的190g六亚甲基四胺。然后,加热该混合物到45℃并回流4小时。回流后,虹吸水液,用甲醇洗涤生成的胺化的中间体。用在150g甲醇中的250g 37%的HCl在45℃水解生成的胺化的中间体3小时。洗涤该产品后,移出250ml中间体并置于一个反应器中。向该反应器加入300g 35%的NaOH,随后是300g氯乙酸钠水溶液。加完后,将反应物温度升至90℃并保持5小时。用常规量的水洗涤生成的树脂。
表1 螯合树脂的性质
样品 | 实施例2 | 树脂A | 树脂B | 实施例3 | 树脂C | 树脂D |
类型 | 氨甲基膦酸 | 氨甲基膦酸 | 氨甲基膦酸 | 亚氨基二乙酸 | 亚氨基二乙酸 | 亚氨基二乙酸 |
性质 | ||||||
MHC(Na)* | 63.0% | 53.8% | 67.5% | 61.1% | 57.2% | 68.0% |
固体** | 37.0% | 46.2% | 32.5% | 38.9% | 42.8% | 32.0% |
体积容量(Na) | 1.5meq/ml | 1.7meq/ml | 1.2meq/ml | 1.4meq/ml | 2.0meq/ml | 1.0meq/ml |
重量容量(H) | 6.0meq/g | 5.5meq/g | 5.6meq/g | 5.2meq/g | 6.4meq/g | 4.9meq/g |
酸/碱循环破碎珠粒90次 | 2% | 5% | 3% | 2% | 未测定 | 4% |
孔度计 | ||||||
表面积 | 26.6m2/g | |||||
孔隙率 | ||||||
总量 | 0.18cc/g | |||||
小(t-曲线) | 0.01cc/g | |||||
中 | 0.04cc/g | |||||
大 | 0.13cc/g |
树脂A、C和D代表可从市场购得的螯合树脂。树脂B根据US-A-4 002564所述制备。树脂A、B、C和D不是本发明的目的,其只用于比较的目的。
*MHC(Na)是钠形态的湿度。
**固体是100%-MHC。
酸/碱循环—一种对渗透压变化的稳定性的测试。用1.3N H2SO4处理10g树脂,用水洗涤,用3.5N NaOH处理,用水洗涤。这代表一个循环,用显微镜目测破碎小珠的%。
孔度计为用粉粒学ASAP-2400氮孔率计确定。
孔隙率用下列IUPAC术语表示:
小孔隙率=孔<20埃
中孔隙率=孔在20-500埃之间
大孔隙率=孔>500埃
下列实施例说明树脂用于除去离子的应用。这些实施例使用的条件是在实际工业条件下操作的代表性的条件并且说明实际的操作容量。
实施例4 应用氨烷基膦酸树脂的盐水提纯
含5ppm Ca和2ppm Sr的盐水溶液(300g NaCl/l在pH10.5)在60℃以20床体积/小时(BV/hr)的速率通过氨甲基膦酸树脂塔。用原子吸收光谱仪测定在流出物中Ca和Sr的量。
螯合树脂 BV至500ppb Sr含量 BV至500ppb Ca含量
树脂A 800 950
树脂B 600 900
实施例2 1000 1100
实施例5 应用亚氨基二乙酸树脂的盐水提纯
含5ppm Ca和2ppm Sr的盐水溶液(300g NaCl/l在pH10.5)在60℃以20床体积/小时的速率通过亚氨基二乙酸树脂塔。用原子吸收光谱仪测定在流出物中Sr的量。
螯合树脂 BV至500ppb Sr含量
树脂D 650
树脂C 1000
实施例3 900
实施例6 应用亚氨基二乙酸树脂除去金属
含5ppm Zn、5ppm Ni和2ppm Cu的pH为7的盐水溶液(1g NaCl/l,1g CaCl2/l)废物流以20床体积/小时的速率通过亚氨基二乙酸树脂塔。用原子吸收测定在流出物中重金属的量。
螯合树脂 BV至1ppm Zn水平 BV至0.5ppm Ni水平
树脂D 800 1000
树脂C 1200 1600
实施例3 1200 1600
Claims (12)
1 一种大孔螯合离子交换树脂,其含有一种共聚物,包括86-94%wt由单乙烯基芳族单体衍生的单元、4-8%wt由二乙烯基芳族单体衍生的单元和2-6%wt由含氧交联剂单体衍生的单元,其中共聚物被氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸基团官能化,该共聚物是在40-48%wt相扩展剂存在下由单体混合物聚合制备的,该相扩展剂的百分含量基于该聚合反应中使用的相扩展剂和单体混合物的总重量计。
2 根据权利要求1的大孔树脂,其中由二乙烯基芳族单体衍生的单元是由二乙烯基苯衍生的单元,基于共聚物的重量计,其在共聚物中存在的量是约6%wt。
3 根据权利要求1的大孔树脂,其中由含氧交联剂单体衍生的单元是由三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯衍生的单元,基于共聚物的重量计,其在共聚物中存在的量是约4%wt。
4 根据权利要求2的大孔树脂,其中由含氧交联剂单体衍生的单元是由三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯衍生的单元,基于共聚物的重量计,其在共聚物中存在的量是约4%wt。
5 一种从盐水溶液中除去阳离子的方法,其包括将盐水溶液与一种根据权利要求1、2、3或4的大孔螯合离子交换树脂接触。
6 根据权利要求5的方法,其中从盐水溶液中除去一种或多种选自钙、镁、锶和钡的离子。
7 一种从废物流中除去金属离子的方法,其包括将废物流与一种根据权利要求1、2、3或4的大孔螯合离子交换树脂接触。
8 根据权利要求7的方法,其中从废物流中除去一种或多种选自镍、铜、锑和锌的离子。
9 一种大孔螯合离子交换树脂的制备方法,其包括(i)悬浮聚合含86-94%wt单乙烯基芳族单体、4-8%wt二乙烯基芳族单体和2-6%wt含氧交联剂单体的单体混合物,单体的百分数基于单体混合物的重量计算,聚合在40-48%wt相扩展剂存在下进行,相扩展剂的百分数基于相扩展剂和单体混合物的总重量计算;和(ii)用氨烷基膦酸或亚氨基二乙酸基团将生成的共聚物官能化。
10 根据权利要求9的制备方法,其中二乙烯基芳族单体是二乙烯基苯,基于单体混合物的重量计,其存在的量是约6%wt。
11 根据权利要求9的制备方法,其中含氧交联剂单体是三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯,基于单体混合物的重量计,其存在的量是约4%wt。
12 根据权利要求10的制备方法,其中含氧交联剂单体是三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯,基于单体混合物的重量计,其存在的量是约4%wt。
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