JPH0131936B2 - - Google Patents
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Landscapes
- Polymerisation Methods In General (AREA)
- Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
Description
[産業上の利用分野]
本発明は、微粒子状イオン交換樹脂およびその
製造方法に関する。本発明は、特に、弱酸性カチ
オン交換官能基を有し、直径0.01〜1.5ミクロメ
ートルの大きさの球状の架橋エマルジヨンコポリ
マー粒子ならびにこれらの粒子のエマルジヨンに
関する。本発明は、さらにこれらの粒子およびエ
マルジヨンの製造ならびに溶解しまたは溶解して
いない物質を液より除去するためのこれらの粒子
およびエマルジヨンの用途に関する。
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題]
微粉砕したイオン交換物質は、蒸気タービン発
電機よりの凝縮水に濾過および脱イオンの同時処
理用の濾材として広く使用されており、また、そ
れほど広くではないが薬剤キヤリヤーおよび錠剤
デイスインテグレータのような医薬用途および他
の商業上の用途に使用されている。
過去において、このような微粉砕イオン交換物
質は、重合、すなわち、殆どの場合懸濁重合およ
び官能化の別々の工程を包含する従来の方法によ
り製造されたイオン交換粒子を粉砕し、あるい
は、その粒子の大きさを物理的に減少させること
により製造された。
シユルツおよびクルツク(Schultz and
Crook)[I&EC・プロダクト・リサーチ・アン
ド・デベロツプメント・第7巻、120〜125頁、
1968年6月(I&EC Product Research and
Development、Vol.7、Pp・120−125、June、
1968)]は、1ミクロンまたはそれより小さい平
均直径を有する粉砕イオン交換樹脂の粒子を製造
しているが、それらの粒子は球状ではなく、ま
た、このような物質の一定の試料についての直径
の範囲は大きく、したがつて粒子の大きさは均一
ではない。大きい粒子は、粉砕粒子の全数のうち
の小比率を占めるものであつても、大きい粒子
は、試料の重量のはるかに大きい比率を表わすこ
とになる。その結果、このような粉砕樹脂では、
そのイオン交換樹脂物質の重量の相当な比率が水
性懸濁液より沈降する。
懸濁重合は、水性相媒体中にモノマー、重合開
始剤および懸濁安定剤を含有する有機液体の小滴
を懸濁させることを必要とする。この小滴の大き
さは、大体において撹拌速度の関数であり、最終
のポリマー粒子の大きさを調節する。この粒子の
大きさは、5ミクロメートル(米国特許第
3357158号)または10ミクロメートル(米国特許
第3991017号)までの大きさが開示されているが、
約40ミクロメートルまでの範囲に及ぶのが普通で
ある。イオン交換物質は、塊状重合によつても製
造されている。このような、塊状またはビーズ状
のポリマーの粒子の大きさを物理的に減少させて
サブ−ミクロン(sub−micron)の大きさとする
ことは、困難であり、費用もかかるし、しかも、
不規則な粒子形及び幅広い粒径分布のような好ま
しくない物理的性質をもつた物質を生成すること
になる。さらには、樹脂の好ましくない熱劣化を
もたらす。
あるものはイオン交換官能基が制限されること
を含めて、過去において、サブ−ミクロンの大き
さの球状ポリマー粒子が製造されている。これら
の粒子は、アクリル酸およびメタクリル酸、ある
いは、ジアルキルアミノアルキルアクリレートお
よびメタクリレートのようなイオン交換官能基を
含むモノマーより得られた。大抵の場合、用いら
れる重合反応は、懸濁重合であつた。すなわち、
ハーグら(Haag et al)は、その米国特許第
3847857号、第2欄、第56〜59行目において、ペ
イントおよび他のコーテイングに用いる官能性の
架橋エマルジヨンイオン交換樹脂の生成に際し
て、「……アミンもしくは4級アンモニウム基を
含有する1種以上のモノマーの5〜70重量%…
…」を使用した。レムバウムら(Rembaum et
al)は、その米国特許第3985632号、第5欄、第
25〜46行目において、同様に、アミン官能性を有
する少量のモノマーを含有するモノマー混合物を
乳化重合することによりクロマトグラフイーの吸
着剤を得た。フイツチ(Fitch)は、その米国特
許第3104231号において、架橋エマルジヨンコポ
リマーを製造する時、15重量%以下のカルボン酸
基含有モノマーを使用した。彼は、このようなモ
ノマーの量が15重量%より高くなると、「水また
は希アルカリ水溶液へのコポリマーの溶解あるい
はこのような水性媒体中でのコポリマーの著しい
膨潤」が起ることになると述べている(第6欄、
第70行目〜第7欄、第4行目)。
ハツチ(Hatch)は、米国特許第3957698号に
おいて、エマルジヨンポリマー粒子のそれに類似
の粒径範囲の架橋球状イオン交換樹脂粒子を製造
するための沈でん重合について記載している。沈
でん法においては、本来、大きい粒子が得られ、
乳化重合の場合、0.01〜1.512であるのに対し、
0.1〜10ミクロメートルの範囲であり、しかも、
ポリマーが不溶であるモノマー溶媒溶液からポリ
マー粒子を沈でんさせることが必要である。乳化
重合においては、モノマーはほんの僅か溶媒に溶
解し、ポリマー粒子は、モノマー膨潤石けんミセ
ルが溶媒相−開始ポリマー鎖に接触するときに生
成される。ハツチ(Hatch)は、「適当なミクロ
ビーズ樹脂は懸濁もしくは乳化重合により得られ
る……」と述べている。彼は、さらに、懸濁重合
について記載しているが、乳化重合方法の詳細に
ついては述べていない(第3欄、第30〜40行目)。
ハツチ(Hatch)のイオン交換ミクロビーズはア
クリル酸またはメタクリル酸のようなカルボン酸
モノマーから重合後の加水分解によつて製造され
る弱酸樹脂であるが、彼は上記の酸のエステルの
使用について述べているだけである。ハツチ
(Hatch)は、ビニルベンジルクロリドよりのミ
クロビーズの製造例をあげているが(実施例4)、
その粒径は3〜7ミクロンで明らかに本発明の範
囲外であり、イオン交換樹脂母材にミクロビーズ
を結合する前にミクロビーズ自身にイオン交換官
能性を付与する試みはなされていない。ヘイオー
ド(Hayward)も、その米国特許第3976629号に
おいて改良された懸濁重合およびカルボン酸モノ
マーを用いて「20ミクロン以下」の大きさの弱酸
性カチオン交換樹脂を製造した。
田村は、エマルジヨンコポリマーからの強酸性
カチオン交換樹脂物質の製造について開示してい
る(日本化学会誌、76(4)、654〜658頁、1976年)。
田村は、スチレン−ジビニルベンゼンコポリマー
エマルジヨンを凝固させ、次いで発煙硫酸または
クロロ硫酸で官能化した。次いで彼は、その凝塊
をポリプロピレン膜(membrane)中に混入させ
たが、その凝塊が再びエマルジヨンになることに
ついては何も教示していない。
[課題を解決するための手段]
本発明により、従来知られたものよりも小さい
粒径を有する新規な小粒径球状弱酸性カチオン交
換樹脂が提供された。この樹脂は、架橋エマルジ
ヨンコポリマー粒子より製造され、モノマー単位
当りの官能基が0.7より大きく、1.5までの官能化
度を有する。この樹脂は、エマルジヨンコポリマ
ー粒子を弱酸性カチオン交換官能基で官能化する
ことにより製造される。エマルジヨンコポリマー
粒子は、加水分解および類似の反応によつて直接
的に官能化することができる。これらの粒子の取
り扱いを容易にするために、エマルジヨンを凝固
させ、その大きな凝塊粒子を大きなポリマービー
ズと同様に取扱つて単離および反応を行なわせる
ことができる。あるいは、エマルジヨンコポリマ
ー粒子を官能化に先立つて乾燥することもでき
る。官能化後粒子を、エマルジヨンコポリマー樹
脂の球状粒子を破壊することなしに、凝集片を分
裂させる高剪断混合、超音波振動、温和な粉砕ま
たは他の微粉砕方法により個々別々の粒子のエマ
ルジヨンとして懸濁させることができる。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子は、直径
が0.01ミクロメートル乃至0.5ミクロメートル、
さらに特殊技術を用いることにより直径1.5ミク
ロメートルまで変化しうる超顕微鏡的範囲(ここ
にこの範囲は、1.5ミクロメートル以下の粒径を
有することを意味する。)における平均値を有す
る狭い粒径範囲で得られる。
第1〜3図および第4a〜4d図は、本発明の
弱酸性カチオン交換樹脂粒子の外観及び粒径分布
の傍証として母体として本発明の樹脂粒子と同様
のエマルジヨンコポリマーを用いたイオン交換樹
脂粒子の電子顕微鏡写真である。第1〜3図は、
倍率×50000におけるヒドロキシル形アニオン交
換エマルジヨン樹脂粒子の3種の異なる大きさの
顕微鏡写真である。第4a〜4d図は、4個の異
なる倍率における単一フロツクの顕微鏡写真であ
り、そのフロツクはカチオン交換エマルジヨンコ
ポリマー樹脂粒子をアニオン交換エマルジヨンコ
ポリマー樹脂粒子と混合して得られるものであ
る。これらの顕微鏡写真に示されている物質は
各々、本明細書に教示された方法により得られた
ものである。
すなわち、第1図は、3重量%のジビニルベン
ゼンを含有するコポリマーから誘導されて下記の
参考例11にしたがつて製造され、下記の参考例2
にしたがつて凝固され、下記の参考例14にしたが
つてクロロメチル化に次いでアミノ化され、さら
に下記の参考例17にしたがつてヒドロキシル形に
転化されたヒドロキシルイオン形の強塩基性アニ
オン交換エマルジヨンコポリマー樹脂粒子を示
す。
第2図は、3重量%のジビニルベンゼンを含有
するコポリマーから誘導されて下記の参考例1に
したがつて製造され、下記の参考例2にしたがつ
て凝固され、下記の参考例14にしたがつてクロロ
メチル化に次いでアミノ化され、さらに下記の参
考例17にしたがつてヒドロキシル形に転化された
ヒドロキシルイオン形の強塩基性アニオン交換エ
マルジヨン樹脂粒子を示す。
第3図は、下記の参考例17のヒドロキシルイオ
ン形の強塩基性アニオン交換エマルジヨンコポリ
マー樹脂粒子を示す。
第4b図は、倍率×300における下記の参考例
18のフロツクを示し、第4a図は、倍率×1000に
おける同じフロツクを示し、第4d図は、倍率×
3000における同じフロツクを示し、第4c図は、
倍率×10000における同じフロツクを示す。
図面に示されたこれらの粒子から、これらの粒
子がほぼ球状であり、製造されたとき比較的狭い
粒径分布を有し、大きさの異なるものを製造する
ことができることがわかる。これらの図面の粒子
の大きさは約0.017ミクロメートルから約0.45ミ
クロメートルの範囲にある。
図面では、強塩基性アニオン交換エマルジヨン
コポリマー樹脂粒子について説明したが、本発明
の弱酸性カチオン交換エマルジヨンコポリマー樹
脂の粒子も類似の外観および粒経分布を有する。
これらの図面における粒子の凝集は、光学顕微
鏡写真を調製する実験室(laboratory)により、
顕微鏡写真の試料の調製と関連した人為構造
(artifacts)であると結論された。
なお、強酸および強塩基、ならびに弱塩基イオ
ン交換樹脂粒子の場合には、架橋エマルジヨンコ
ポリマー粒子の物理的に安定な凝集物が生成され
るため、官能化のためにコポリマーを単離するこ
とが可能である。粒径が小さいために、エマルジ
ヨンコポリマー粒子は、その反応液より実際上濾
過することもまた、他の方法で分離することもで
きないし、官能化されたコポリマー粒子も官能化
混合物より分離することができない。凝集後、大
きな凝集粒子は、従来の大きさのイオン交換樹脂
ビーズと殆ど同じ方法で濾過し、洗浄することが
できる。凝集したエマルジヨンコポリマーの官能
化には、この技術分野においてよく知られている
従来の反応が必要である。
一方、本発明の弱酸性カチオン交換エマルジヨ
ンコポリマー樹脂粒子は、上記の樹脂のそれに類
似した物理的性質を有するが、場合によつては単
離および官能化に先立つて凝集させる必要はな
い。すなわち、本発明の弱酸性カチオン交換樹脂
粒子の好ましい製造方法においては、架橋アクリ
ル酸エステルエマルジヨンコポリマーをアルカリ
水酸化物の溶液に加えることが必要である。その
際に、エマルジヨンに含まれる粒子は凝集する
が、コポリマーエステル結合が加水分解されてそ
の塩の形でカルボン酸基を形成するので、形成さ
れた凝塊は、再び懸濁して官能化された樹脂粒子
の塩のエマルジヨンを形成する。樹脂粒子の官能
基は、次いで遊離酸の形の従来の強酸性カチオン
交換樹脂でエマルジヨンを処理することにより遊
離酸の形にこれを転化することができる。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂及び本発明の
樹脂粒子との後述するフロツク形成に用い得るエ
マルジヨンコポリマーイオン交換樹脂粒子の形成
のために用いるエマルジヨンコポリマーは、従来
の乳化重合技術により製造することができる。こ
れらの従来技術は、主としてモノマーおよび表面
活性剤よりなるエマルジヨンの重合を必要とする
が、それに限定されるものではない。重合は水溶
性開始剤によつて開始されるのが普通である。こ
れらの開始剤の殆どについて、酸素の存在下でそ
の作用が抑制されることがよく知られているの
で、不活性ガス雰囲気、脱酸素した溶液およびエ
マルジヨンの使用の如き酸素排除技術を重合に際
して使用するのが好ましい。表面活性剤および開
始剤の選定にあたり、何を選ぶべきかは当業者に
明らかなことである。エマルジヨンコポリマーの
形成に用いるモノマーは、多量のモノエチレン性
不飽和モノマー、またはこれらモノマーの混合物
とポリマーを架橋する作用を有する少量のポリエ
チレン性不飽和モノマーまたはこれらモノマーの
混合物とからなる。エマルジヨンコポリマーの製
造に有用なモノエチレン性不飽和モノマーの例と
してビニルナフタレンのような多環式芳香族モノ
マーならびにスチレンおよびエチルビニルベンゼ
ン、ビニルトルエンおよびビニルベンゾイルクロ
リドを含有する置換スチレンのような単環式芳香
族モノマーを包含する芳香族モノマー;メチルア
クリレート、エチルアクリレート、プロピルアク
リレート、イソプロピルアクリレート、ブチルア
クリレート、t−ブチルアクリレート、エチルヘ
キシルアクリレート、シクロヘキシルアクリレー
ト、イソボルニルアクリレート、ベンジルアクリ
レート、フエニルアクリレート、アルキルフエニ
ルアクリレート、エトキシメチルアクリレート、
エトキシエチルアクリレート、エトキシプロピル
アクリレート、プロポキシメチルアクリレート、
プロポキシエチルアクリレート、プロポキシプロ
ピルアクリレート、エトキシフエニルアクリレー
ト、エトキシベンジルアクリレート、および対応
するメタクリル酸エステルのようなメタクリル酸
およびアクリル酸のエステルを包含するアクリル
酸モノマーをあげることができる。
アクリル酸エステルの場合、好ましい実施態様
においては、脂肪族基が1〜5個の炭素原子を有
するアクリル酸の低級脂肪酸エステルが使用さ
れ、これらはモノマーより形成されるコポリマー
がカルボン酸カチオン交換エマルジヨンコポリマ
ー樹脂あるいはアニオン交換エマルジヨンコポリ
マー樹脂のいずれかの製造における中間体として
用いられるときに特に好ましい実施態様である。
カルボン酸交換体およびアニオン交換体の両方共
製造する場合には、エステル基を交換する。かく
して、実際にはメチルもしくはエチルアクリレー
トが選定される。
適当なポリ不飽和架橋モノマーの例として、ジ
ビニルベンゼン、ジビニルピリジン、ジビニルト
ルエン、ジビニルナフタレン、エチレングリコー
ルジメタクリレート、ジビニルキシレン、ジビニ
ルエチルベンゼン、ジビニルスルホン、ジビニル
ケトン、ジビニルスルフイド、トリビニルベンゼ
ン、トリビニルナフタレン、トリメチロールプロ
パントリメタクリレート、ポリビニルアントラセ
ンおよびグリコール、グリセロール、ペンタエリ
スリトールおよびレゾルシノールのポリビニルエ
ーテル等をあげることができる。特に好ましい架
橋モノマーとしてジビニルベンゼンおよびトリビ
ニルベンゼンのようなポリビニル芳香族炭化水
素、エチレングリコールジメタクリレートのよう
なグリコールジメタクリレートおよびジビノキシ
エタンおよびトリビノキシプロパンのような多価
アルコールのポリビニルエーテルをあげることが
できる。エチレン性不飽和モノマーの混合物の水
性乳化重合については、特に、米国特許第
2753318号および第2918391号に記載されている。
上記したように、本発明の弱酸性カチオン交換
エマルジヨンコポリマー樹脂粒子及び該樹脂粒子
とのフロツク形成に用い得る他のエマルジヨンコ
ポリマーイオン交換樹脂粒子としては、粒径の中
央値が0.01〜1.5ミクロメートルのものを得るこ
とができるし、また、好ましい粒径の中央値が
0.01〜0.5ミクロメートルのものを得ることがで
きる。樹脂粒子の粒径の中央値は、これらの範囲
内に正確に調節することができ、中央値の回りの
粒径分布は、狭く、小粒径の微粉砕樹脂について
得られる分布よりはるかに狭い。粒径は官能化に
より増大することはあつても、樹脂粒子の粒径の
調節はエマルジヨンコポリマーによる。エマルジ
ヨンコポリマー粒径のこのような調節は、すでに
よく知られている。例えば、重合反応混合物中に
存在する表面活性剤の量を変動させることによ
り、0.05〜0.3ミクロメートルのコポリマー粒径
範囲内に粒径を調節することができ、表面活性剤
の量を増加させるとより小さいエマルジヨンコポ
リマー粒径が得られる傾向がある。ポリマー中の
架橋剤の量もコポリマーの粒径に影響を及ぼす傾
向があり、より高度に架橋されたコポリマー粒子
は、水和するとき、低度に架橋された粒子ほどに
は膨潤しない傾向がある。0.1ミクロメートル以
下の粒径については、下記参考例11で説明するよ
うに特別の表面活性剤を用いて粒径を0.01ミクロ
メートルまで調節することができる。表面活性剤
の量をさらに減少させることにより、あるいは、
予め生成したエマルジヨンコポリマーの「種」
(“seed”)粒子よりさらに大きい粒子を生成させ
ることにより0.3ミクロメートルより大きいコポ
リマー粒子を生成させることができる。ポリマー
粒子は、この方法により直径1ミクロメートルの
大きさとすることができ、ついで官能化により
1.5ミクロメートルの大きさの直径を有するイオ
ン交換樹脂粒子を得ることができる。大きなコポ
リマー粒子の製造方法を下記参考例10で説明す
る。
架橋剤の量は、約0.1%および約25%の間、よ
り好ましくは約1%〜約20%の範囲からこれを選
択することができる。架橋剤の量は、エマルジヨ
ンコポリマーイオン交換樹脂製品に要求される樹
脂の特定の型(type)、物理的性質および官能価
の量によつて決まる。例えば、スルホン酸により
官能化された樹脂は、アミンにより官能化された
樹脂を製造するためのコポリマーより多い架橋剤
を有するエマルジヨンコポリマーより得られる。
同様に、膨潤を非常に少なくしたい場合、より小
さな反応容器を使用することができるプロセス上
の利点があり、多量の架橋剤が用いられる。低膨
潤性を有するスルホン酸官能化樹脂に対しては約
3%〜約12%の範囲の架橋剤が普通であり、特に
低い膨潤が要求されるときには、さらに多量の架
橋剤を用いることができる。モノエチレン性不飽
和モノマーならびに架橋剤が官能化されてモノマ
ー単位当り適度な数の官能基を生ずることができ
る限り、特別の目的のために約25%以上の量の架
橋剤を使用することができる。反応速度をさらに
早くしたいときには、架橋剤の量を少なく選択す
る。ところが、アニオン交換エマルジヨンコポリ
マー樹脂は、好ましくは、約0.1%および約7%
以上の間の量、さらに好ましくは約0.5〜約3%
の範囲の架橋剤を含有する。望ましい均衡のとれ
た物理的性質を得るための特定の架橋剤の使用量
の選択については、従来イオン交換樹脂の当業者
にとつてよく知られており、同じ指導原理がエマ
ルジヨンコポリマー樹脂にも適用される。
以後の取り扱いを可能にするために、エマルジ
ヨンコポリマーをいくつかの公知の方法のうち1
つを用いて凝集させる。1つの好ましい凝集方法
は、エマルジヨンを熱塩水に加えることであり、
塩化ナトリウムまたは塩化カルシウム、硫酸アル
ミニウムなどの他の無機塩の飽和乃至2%の濃度
の水溶液が使用される。約4重量%まで濃縮した
硫酸水溶液も適当であり、水酸化カリウムまたは
水酸化ナトリウムの水溶液のようなアルカリ水酸
化物の水溶液は、アクリル酸エステルコポリマー
の凝集ならびに同時の加水分解および官能化に特
に適している。エマルジヨンを撹拌中の凝集剤溶
液に加えると凝塊を撹拌速度に応じた粒径をもつ
粒子として分散させることができ、有用な粒径は
広範囲に及ぶが取扱いを容易にするためには小粒
以下となつたり、粉末範囲になつてはならない。
凝集剤溶液をエマルジヨンに加えることもでき
るが、凝集塊(coagulum)粒子よりも、むしろ
凝集してかさばつた塊りを生ずる傾向がある。エ
マルジヨンは、これを乾燥して凝集させることも
できるし、芳香族コポリマーから強塩基性樹脂製
品を製造するためには、スプレー乾燥が好ましい
方法である。この方法により得られた粒子を、以
後の濾過および洗浄を必要とする官能化反応に用
いるときは、あまりに小さ過ぎて取扱いを高率よ
く行ない難くなる傾向がある。コポリマーエマル
ジヨンを凝集させるための他の有用な方法の例と
して激しい撹拌、交互に行なわれる凍結と融解お
よびエマルジヨンへの有機溶媒の添加をあげるこ
とができる。いつたん製造されると、凝集塊粒子
は、従来の懸濁重合イオン交換樹脂ビーズの洗
浄、濾過および官能化に使用される通常の取扱い
技術に耐えるに充分な凝集性を有している。凝集
塊は、大気温度もしくはそれより高い温度で蒸発
させるが、あるいは水溶液の無水有機溶媒で洗浄
することにより、水分を除去して従来の官能化反
応に供するのが好ましい。
一般に、エマルジヨンコポリマー樹脂粒子を官
能化するために用いられる反応は、従来の懸濁重
合コポリマーよりイオン交換樹脂を製造するため
に用いられるものと同じである。高度な官能化
は、樹脂単位重量当り多数のイオン交換官能座を
生ずることになつて望ましいので、本発明の弱酸
性カチオン交換エマルジヨンコポリマー樹脂粒子
は、官能化によりモノマー単位当り0.7〜1.5個の
官能基を有するように構成される。さらに好まし
い範囲は、モノマー単位当り0.8〜1.2個の官能基
の範囲である。ここに「モノマー単位当りの官能
基」なる用語は「主鎖」(“backbone”)のモノエ
チレン性不飽和モノマーと架橋のポリエチレン性
不飽和モノマーとの両方の合計モノマー単位当り
のイオン交換官能基の数を意味する。例えば、芳
香族主鎖モノマーと芳香族架橋剤モノマーとを使
用してコポリマーを製造する場合、上記の用語、
すなわち「モノマー単位当りの官能基」は、ポリ
マー中の芳香族環1個当りの官能基の数を意味す
る。同様に、官能化アクリル酸主鎖と官能化され
ていない芳香族架橋剤とのコポリマーの場合、官
能化度は、アクリル酸モノマーと芳香族モノマー
との合計モノマー単位当りのイオン交換官能基で
ある。官能化度は、コポリマーを構成する全モノ
マーのモル当りの官能基の数と考えることもでき
る。コポリマーの代表的な官能化方法のうちいく
つかについては、後に説明する。
なお、本発明の弱酸性カチオン交換エマルジヨ
ンコポリマー樹脂粒子とのフロツク形成に用い得
る他のエマルジヨンコポリマーイオン交換樹脂粒
子としても、以上述べたような本発明の樹脂粒子
と同様な官能化度を有するものを得ることができ
る。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子を利用し
た後述のフロツク形成に用い得る強酸性エマルジ
ヨンコポリマーイオン交換樹脂粒子は、例えば、
架橋スチレンもしくは置換スチレンエマルジヨン
コポリマーの凝集粒子を濃硫酸と共に加熱してス
ルホン酸官能化樹脂を生成させ、生成物を水洗し
て過剰の酸を除去し、さらに上記の方法により凝
集したエマルジヨン粒子を再び懸濁させることに
より得られる。
本発明の弱酸性カチオン交換エマルジヨンコポ
リマー樹脂粒子は、例えば、架橋アクリル酸エス
テルエマルジヨンコポリマーをアルカリ金属水酸
化物の溶液で加水分解してカルボン酸−官能化樹
脂粒子を生成させることにより得られる。この特
殊の方法においては、エマルジヨンを官能化に先
立つて凝集させる必要がないことに注意すべきで
あり、エマルジヨンを水酸化物の溶液に添加する
と凝集が起るが、エステル結合が加水分解される
のでコポリマー樹脂粒子の凝塊は、再び懸濁す
る。この方法により得られたカルボン酸−官能化
樹脂粒子は、アルカリ金属の形であり、水素形の
従来の強酸性カチオン交換樹脂と接触させること
により遊離酸(水素)の形に転化することができ
る。同様に、アクリル酸エステルコポリマー樹脂
は強酸で加水分解されて、水素形のカルボン酸−
官能化樹脂を生成することができるが、この場
合、生成物はエマルジヨンではなく、むしろ、凝
塊(coagulum)である。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子を用いた
フロツク形成に利用し得るアニオン交換樹脂粒子
は、例えば以下のようにして形成できる。
強塩基性エマルジヨンコポリマーイオン交換樹
脂粒子は、例えば、架橋スチレンエマルジヨンコ
ポリマーの凝集粒子を塩化アルミニウムのような
ルイス酸の存在下クロロメチルメチルエーテルで
クロロメチル化し、次いで生じたエマルジヨンコ
ポリマー中間物質をトリメチルアミンのような3
級アミンで処理して4級アミンクロリド官能基を
生成させることにより得られる。あるいは、強塩
基性4級アミン樹脂粒子は、架橋アクリル酸エス
テルエマルジヨンコポリマーをジメチルアミノプ
ロピルアミンまたはジ(3−ジメチルアミノプロ
ピル)−アミンなどの3級アミン基と1級もしく
は2級アミン基との両方を含有するジアミンで処
理し、次いで生じた弱塩基性樹脂をメチルクロリ
ドのようなアルキルハロゲン化物で4級化するこ
とにより得られる。
弱塩基性エマルジヨンコポリマーイオン交換樹
脂粒子は、例えば、スチレンコポリマーに対して
は3級アミンの代りに1級もしくは2級アミンが
用いられ、アクリル酸エステルコポリマーに対し
ては、樹脂がアルキルハロゲン化物により4級化
されないということを除き、強塩基性樹脂につい
て記載したと同じ方法で得られる。
官能化された凝集塊粒子はイオン交換性能を有
し、充分な凝集性を有するので従来の樹脂ビーズ
と殆ど同じ方法で従来のイオン交換プロセスに使
用することができるが、本発明の弱酸性カチオン
交換樹脂粒子及び該樹脂粒子を利用したフロツク
の形成に用いるイオン交換エマルジヨンポリマー
樹脂粒子を利用する好ましい形は、再懸濁された
形である。官能化された凝集粒子の再懸濁は、上
記した方法、すなわち、球状の樹脂粒子を破壊し
ないで凝塊を分裂させる高剪断混合、超音波振
動、温和な粉砕、もしくは他の微粉砕方法により
行うことができる。エマルジヨンコポリマー樹脂
粒子の自然な再乳化は、ある条件下で芳香族コポ
リマーから強塩基性生成物を得る間に起り、微粉
砕工程の必要がなくなる。
官能化されないエマルジヨンコポリマー粒子は
疎水性のため、凝集が促進されることに注意すべ
きである。いつたん官能化されると、イオン交換
樹脂粒子は比較的親水性であり、官能化されてい
ないコポリマーエマルジヨンが凝集を示す条件下
でも、エマルジヨンの形からは凝集しない傾向が
ある。光学顕微鏡写真および他の物理的証拠によ
り、官能化されたイオン交換樹脂粒子のエマルジ
ヨンは、主として個々に独立した粒子を含有する
ことがわかる。このようなエマルジヨンの試料を
乾燥すると、粒子は、個々の粒子として残るが、
あるいは、小さく、かつ、ゆるく結合した粒子の
クラスター(clusters)を形成するかである。こ
れらのクラスターは、凝塊の固く結合した性質と
は対照的に、指の間で擦ることで通常充分な、非
常におだやかな力で、これを分裂させることがで
きる。ゆるい結合のクラスターは、水に加えると
自然に分散し、個々の樹脂粒子のエマルジヨンを
形成する傾向もある。
一般に、本発明の弱酸性カチオン交換エマルジ
ヨンコポリマー樹脂粒子は、塊状もしくは懸濁重
合により製造され、粉砕したイオン交換樹脂が使
用される如何なる用途にも使用することができる
が、本発明の樹脂は特別の性質を有するので、粉
砕した従来の樹脂よりもすぐれているのが普通で
ある。さらに、これらの特別の性質のために、本
発明の樹脂は、従来の粉砕樹脂が不適当であるよ
うな広範囲の用途に供することができる。
以下に本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子の
用途について述べる。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子の用途の
うち、口径投与薬剤または薬剤治療としての用途
がある。これらの用途の例として、カルシウムま
たはマグネシウムの形の弱酸性樹脂粒子の胃の制
酸剤としての用途およびカルシウムの形の弱酸性
樹脂粒子の胆石治療用用途などをあげることがで
きる。さらに、このような用途として、薬剤キヤ
リヤーならびに、薬剤および他の物質の持続性解
放剤としての用途があり、この適用例および他の
適用例において、さらに追加される利点として、
吸着された物質の不快な香味または臭気の隠蔽が
ある。この樹脂粒子は、さらに重金属、薬剤なら
びに微生物の内毒素、外毒素、脹毒素などの如き
急性中毒の治療に用いられる。内科の領域におけ
る他の用途としては、血液と接触する物質よりの
発熱質の除去、胃および腸よりの微生物の除去お
よび放射線透過写真法の注射しうる造影剤媒体と
しての用途がある。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子の用途
は、さらに、外科および薬剤治療の分野にもあ
る。これらの用途の中には、PH調節剤、ツタウル
シもしくは他の薬品による接触皮膚炎の治療、発
汗抑制剤(antiperspirants)、脱臭剤、皮膚殺菌
剤、刺激抑制のためのみ、あるいは、同時に薬剤
キヤリヤーとしても役立つ刺激抑制剤および虫、
蛛形動物、へびなどによるかみ傷または刺し傷の
治療用としての用途がある。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子の家庭用
および工業用の用途は、凝集、濾過および脱イオ
ンの分野にある。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子と弱塩基
性樹脂を結合させることによつて生成されるフロ
ツクは、水、粗糖などの脱イオンに使用すること
ができる。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子には、さ
らに紙および不織布材料への添加剤としての用途
がある。例えば、この樹脂粒子を脱臭剤および殺
菌剤として使い捨ておむつおよび衛生ナプキンに
練り込むことができる。この樹脂粒子は、紙、布
およびペイントへの練り込みのための染料受容体
として役に立ち、この適用にあたり、樹脂粒子を
繊維の押出前にポリマーにブレンドしてもよい。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子には、さ
らに濃業生産物の配合助剤としての用途があり、
例えば農薬、肥料、生長ホルモン、ミネラルなど
の生物活性物質の放出調節機能を有する基質
(controlled release substrates)、農薬配合なら
びに樹脂の乳化性およびイオン交換活性が要求さ
れる同様な適用の懸濁助剤、およびPH調節剤とし
て有用である。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子には、な
おさらに触媒および掃去(scavenging)の分野
における用途がある。これらの樹脂粒子は、例え
ばクメンヒドロペルオキシドのフエノールおよび
アセトンへの転化における高表面積で不均質な酸
もしくは塩基触媒、例えばアンピシリンの合成に
おける酸受容体および反応平衡を完結の方へ移す
ための生成物、副生物または代謝物質の掃去剤と
して有用である。これらの樹脂粒子は、例えばフ
ラクトーズ転化における酵素活性剤および不溶化
(immobilizing)酵素の基質として役立つことも
できる。乾燥樹脂粒子は、有機溶媒の乾燥剤とし
て用いることもできる。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子のその他
の用途として、合成洗剤における金属イオン封鎖
剤およびホスフエートビルダーの代替え品として
の用途、特にカリウム形の弱酸性樹脂粒子の錠剤
崩壊剤としての用途、およびゲルマニウム、ウラ
ニウム、亜鉛などの回収のための湿式冶金の抽出
剤としての用途がある。粒径が小さいので、樹脂
粒子は微細中空繊維の内腔内の限外濾過用として
使用することができる。これらの樹脂粒子は、石
油残留分より金属または金属ポルフイリンを除去
するためのイオン交換体または吸着剤として用い
ることができる。これらの樹脂粒子は、醗酵によ
り生成される乳酸、くえん酸、酒石酸および類似
の酸などの有機酸の精製のための高表面積抽出剤
として使用することができる。これらの樹脂粒子
は、糖精製設備、屠殺場などの廃水から蛋白質お
よびアミノ酸を除去するために用いることがで
き、これらの蛋白質およびアミノ酸を含む樹脂は
口当りがよく味覚がないので、直接牛などの家畜
の飼料として用いることができる。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子を使用す
る砂糖の脱色および透明化方法は、従来の方法に
比べてすぐれた利点を提供する。従来、粗糖溶液
は骨炭、活性炭、あるいは従来のイオン交換樹脂
などの再生可能な吸着剤で処理されている。これ
らの吸着剤は、化学再生剤または再生のための加
熱を必要とし、得られた糖液が稀釈されるので望
ましくない。精製設備においては、しばしば二酸
化硫黄漂白、回収不可能な粉末状炭素の添加、あ
るいは凝集剤の使用を含めた透明化操作に次いで
いくつかの脱色操作が行なわれるのが普通であ
る。本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子を利用
して脱色と透明化を1段の工程で行なうことがで
きる。不純な糖溶液に加えると、これらの樹脂粒
子は、その溶液中に通常存在する荷電した粒状の
不純物と凝集性で濾過可能なフロツクを形成す
る。樹脂粒子はフロツクの中に取り込まれるが、
そのイオン交換官能性を保持するため、溶解して
いるイオン性不純物および着色性の不純物を溶液
より除去することができる。これらの樹脂粒子
は、さらに、フロツク形成中共沈によるか、ある
いは、フロツク含有溶液の濾過中このような不純
物を保持することにより粒状で着色性の不純物を
除去することができる。フロツクにより溶液から
不純物が除去されるもう1つの機構は、フロツク
を構成する粒子への吸着であり、粒径が非常に小
さいので、これらの粒子は、フロツクに高表面積
を付与することになる。これらの機構の1つ以上
により、本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子
は、糖溶液から着色させ、透明性を失わせる不純
物、さらには塩および着色不純物の先駆物質を除
去する。吸着され、同伴される不純物を含有する
フロツクは、濾過、浮遊法または他の公知の方法
により糖溶液から除去することができる。処理さ
れる糖としてカンシヨ糖、トウモロコシ糖、テン
サイ糖およびその他の糖が含まれる。その微細な
粒径に基づくこれらのエマルジヨンポリマー樹脂
粒子のすぐれた反応速度のために、これまで使用
された従来のイオン交換樹脂より本発明の弱酸性
カチオン交換エマルジヨンコポリマー樹脂粒子は
イオン交換体として、はるかに速く作用すること
ができるし、フロツク自身も、さらに濾過助剤と
して作用する利点を有する。
添加したエマルジヨンコポリマーイオン交換樹
脂粒子のすべてをフロツク中に取り込ませるのに
充分な荷電粒状不純物が不純な糖液中に存在しな
い場合には、その溶液に別の凝集剤を加えること
ができる。このような凝集剤の例としてエマルジ
ヨンコポリマー樹脂粒子の電荷と反対の電荷を有
するイオン性表面活性剤、非イオン性表面活性剤
およびエマルジヨンコポリマー樹脂粒子の電荷と
反対の電荷を有する微粉砕したイオン交換物質を
あげることができる。このようなイオン交換物質
は、粉砕した従来の樹脂または先に述べた各種エ
マルジヨンコポリマーイオン交換樹脂であつても
よい。また、本発明の樹脂粒子自体を他のイオン
交換樹脂粒子の凝集除去のための凝集剤として用
いても良い。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂は糖の処理に
も用いることができ、特に転化のためスクロース
を処理するのに用いることもできる。転化、すな
わち、12−炭素スクロースを加水分解して6−炭
素糖たるグルコースおよびフラクトースとする方
法は、特定の酵素または水素イオンの存在下に起
る。なお、強酸性エマルジヨンカチオン交換樹脂
は、望ましくない可溶性アニオンを糖中に導入す
ることなしにこれらの水素イオンを供給するため
に用いられる。転化に次いで、カチオン交換エマ
ルジヨン樹脂粒子は、従来の凝集剤を用いて、あ
るいは、強塩基性エマルジヨンコポリマー樹脂粒
子のようなアニオン交換エマルジヨンコポリマー
樹脂粒子を加えて転化糖溶液よりこれを除去する
ことができる。このようなエマルジヨンコポリマ
ー樹脂粒子を用いるとき、その樹脂粒子は、糖溶
液をさらに透明にし、脱色する傾向があり、生成
するフロツクは濾過助剤として作用する。カチオ
ン交換樹脂ビーズ層における従来のスクロース溶
液処理に対するこのような方法の利点は、ビーズ
樹脂よりもエマルジヨンコポリマー樹脂粒子を用
いた場合、より濃度の高い、したがつてより粘稠
な溶液を処理することができるということであ
る。
上記の如く、カチオン交換エマルジヨンコポリ
マー樹脂粒子をアニオン交換エマルジヨンコポリ
マー樹脂粒子と結合させると、2種の樹脂粒子の
反対に荷電した粒子が相互に作用してゆるく、静
電的に結合したフロツクを形成する。このような
フロツクは、液体が容易にその中に浸透し、個々
の粒子自身非常に小さいので容易に浸透され、反
応速度上、イオン交換に対してすぐれた性質を有
する。フロツクは、剪断力により容易に分裂され
るが、反対に荷電した粒子の静電引力が残つてい
るので、剪断力を取り除くと、フロツクが再び形
成される。このためにフロツクをあたかも液体で
あるかの如く従来の液用ポンプで移送することが
できる。使用中、静電引力が粒子スラツジ
(sloughage)を最少とする場合、フロツクを比
較的粗く、低圧力差の濾網上に支持することがで
きる。脱イオン性に加えて、これらのフロツク
は、下記参考例19に示されるようにすぐれた濾過
性を有する蒸気発電機凝縮水からイオンおよび粒
状物質を除去する場合のように、これらのフロツ
クの脱イオンおよび濾過性を同時に利用すること
ができる。フロツクをこのように使用するとき
は、フロツクは、濾布、濾網、フイルターリーフ
または他の機械的濾過装置に予め塗布されるのが
普通である。フロツクは、フイルターそのものに
移す前にカチオン交換およびアニオン交換エマル
ジヨンコポリマー樹脂粒子のエマルジヨンを混合
することにより予め生成させてもよいし、また、
フロツクはカチオン交換およびアニオン交換エマ
ルジヨンコポリマー樹脂粒子をその液に加えるこ
とにより、処理され、濾過される液中でこれを生
成させてもよい。後者の場合、フロツクが形成さ
れるにつれてフロツク内に粒状物質が同伴される
というもう1つの利点がある。
本発明の弱酸性カチオン交換エマルジヨンコポ
リマー樹脂粒子は、強塩基性もしくは弱塩基性エ
マルジヨンコポリマー樹脂粒子と混合することに
よりフロツクを形成し得る。なお、このフロツク
形成には強酸性カチオン交換エマルジヨンコポリ
マー樹脂粒子を必要に応じて併用しても良い。す
なわち、フロツクは、1種以上のカチオン交換エ
マルジヨンコポリマー樹脂の粒子を1種以上のア
ニオン交換樹脂の粒子と混合することにより形成
され、弱塩基性と強塩基性エマルジヨンコポリマ
ー樹脂を、また同様にして弱酸性と強酸性エマル
ジヨンコポリマー樹脂を混合するようにしてもよ
く、これらの混合物をフロツクを形成するのに用
いることができる。異なる粒径を有する多数のカ
チオン交換エマルジヨンコポリマー樹脂粒子ある
いは、異なる粒径を有する多数のアニオン交換エ
マルジヨンコポリマー樹脂粒子を含めて、異なる
粒径を有するエマルジヨンコポリマー樹脂粒子を
混合してフロツクを形成することができ、このよ
うな混合物は、フロツクの組織(texture)、した
がつて濾過および他の取扱い特性を調節するため
に使用される。フロツクの形成について下記参考
例18および実施例5で説明する。
本発明の弱酸性カチオン交換樹脂粒子と弱塩基
性エマルジヨンコポリマー樹脂粒子から得られた
フロツクは、熱的に再生することができるという
もう1つの有用な性質を有する。すなわち、この
フロツクは、比較的冷たい液からアニオンおよび
カチオンを除去するのに用いることができ、これ
らのアニオンおよびカチオンは、再生中に比較的
熱い水性液体から水素およびヒドロキシルイオン
と交換される。これらのフロツクは、酸性と塩基
性の両方の官能性の領域を有する通常大きく硬い
ビーズである従来の熱的に再生しうる樹脂とは異
なる。この熱的に再生可能なフロツクは、大き
く、かつ、凝集性の塊を形成することができるの
で、移動床脱イオン装置とともに用いることがで
きる。この装置において、フロツクは、冷たい処
理液と接触する脱イオン部および熱い水性再生液
と接触する再生部を通して連続的にフロツクを輸
送する移動フイルター支持体上にコーテイングさ
れる。フロツクは、脱イオン容器および再生容器
を通してポンプで循環される連続式脱イオンプロ
セスにおいて同様に使用することができ、フロツ
クは、処理液の流れと反対方向に脱イオン容器を
通して移動する。2つの異なるPH値における弱酸
−弱塩基フロツクの再生性ならびにこのフロツク
の熱容量と従来の熱再生可能なビーズ樹脂のそれ
との比較について下記実施例6で説明する。
カチオン交換およびアニオン交換エマルジヨン
コポリマー樹脂粒子を混合してフロツクを形成す
るに際し、単一の粒子が反対の電荷の2個以上の
粒子と静電引力を生ずる。特に、例えば粒径が
0.7と1.5ミクロメートルとの間にあるようなある
電荷の大きい粒子が、例えば粒径が0.1ミクロメ
ートルより小さい反対の電荷の微細粒子と混合さ
れる場合には、多数の微細粒子が大きい粒子のま
わりにクラスター(cluster)する。その結果、
フロツク中のカチオン交換エマルジヨンコポリマ
ー樹脂粒子のアニオン交換エマルジヨンコポリマ
ー樹脂粒子に対する割合は、粒径を調節すること
により広範囲にわたり変動させることができる。
フロツクは、カチオン交換樹脂粒子対アニオン交
換樹脂粒子の割合を約9:1〜約1:9に変動さ
せて得られる。略々同一の粒径を有する相対する
電荷の粒子の場合でも、カチオン交換樹脂粒子対
アニオン交換樹脂粒子の割合を少なくとも約3:
2〜約2:3の範囲に変動させることができる
し、この範囲は、粒径に関係なく好ましい範囲で
ある。カチオン交換樹脂粒子対アニオン交換樹脂
粒子のさらに好ましい割合は約1:1である。
本発明の弱酸性カチオン交換エマルジヨンコポ
リマー樹脂粒子は、従来のイオン交換樹脂粒子、
すなわち、約40ミクロメートル以上の粒径を有す
るイオン交換樹脂粒子、そして好ましくは、従来
のイオン交換層(beds)用として適当なこれら
のイオン交換樹脂と接触させることにより、1つ
のイオン形より他のイオン形へと変えることがで
きる。約40ミクロメートル以上の直径を有するイ
オン交換樹脂粒子は、球状のビーズであるか、他
の幾何学的形であるかに関係なく、このでは「ミ
クロビーズ」(“microbeads”)と呼ぶこととす
る。参考までに、クロリド形で得られたエマルジ
ヨンコポリマーアニオン交換樹脂粒子は、該樹脂
粒子のエマルジヨンをヒドロキシル形の強塩基性
アニオン交換樹脂の従来の層に通すことにより、
これをヒドロキシル形に変えることができる。エ
マルジヨン樹脂のクロリドイオンは、エマルジヨ
ン樹脂がカラムを通過するにつれて、従来の大き
なビーズ樹脂のヒドロキシルイオンと交換され
る。
イオンは各樹脂間で交換されるので、従来のイ
オン交換樹脂のイオン形も変化する。このプロセ
スは、したがつて、エマルジヨンコポリマー樹脂
粒子のイオン形を望ましい形に変えるため、ある
いは、イオン交換層再生におけるように、固定層
の樹脂を望ましいイオン形に変えるためにこれを
用いることができる。個々の、または混合したエ
マルジヨンコポリマー樹脂粒子ならびに個々の、
または混合した従来の樹脂をこのプロセスに使用
することができる。エマルジヨンコポリマー樹脂
粒子は、従来の樹脂と同じイオン交換型(type)
のものが好ましく、ここに用いられる「イオン交
換型」はイオン交換官能基のイオン型、すなわ
ち、実質上カチオン性(酸性)か実質上アニオン
性(塩基性)かの何れかを意味する。
イオン交換は、交換が平衡に達するバツチプロ
セスおよびイオン化溶液のイオン交換層により従
来の処理におけると同様に連続的平衡化により望
ましいイオン形への高転化率が得られるカラムま
たは層(bed)プロセスにおいて、このような樹
脂間に起る。このプロセスを実施例1、実施例4
および参考例17で説明する。
以下の実施例および参考例は、発明を説明のた
めのもので、これを限定するものではない。ここ
で用いられる百分率は他の限定しない限り重量単
位であり、試薬はすべて市販されている上品質の
ものである。
参考例 1
スチレン−ジビニルベンゼンエマルジヨンコポ
リマーの製造について説明する。
脱酸素水370g、トリトンx−200(Triton x
−200)(ペンシルバニア州、フイラデルフイア、
ローム・アンド・ハース社の固形分28%含有アル
キルアリールポリエーテルスルホネート表面活性
剤のナトリウム塩に対する商標)、スチレン248.8
gおよび市販のジビニルベンゼン(ジビニルベン
ゼン54.7%、残りは実質上エチルビニルベンゼ
ン)51.2gを窒素雰囲気下激しく撹拌することに
よりモノマーエマルジヨンを得た。脱酸素水100
gに過硫酸カリウム2.0gを溶解して水性開始剤
溶液を得、モノマー溶液50gをこの開始剤溶液に
加えた。混合物を撹拌して1インチの渦を生じさ
せ、窒素雰囲気下70℃に加熱した。不透明度が急
に減少することによつてはつきりする重合開始時
に、残りのモノマーエマルジヨンの1.5時間にわ
たる添加を開始した。この添加完了後温度を70℃
に1時間保持した。ポリマーエマルジヨンを室温
まで冷却して、チーズクロスで濾過した。このエ
マルジヨンの実測した固形分含量は、計算値の45
%に対して43.0%であつた。
参考例 2
参考例1で得たポリマーエマルジヨンのブライ
ン凝集について説明する。25%塩化ナトリウム水
溶液1400mlを100℃に加熱した。溶液を撹拌しな
がら、参考例1で得たエマルジヨン700mlを溶液
の温度が95℃以下にならないようにしてできるだ
け速い速度で加えた。溶液の温度を100〜103℃で
30分間保持し、固体凝塊を米国標準シリーズ1512
(別の表示番号100)篩で濾別した。凝塊を水洗
し、110℃で1液乾燥した。乾燥後の収量は292.1
gであつた。
参考例 3
参考例1で得たポリマーエマルジヨンの硫酸凝
集について説明する。撹拌中の濃硫酸250mlに参
考例1のポリマーエマルジヨン41mlを硫酸の液面
下にその先端を差し込みながらパスチユールピペ
ツトで加えた。直径約15mmで長さ5〜7mmの虫状
の凝塊を得た。
参考例 4
参考例2の凝塊をスルホン化して強酸性カチオ
ン交換物質を調製することについて説明する。参
考例2の乾燥凝塊20gを濃硫酸120mlと混合し、
窒素雰囲気下撹拌すながら120℃に加熱し、この
温度に5時間保持した。反応混合物を冷却し、約
95℃以上の温度にならないようにして、できるだ
け速かに水を加えた。固体物質を沈降させ、上澄
を除去した。水約120mlをこの固体物質に加え、
次いで除去した。固体物質をフイルターチユーブ
に移送し、水洗し排水した。固形分31.7%のこの
物質の収量は103.8gであつた。この物質のカチ
オン交換容量は、5.26meq/gの理論値に比べて
乾燥したH+形の物質1g当り5.22ミリ当量であ
つた。ここで、理論イオン交換容量および理論官
能化度は、芳香族環(スチレン樹脂)またはモノ
マー単位(アクリル樹脂)当り1個の官能基の仮
定のもとに算出したものである。この理論値は、
ある条件下では逆になつて、理論値よりも実測値
が大きくなることも起りうる。
参考例 5
参考例2の凝塊のクロロメチル化およびアミノ
リシスについて説明する。参考例2の乾燥凝塊20
gの試料をクロロメチルメチルエーテル17mlおよ
びプロピレンジクロリド69mlの混合物中に膨潤さ
せた。このスラリーを撹拌しながら、クロロメチ
ルメチルエーテル25ml中塩化アルミニウム19gの
溶液を、添加中冷却して32℃以下の温度に保ちな
がら、徐々に添加した。反応混合物を32℃に2時
間保持し、次いで冷却して15℃にした。冷却して
30℃以下の温度に保ちながら水を滴加した。水層
を膨張した有機相よりデカンテーシヨンし、生成
物を2回水洗し、4%苛性ソーダ水溶液で1回、
そして水でもう1回洗浄した。固体生成物を濾過
した。塩化プロピレンで湿つているこの濾過生成
物の重量は105gであつた。このクロロメチル化
中間体の試料15gを分子量1200のポリ(エチレン
イミン)40mgを含有する水でスラリーとした。混
合物を加熱して塩化プロピレンをストリツピング
した。混合物を冷却し、25%トリメチルアミン9
mlを加えた。混合物の温度を70℃に昇温し、その
温度に5時間保持し、次いで95℃に昇温して過剰
のトリメチルアミンをストリツピングした。得ら
れた固体をフイルターチユーブに移送し、水洗
し、排水した。固形分35.9%の物質の収量は14.6
gであつた。この物質のアニオン交換容量は、ク
ロリド形の乾燥物質について3.64meq/gであつ
た。微量分析の結果、下記の組成であつた。
C 67.16%
H 8.49%
O 6.82%
N 4.82%
Cl 12.37%
(O=H2Oでの補正値)
N=3.7meq/g
Cl=3.8meq/g
参考例 6
ビニルベンジルクロリド−ジビニルベンゼンエ
マルジヨンコポリマー凝塊のアミノリシスについ
て説明する。
ビニルベンジルクロリドおよびジビニルベンゼ
ン(市販品、ジビニルベンゼン含有量54.7%で残
りは本質上エチルビニルベンゼン)のエマルジヨ
ンコポリマーを下記参考例12の方法により得た
が、このポリマーは8%のジビニルベンゼンを含
有し、固形含有量の実測値は29.6%であつた。エ
マルジヨンコポリマーを放置して凝集させ、凝塊
50gを水100ml中分子量1200のポリ(エチレンイ
ミン)0.15gの溶液でスラリーとした。スラリー
を60℃に加熱し、その温度で1時間保持し、圧力
反応器に移送した。この反応器に40%ジメチルア
ミン40gおよび59%苛性ソーダ水溶液5.4gを加
えた。混合物を撹拌して60℃に加熱し、その温度
に1時間保持し、次いで87℃に加熱し、その温度
に4時間保持した。反応器を冷却して窒素でパー
ジし、反応混合物を濾過した。固形分を水洗して
排水した。固形分の少量の乾燥試料についての微
量分析の結果は次の通りであつた。
C 81.59%
H 9.00%
O 2.52%
N 6.57%
(結果をO=H2Oで補正)
N=4.8meq/g(理論値5.3meq/g)
参考例 7
メチルアクリレート−ジビニルベンゼンエマル
ジヨンコポリマーの製造について説明する。脱酸
素水360g中トリトンx−200(Triton x−200)
24gの分散液を窒素雰囲気下1丸底フラスコ中
で調製し、撹拌して1−インチの渦を生じさせ
た。ジビニルベンゼン(市販品、ジビニルベンゼ
ン含有量55.2%で残りは本質上エチルビニルベン
ゼン)29gおよびメチルメタクリレート171gの
混合物をこの水性分散液に加え、次いで調製した
ての820ppm硫酸第1鉄溶液4mlおよび過硫酸ア
ンモニウム溶液1.0gを含有する脱酸素水50mlを
加えた。この混合物を約15分間撹拌し、冷却して
20℃とした。水20ml中、ナトリウムメタビスサル
フアイト1.0gの溶液および70%t−ブチルヒド
ロペルオキシド5滴をこの混合物に加えた。5分
間の誘導期後、6分間に温度が80℃にあがり、そ
の後次第に低下した。30分後、混合物を冷却して
室温とし、チーズクロスで濾過した。濾過したエ
マルジヨンの固形分は、理論値の31.4%に対して
31.0%であつた。
実施例 1
参考例7のメチルアクリレート−ジビニルベン
ゼンコポリマーの加水分解および再懸濁により弱
酸官能化イオン交換樹脂エマルジヨンを製造する
ことについて説明する。参考例7で得たエマルジ
ヨンの試料200gを水250ml中50%苛性ソーダ溶液
57.4gの撹拌中の溶液(塩基として20%過剰であ
る)に加えたところ、凝集が起つた。この混合物
を93℃に加熱し、その温度で2時間保持し、冷却
して室温とした。この凝塊が撹拌および加熱中、
苛性ソーダ溶液中で再懸濁するのがみられる。エ
マルジヨン生成物を水で稀釈して800−850mlと
し、H+形のアンバーライトIR−120カチオン交
換樹脂(スルホン酸官能化、スチレン/ジビニル
ベンゼンゲルカチオン交換ビーズ樹脂に対するペ
ンシルバニア州、フイラデルフイア、ローム・ア
ンド・ハース社の商標)のカラムを通して過剰の
苛性ソーダを除去して、生成物を遊離酸の形に転
化した。得られたエマルジヨンの固形分は4.74%
で弱酸カチオン交換容量は乾燥ポリマーについて
9.4meq/gであつた。
実施例 2
実施例1で得た官能化エマルジヨンコポリマー
凝集物の再懸濁について説明する。官能化凝塊を
高速ブレンダー容器[ワーリングブレンダー
(waring Blender)7011−31BL41型の小壜アセ
ンブリー]に移して水で覆つた。エマルジヨンを
再懸濁する要求に応じて、ブレンダーを高速また
は低速度で30秒乃至20分間運転した。
参考例 8
参考例6記載の方法により得られたエマルジヨ
ンコポリマー凝塊のアミノリシスおよび再懸濁に
ついて説明する。凝塊の試料17gを水125ml中で
スラリーとし、無水トリメチルアミン9.0gを加
えた。温度が33℃まで上昇するのがみられた。ス
ラリーをさらに加熱して65℃とし、過剰のトリメ
チルアミンを窒素ガス気流で除去した。得られた
生成物は、非常に濃度が高いが完全に懸濁してい
た。エマルジヨンの固形分は16.3%であつた。
参考例 9
参考例1、2および5で記載したように、クロ
ロメチル化スチレン−7%ジビニルベンゼンエマ
ルジヨンコポリマーをトリメチルアミンでアミン
化して得た強塩基エマルジヨンコポリマーイオン
交換樹脂のOH-形の試料の粒径分布を電子光学
顕微鏡写真で測定した。平均粒径は147ナノメー
トル(1ミクロメートル=1000ナノメートル)
で、粒径の約76%が18−ナノメートル範囲内にあ
り、粒径の約95%が33−ナノメートル範囲内にあ
つた。
実施例 3
参考例7及び実施例1に記載したようにして得
たH+形で8%のジビニルベンゼンを含有する弱
酸性カルボン酸官能化アクリレートエマルジヨン
コポリマーイオン交換樹脂試料の粒径分布を電子
光学顕微鏡により測定した。平均粒径は48ナノメ
ートルで、粒径の約84%が19−ナノメートル範囲
内にあり、粒径の約95%が29−ナノメートル範囲
内にあつた。
参考例 10
モノマー溶液を予め生成した(pre−formed)
コポリマーエマルジヨンに加えて重合する方法に
よる0.512より大きい粒径を有するスチレン−ジ
ビニルベンゼンエマルジヨンコポリマーの製造に
ついて説明する。モノマーエマルジヨンは脱酸素
水180g、トリトンx−200(Triton x−200)
14.3g、スチレン377.8g、ジビニルベンゼン
(54%ジビニルベンゼン、残りは主としてエチル
ビニルベンゼン)22.2gおよび過硫酸アンモニウ
ム0.8gを窒素雰囲気下激しく撹拌することによ
り得られる。窒素雰囲気下、別の容器で脱酸素水
348gを撹拌して1−インチの渦を生じさせ、加
熱して95℃とした。これに予め調製したエマルジ
ヨンコポリマー13gを加え、次いで過硫酸アンモ
ニウム1.2gを加えた。(予め調製したエマルジヨ
ンコポリマーは参考例1の方法にしたがつて予め
調製され、約0.112の粒径を有する、固形分43.3%
含有の3%ジビニルベンゼン−スチレンエマルジ
ヨンコポリマーである。)この混合物を30秒間撹
拌し、このようにして得たモノマーエマルジヨン
を3時間半にわたつて滴加し、温度を約90℃に保
つた。滴加が完了して30分間温度を90℃に保ち、
その後トリトンx−200(Triton x−200)33.7g
を加えた。エマルジヨンを冷却して室温とし、チ
ーズクロスで濾過した。固形分の実測値は、計算
値の42.4%に対して36.5%であつた。
参考例 11
微細な粒径を有するスチレン−ジビニルベンゼ
ンエマルジヨンコポリマーの製造について説明す
る。モノマーエマルジヨンは、脱酸素水90g、シ
ポネートDS−4(Siponate DS−4)(ドデシル
ベンゼンスルホン酸のナトリウム塩に対するアル
コラツク・インコーポレーテツドの商標)2.73
g、スチレン123.5g、ジビニルベンゼン(ジビ
ニルベンゼン55.2%、残りは主としてエチルビニ
ルベンゼン)72.5gおよび氷メタクリル酸4.0g
を窒素雰囲気下激しく撹拌して得られた。窒素雰
囲気下、別の容器中で水350g、シポネートDS−
4(Siponate DS−4)33.09gおよび過硫酸カリ
ウム1.0gを撹拌して、85℃に加熱した。上記モ
ノマーエマルジヨンを温度を85℃に保ちながら3
時間半にわたつて滴加した。水75ml中過硫酸カリ
ウム0.4gの溶液を加え、混合物を85℃で2時間
撹拌した。生成物を冷却して室温とし、チーズク
ロスで濾過した。固形分含量の実測値は、計算値
27.0%に対して26.0%であつた。
参考例 12
ビニルベンジルクロリド−ジビニルベンゼンエ
マルジヨンコポリマーの製造について説明する。
過硫酸カリウム1.0g、シポネートDS−4
(Siponate DS−4)35.74gおよび脱酸素水350
gの混合物を窒素雰囲気下に撹拌した。ビニルベ
ンジルクロリド171gおよびジビニルベンゼン
(ジビニルベンゼン55.2%残りは主としてエチル
ビニルベンゼン)29gの混合物を加えた。この混
合物を冷却して0〜10℃とし、窒素を2時間発泡
させた。水50g中過硫酸カリウム1.0gの溶液を
加えて、18時間30℃に昇温した。水20g中重炭酸
ナトリウム0.48gの溶液を加えて、6〜24時間40
℃に昇温した。生成物を冷却して室温とし、チー
ズクロスで濾過した。固形分含量の実測値は、
31.8%の計算値に対して29.6%あつた。
参考例 13
参考例7で得たポリマーエマルジヨンのブライ
ン凝集について説明する。参考例7で得たポリマ
ーエマルジヨンの試料40gを100℃、水中25%塩
化ナトリウムの撹拌溶液100mlに加えた。この温
度に2分間保つて、50℃に冷却した。固体生成物
を濾過し、水洗し、次いでメタノールで洗浄し
た。水洗凝集物の固形分含量は50%であつた。
参考例 14
参考例10で得たコポリマーエマルジヨンのクロ
ロメチル化およびアミノリシスについて説明す
る。参考例10で得たコポリマーエマルジヨンの試
料を凝集させて、参考例2の方法にしたがつて乾
燥した。乾燥凝塊試料44.4gを室温で1時間半プ
ロピレンジクロリド403ml中で膨潤させた。スラ
リーを撹拌してクロロメチルメチルエーテル80.5
mlを加えた。混合物を冷却して10℃とし、クロロ
メチルメチルエーテル42ml中塩化アルミニウム
34.5gの溶液を温度を10℃に保ちながら20分間に
わたつて滴加した。混合物を撹拌しながら10℃に
4時間保持し、温度が30℃以上の絶対にならない
ように冷却しながら水350mlに加えた。反応混合
物を水250mlで稀釈し、30分間撹拌し、分相させ
た。水相をデカンテーシヨンし、有機層をバツチ
式で3回水洗し、4%苛性ソーダ溶液で1回、そ
して水でさらに2回洗浄した。この生成物の約25
%、25%水性トリメチルアミン80ml、50%苛性ソ
ーダ溶液3gおよび水120mlを一緒にして、3時
間65℃に加熱した。次いで約75℃に昇温し、プロ
ピレンジクロリド−水共沸混合物をストリツピン
グした。この物質を冷却して50℃とし、撹拌中の
生成物の表面に窒素を通じて過剰のトリエチルア
ミンを除去した。ポリマーエマルジヨン生成物を
1夜放置し、デカンテーシヨンして沈降固体の少
量の残留物を分離した。生成物の固形分含有量は
17%であつた。
参考例 15
参考例5記載の方法により得たクロロメチル化
スチレン−ジビニルベンゼンコポリマー凝塊のア
ミノリシスについて説明する。参考例2にしたが
つて得た7%ジビニルベンゼン−スチレンコポリ
マー凝塊試料20gを参考例5の方法にしたがつて
クロロメチル化した。プロピレンジクロリド−膨
潤生成物約20%、水100mlおよび25%水性トリメ
チルアミン25mlを室温で2時間撹拌し、65℃に5
時間加熱した。85℃に昇温して、プロピレンジク
ロリドおよび過剰のトリメチルアミンをストリツ
ピングした。固体を濾過し、水洗してアミノ化生
成物とした。
実施例 4
加水分解され、再懸濁されたメチルアクリレー
ト−ジビニルベンゼンエマルジヨンコポリマーを
強酸イオン交換樹脂を用い、バツチ処理によりそ
の塩の形より遊離酸の形への転化について説明す
る。参考例7にしたがつて得たメチルアクリレー
ト−ジビニルベンゼンコポリマーエマルジヨン試
料237.7g(0.71当量)を実施例1の方法により
12.5%苛性ソーダ溶液250gで加水分解した。生
じた濃い均質な生成物をH+形のアンバーライト
IR−/20イオン交換樹脂(ペンシルバニア州、
フイラデルフイア、ローム・アンド・ハース社)
500ml(0.9当量)でスラリーとし、すみやかによ
り流動性を帯びたものとした。アンバーライト
IR−120イオン交換樹脂のビーズを濾過し、水洗
した。濾液と洗浄液の合計量は672g(固形分
9.17%で理論値の97%)であつた。微量分析の結
果は次の通り。
C=55.92%
H=6.18%
O=34.54%
Na=144ppm
参考例 16
参考例13で得たエマルジヨンコポリマー凝塊の
アミン化について説明する。参考例13で得た凝塊
試料を110℃で乾燥し、その乾燥固体4gをビス
(3−ジメチルアミノプロピル)アミン15gと共
に230℃に2時間加熱した。生じたメタノールは
窒素流で除去した。反応混合物をメタノールで稀
釈し、凝塊を濾過し、メタノール次いで水で洗浄
し、排水した。アミン化生成物の固形分含有量は
水洗した出発原料の50%に対して40%であつた。
参考例 17
参考例14にしたがつて得た強塩基官能化コポリ
マーエマルジヨンのそれぞれ水素およびヒドロキ
シルのアンバーライトIR−120およびアンバーラ
イトIRA−400イオン交換樹脂(ペンシルバニア
州、フイラデルフイア、ローム・アンド・ハース
社製)を用い、カラム処理によるクロリド形から
ヒドロキシド形へのイオン交換および転化につい
て説明する。参考例14により得た強塩基官能化コ
ポリマーエマルジヨン試料5mlを毎時0.5層容量
(bed volumes)の割合でH+形のアンバーライト
IR−120イオン交換樹脂8.55mlのカラムに通し、
脱イオン水でカラムを洗浄した。次いで流出液を
毎時0.5層容量(bed volumes)の割合でOH-形
のアンバーライトIRA−400イオン交換樹脂7.6ml
のカラムに通し、脱イオン水で同様にカラムを洗
浄した。全部で13.1mlの流出液を集めた。この流
出液の試料4mlをIN塩酸4.35mlでPH=7の終点
まで滴定した。流出液試料0.5gおよび0.11N塩酸
0.56mlを蒸発乾固して固体物質0.164gを得、ヒ
ドロキシル形固形分2.99%を算出した。滴定しう
る強塩基容量3.64meq/gを算出した。
参考例 18
強酸官能化コポリマーエマルジヨンおよび強塩
基官能化コポリマーエマルジヨンよりのフロツク
の製造について説明する。参考例5にしたがつて
調製し、実施例2におけるように苛性ソーダでカ
ラム処理して再懸濁させたヒドロキシド形の強塩
基官能化コポリマーエマルジヨンの0.5%固形分
懸濁液試料11mlと参考例4にしたがつて調製さ
れ、実施例2におけるように再懸濁した0.5%固
形分強酸官能化コポリマーエマルジヨン試料9ml
とを一緒にして振とうした。その結果、沈降し
て、透明な上澄液を残す固体フロツクが得られ
た。
実施例 5
弱酸性官能化コポリマーエマルジヨンおよび弱
塩基官能化コポリマーエマルジヨンよりのフロツ
クの製造について説明する。実施例1にしたがつ
て得た2.07%固形分の弱酸性官能化コポリマーエ
マルジヨン試料5mlと参考例6にしたがつて得た
3.97%固形分の弱塩基官能化コポリマーエマルジ
ヨン試料2.5mlとを一緒にして振とうした。脱イ
オン水を加え、沈降させて固体フロツクを得た、
上澄液はかすんでいた。
実施例 6
弱酸および弱塩基エマルジヨン樹脂を結合する
ことにより得たフロツクの熱再生性について説明
する。実施例5にしたがつてフロツクを作り、弱
塩基および弱酸樹脂エマルジヨンの量を0.2gの
フロツクを生ずるように選択した。このフロツク
を16mlの水に入れ、速かに撹拌しながら、必要に
より稀酸または塩基を加えてPHを5.6に調節した。
塩化ナトリウムを混合物に加え、液相の濃度が約
100ppmとなるようにし、混合物を室温で平衡化
させた。比抵抗は7200オーム−cmで70ppm塩化ナ
トリウムに相当した。この混合物を撹拌しながら
92℃に加熱し、その温度に平衡させた。撹拌を止
め、その温度を保ちながらフロツクを沈降させ、
上澄液の1部を導電率セルに移した。この試料を
冷却して室温とし、その比抵抗を測定したところ
4900オーム−cmで102ppm塩化ナトリウムに相当
した。試料の上澄液をもとの混合物にもどし、次
いで全混合物を冷却して室温とした。PHおよび比
抵抗を再び測定したところ、最初の室温における
値と同じであることがわかつた。
この操作を同じフロツクの第2の試料と、再び
代表的な熱再生可能な混成(hybrid)イオン交換
樹脂を用いて繰り返した。このイオン交換樹脂の
製造については、米国特許第3991017号に記載さ
れている。これらの物質に対する測定結果を第
表に示す。
[Industrial Field of Application] The present invention relates to a particulate ion exchange resin and a method for producing the same. The present invention particularly relates to spherical crosslinked emulsion copolymer particles having weakly acidic cation exchange functionalities and having a size of 0.01 to 1.5 micrometers in diameter, as well as emulsions of these particles. The invention further relates to the manufacture of these particles and emulsions and the use of these particles and emulsions for removing dissolved or undissolved substances from liquids. [Prior Art and Problems to be Solved by the Invention] Finely ground ion exchange materials are widely used as filter media for simultaneous filtration and deionization of condensate water from steam turbine generators, and It is used less widely in pharmaceutical and other commercial applications such as drug carriers and tablet device integrators. In the past, such finely divided ion exchange materials have been produced by grinding ion exchange particles produced by conventional methods involving separate steps of polymerization, i.e., suspension polymerization in most cases, and functionalization; Manufactured by physically reducing particle size. Schultz and Kurtsk
Crook) [I&EC Product Research and Development Vol. 7, pp. 120-125,
June 1968 (I&EC Product Research and
Development, Vol.7, Pp・120−125, June,
(1968)] have produced particles of ground ion exchange resin with an average diameter of 1 micron or less, but the particles are not spherical and the diameter for a given sample of such material is The range is large and therefore the particle size is not uniform. Even though the large particles represent a small proportion of the total number of ground particles, the large particles will represent a much larger proportion of the weight of the sample. As a result, in such a crushed resin,
A significant proportion of the weight of the ion exchange resin material settles out of the aqueous suspension. Suspension polymerization involves suspending droplets of an organic liquid containing monomers, polymerization initiators, and suspension stabilizers in an aqueous phase medium. The droplet size is largely a function of the stirring speed and controls the final polymer particle size. The particle size is 5 micrometers (U.S. Patent No.
No. 3,357,158) or up to 10 micrometers (U.S. Pat. No. 3,991,017).
A range of up to about 40 micrometers is common. Ion exchange materials have also been produced by bulk polymerization. Physically reducing the particle size of such bulk or beaded polymers to sub-micron sizes is difficult, expensive, and
This results in the production of materials with undesirable physical properties such as irregular particle shapes and wide particle size distributions. Furthermore, this results in undesirable thermal deterioration of the resin. Sub-micron sized spherical polymer particles have been produced in the past, some with limited ion exchange functionality. These particles were obtained from monomers containing ion exchange functionality such as acrylic acid and methacrylic acid or dialkylaminoalkyl acrylate and methacrylate. In most cases, the polymerization reaction used was suspension polymerization. That is,
Haag et al. in their U.S. patent no.
No. 3847857, column 2, lines 56-59, states that in the production of functional crosslinked emulsion ion exchange resins for use in paints and other coatings, "...one or more species containing amine or quaternary ammonium groups... 5 to 70% by weight of the monomer of...
…"It was used. Rembaum et al.
al), whose U.S. Pat. No. 3,985,632, column 5, no.
In lines 25-46, a chromatographic adsorbent was similarly obtained by emulsion polymerization of a monomer mixture containing a small amount of monomer with amine functionality. Fitch, in his US Pat. No. 3,104,231, used up to 15% by weight of monomers containing carboxylic acid groups when making crosslinked emulsion copolymers. He states that when the amount of such monomers is higher than 15% by weight, "dissolution of the copolymer in water or dilute aqueous alkaline solutions or significant swelling of the copolymer in such aqueous media" will occur. Yes (column 6,
(line 70-column 7, line 4). Hatch, in US Pat. No. 3,957,698, describes precipitation polymerization to produce crosslinked spherical ion exchange resin particles with a size range similar to that of emulsion polymer particles. In the sedimentation method, large particles are originally obtained;
In the case of emulsion polymerization, it is 0.01 to 1.5 12 , whereas
ranges from 0.1 to 10 micrometers, and
It is necessary to precipitate the polymer particles from a monomer solvent solution in which the polymer is insoluble. In emulsion polymerization, the monomers are only slightly dissolved in the solvent and polymer particles are produced when the monomer-swollen soap micelles contact the solvent phase-initiating polymer chains. Hatch states that "Suitable microbead resins may be obtained by suspension or emulsion polymerization...". He further describes suspension polymerization, but does not give details of the emulsion polymerization method (column 3, lines 30-40).
Although Hatch's ion-exchange microbeads are weak acid resins made from carboxylic acid monomers such as acrylic or methacrylic acid by post-polymerization hydrolysis, he described the use of esters of the above acids. It's just that. Hatch gives an example of the production of microbeads from vinylbenzyl chloride (Example 4).
The particle size is 3-7 microns, clearly outside the scope of the present invention, and no attempt has been made to impart ion exchange functionality to the microbeads themselves prior to bonding them to the ion exchange resin matrix. Hayward, in its US Pat. No. 3,976,629, also used improved suspension polymerization and carboxylic acid monomers to produce weakly acidic cation exchange resins with a size of "less than 20 microns." Tamura discloses the production of strongly acidic cation exchange resin materials from emulsion copolymers (Journal of the Chemical Society of Japan, 76(4), pp. 654-658, 1976).
Tamura coagulated a styrene-divinylbenzene copolymer emulsion and then functionalized it with fuming sulfuric acid or chlorosulfuric acid. He then incorporated the coagulum into a polypropylene membrane, but did not teach anything about the coagulum becoming an emulsion again. [Means for Solving the Problems] The present invention provides a novel small particle size spherical weakly acidic cation exchange resin having a smaller particle size than those previously known. This resin is made from crosslinked emulsion copolymer particles and has a degree of functionalization of greater than 0.7 functional groups per monomer unit and up to 1.5. This resin is produced by functionalizing emulsion copolymer particles with weakly acidic cation exchange functionalities. Emulsion copolymer particles can be directly functionalized by hydrolysis and similar reactions. To facilitate handling of these particles, the emulsion can be coagulated and the large coagulum particles treated like large polymer beads for isolation and reaction. Alternatively, the emulsion copolymer particles can be dried prior to functionalization. After functionalization, the particles are processed as an emulsion of individual particles by high shear mixing, ultrasonic vibration, gentle grinding or other milling methods that break up the agglomerated pieces without destroying the spherical particles of the emulsion copolymer resin. Can be suspended. The weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention have a diameter of 0.01 micrometer to 0.5 micrometer,
A narrow particle size range with an average value in the submicroscopic range (herein this range means having a particle size of 1.5 micrometers or less) which can vary up to 1.5 micrometers in diameter by using further specialized techniques. It can be obtained with Figures 1 to 3 and Figures 4a to 4d show ion exchange resins using the same emulsion copolymer as the resin particles of the present invention as a matrix as supporting evidence of the appearance and particle size distribution of the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention. This is an electron micrograph of particles. Figures 1 to 3 are
Figure 3 is a micrograph of three different sizes of hydroxyl type anion exchange emulsion resin particles at ×50,000 magnification. Figures 4a-4d are photomicrographs at four different magnifications of a single floc resulting from mixing cation exchange emulsion copolymer resin particles with anion exchange emulsion copolymer resin particles. Each of the materials shown in these micrographs was obtained by the methods taught herein. That is, FIG. 1 is derived from a copolymer containing 3% by weight of divinylbenzene and produced according to Reference Example 11 below and Reference Example 2 below.
strongly basic anion exchange in the hydroxyl ion form, coagulated according to Reference Example 14 below, chloromethylated and then aminated according to Reference Example 14 below, and further converted to the hydroxyl form according to Reference Example 17 below. 1 shows emulsion copolymer resin particles. Figure 2 shows a copolymer derived from a copolymer containing 3% by weight of divinylbenzene, prepared according to Reference Example 1 below, coagulated according to Reference Example 2 below, and made into Reference Example 14 below. This figure shows strongly basic anion-exchange emulsion resin particles in the hydroxyl ion form that were then chloromethylated, then aminated, and further converted to the hydroxyl form according to Reference Example 17 below. FIG. 3 shows strongly basic anion exchange emulsion copolymer resin particles in the hydroxyl ion form of Reference Example 17 below. Figure 4b shows the following reference example at a magnification of x300.
Fig. 4a shows the same floc at a magnification of x1000 and Fig. 4d shows the same floc at a magnification of x1000.
Figure 4c shows the same flock at 3000.
The same flock is shown at ×10000 magnification. It can be seen from the particles shown in the figures that they are generally spherical and have a relatively narrow size distribution when produced, and can be produced in different sizes. The particle sizes in these drawings range from about 0.017 micrometers to about 0.45 micrometers. Although strongly basic anion exchange emulsion copolymer resin particles are illustrated in the drawings, the particles of the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin of the present invention also have a similar appearance and particle size distribution. The agglomeration of particles in these drawings was determined by the laboratory preparing the optical micrographs.
It was concluded that the micrographs were artifacts related to the preparation of the samples. It should be noted that in the case of strong acids and bases as well as weak base ion exchange resin particles, physically stable aggregates of crosslinked emulsion copolymer particles are formed, making it difficult to isolate the copolymer for functionalization. It is possible. Because of their small particle size, emulsion copolymer particles cannot be practically filtered or otherwise separated from their reaction solution, and functionalized copolymer particles cannot be separated from functionalized mixtures. I can't. After aggregation, the large aggregated particles can be filtered and washed in much the same way as conventional sized ion exchange resin beads. Functionalization of aggregated emulsion copolymers requires conventional reactions well known in the art. On the other hand, the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention have physical properties similar to those of the resins described above, but in some cases do not require aggregation prior to isolation and functionalization. That is, in a preferred method for producing weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention, it is necessary to add a crosslinked acrylic ester emulsion copolymer to an alkali hydroxide solution. In doing so, the particles contained in the emulsion agglomerate, but the copolymer ester bonds are hydrolyzed to form carboxylic acid groups in the form of their salts, so that the formed coagulum is resuspended and functionalized. A salt emulsion of the resin particles is formed. The functional groups of the resin particles can then be converted to the free acid form by treating the emulsion with a conventional strongly acidic cation exchange resin in the free acid form. An emulsion copolymer that can be used to form a floc (described later) with the weakly acidic cation exchange resin of the present invention and the resin particles of the present invention The emulsion copolymer used to form the ion exchange resin particles can be produced by conventional emulsion polymerization techniques. Can be done. These prior art techniques require the polymerization of emulsions consisting primarily of, but not limited to, monomers and surfactants. Polymerization is usually initiated by a water-soluble initiator. It is well known that the action of most of these initiators is inhibited in the presence of oxygen, so oxygen exclusion techniques such as the use of inert gas atmospheres, deoxygenated solutions and emulsions are used during polymerization. It is preferable to do so. The choice of surfactant and initiator will be clear to those skilled in the art. The monomers used to form the emulsion copolymer consist of a large amount of a monoethylenically unsaturated monomer, or a mixture of these monomers, and a small amount of a polyethylenically unsaturated monomer, or a mixture of these monomers, which has the effect of crosslinking the polymer. Examples of monoethylenically unsaturated monomers useful in making emulsion copolymers include polycyclic aromatic monomers such as vinylnaphthalene and monoethylenically substituted monomers such as styrene and substituted styrenes containing ethylvinylbenzene, vinyltoluene, and vinylbenzoyl chloride. Aromatic monomers including cyclic aromatic monomers; methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, isopropyl acrylate, butyl acrylate, t-butyl acrylate, ethylhexyl acrylate, cyclohexyl acrylate, isobornyl acrylate, benzyl acrylate, phenyl acrylate, Alkylphenyl acrylate, ethoxymethyl acrylate,
Ethoxyethyl acrylate, ethoxypropyl acrylate, propoxymethyl acrylate,
Mention may be made of acrylic acid monomers, including esters of methacrylic acid and acrylic acid, such as propoxyethyl acrylate, propoxypropyl acrylate, ethoxyphenyl acrylate, ethoxybenzyl acrylate, and the corresponding methacrylic esters. In the case of acrylic acid esters, in a preferred embodiment lower fatty acid esters of acrylic acid are used in which the aliphatic group has from 1 to 5 carbon atoms, in which the copolymers formed from the monomers form carboxylic acid cation exchange emulsions. It is a particularly preferred embodiment when used as an intermediate in the production of either copolymer resins or anion exchange emulsion copolymer resins.
When both a carboxylic acid exchanger and an anion exchanger are produced, the ester groups are exchanged. Thus, in practice methyl or ethyl acrylate is chosen. Examples of suitable polyunsaturated crosslinking monomers include divinylbenzene, divinylpyridine, divinyltoluene, divinylnaphthalene, ethylene glycol dimethacrylate, divinylxylene, divinylethylbenzene, divinylsulfone, divinylketone, divinylsulfide, trivinylbenzene, Mention may be made, for example, of vinylnaphthalene, trimethylolpropane trimethacrylate, polyvinylanthracene and polyvinyl ethers of glycols, glycerol, pentaerythritol and resorcinol. Particularly preferred crosslinking monomers include polyvinyl aromatic hydrocarbons such as divinylbenzene and trivinylbenzene, glycol dimethacrylates such as ethylene glycol dimethacrylate, and polyvinyl ethers of polyhydric alcohols such as divinoxyethane and trivinoxypropane. can. For the aqueous emulsion polymerization of mixtures of ethylenically unsaturated monomers, see, inter alia, U.S. Pat.
No. 2753318 and No. 2918391. As described above, the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention and other emulsion copolymer ion exchange resin particles that can be used to form a floc with the resin particles have a median particle size of 0.01 to 1.5 microns. meters can be obtained and also the preferred median particle size is
0.01-0.5 micrometers can be obtained. The median particle size of the resin particles can be precisely adjusted within these ranges, and the particle size distribution around the median is narrow, much narrower than the distribution obtained for finely milled resins of small particle size. . Although the particle size may be increased by functionalization, control of the particle size of the resin particles is via the emulsion copolymer. Such adjustment of emulsion copolymer particle size is already well known. For example, by varying the amount of surfactant present in the polymerization reaction mixture, the particle size can be adjusted within the copolymer particle size range of 0.05-0.3 micrometers; increasing the amount of surfactant Smaller emulsion copolymer particle sizes tend to be obtained. The amount of crosslinker in the polymer also tends to affect the particle size of the copolymer, with more highly crosslinked copolymer particles tending to swell less than less crosslinked particles when hydrated. . For particle sizes below 0.1 micrometer, the particle size can be adjusted down to 0.01 micrometer using a special surfactant as described in Reference Example 11 below. By further reducing the amount of surfactant, or
Pre-formed emulsion copolymer “seed”
Copolymer particles larger than 0.3 micrometers can be produced by producing particles even larger than the ("seed") particles. Polymer particles can be made as large as 1 micrometer in diameter by this method and then treated by functionalization.
Ion exchange resin particles with a diameter as large as 1.5 micrometers can be obtained. A method for producing large copolymer particles is explained in Reference Example 10 below. The amount of crosslinking agent can be selected from between about 0.1% and about 25%, more preferably from about 1% to about 20%. The amount of crosslinking agent depends on the particular type of resin, physical properties, and amount of functionality desired for the emulsion copolymer ion exchange resin product. For example, a sulfonic acid functionalized resin is obtained from an emulsion copolymer having more crosslinker than the copolymer to produce the amine functionalized resin.
Similarly, if very low swelling is desired, there are process advantages in which smaller reaction vessels can be used and larger amounts of crosslinking agent are used. Crosslinker in the range of about 3% to about 12% is common for sulfonic acid functionalized resins with low swelling, and higher amounts of crosslinker can be used when particularly low swelling is desired. . Amounts of crosslinking agent greater than about 25% may be used for special purposes, so long as the monoethylenically unsaturated monomer and crosslinking agent can be functionalized to yield a reasonable number of functional groups per monomer unit. can. If a faster reaction rate is desired, a smaller amount of crosslinking agent is selected. However, anion exchange emulsion copolymer resins preferably contain about 0.1% and about 7%
or more, preferably about 0.5 to about 3%
Contains a crosslinking agent in the range of . The selection of specific crosslinker usage levels to obtain the desired balance of physical properties is well known to those skilled in the art of conventional ion exchange resins, and the same guiding principles apply to emulsion copolymer resins. Applicable. To enable further handling, the emulsion copolymer may be processed in one of several known ways.
Agglomerate using two. One preferred aggregation method is to add the emulsion to hot brine;
Saturated to 2% aqueous solutions of sodium chloride or other inorganic salts such as calcium chloride, aluminum sulfate, etc. are used. Aqueous sulfuric acid solutions concentrated to about 4% by weight are also suitable, and aqueous solutions of alkaline hydroxides, such as aqueous solutions of potassium or sodium hydroxide, are particularly suitable for coagulation and simultaneous hydrolysis and functionalization of acrylic ester copolymers. Are suitable. When an emulsion is added to a stirring flocculant solution, the coagulum can be dispersed as particles with a particle size that depends on the stirring speed.The useful particle size ranges over a wide range, but small particles or smaller are recommended for ease of handling. It should not become powdery or powdery. Coagulant solutions can be added to the emulsion, but they tend to aggregate into bulky clumps rather than coagulum particles. The emulsion can be dried and agglomerated; spray drying is the preferred method for producing strongly basic resin products from aromatic copolymers. When the particles obtained by this method are used in subsequent functionalization reactions requiring filtration and washing, they tend to be too small to be easily handled. Other useful methods for flocculating copolymer emulsions include vigorous stirring, alternating freezing and thawing, and addition of organic solvents to the emulsion. Once produced, the agglomerate particles have sufficient cohesiveness to withstand normal handling techniques used for washing, filtration, and functionalization of conventional suspension polymerized ion exchange resin beads. The agglomerates are preferably dehydrated by evaporation at ambient or higher temperatures or by washing with an aqueous anhydrous organic solvent and subjected to conventional functionalization reactions. Generally, the reactions used to functionalize emulsion copolymer resin particles are the same as those used to make ion exchange resins from conventional suspension polymerized copolymers. Since a high degree of functionalization is desirable as it results in a high number of ion exchange functional sites per unit weight of resin, the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention have a high number of ion exchange functional sites per unit weight of resin. Constructed to have a functional group. A more preferred range is from 0.8 to 1.2 functional groups per monomer unit. The term "functional groups per monomer unit" herein refers to the ion exchange functional groups per total monomer unit of both the "backbone" monoethylenically unsaturated monomers and the crosslinking polyethylenically unsaturated monomers. means the number of For example, when making a copolymer using an aromatic backbone monomer and an aromatic crosslinker monomer, the above terms,
That is, "functional groups per monomer unit" means the number of functional groups per aromatic ring in the polymer. Similarly, for a copolymer of a functionalized acrylic acid backbone and an unfunctionalized aromatic crosslinker, the degree of functionalization is the ion exchange functionality per total monomer unit of acrylic acid monomer and aromatic monomer. . The degree of functionalization can also be thought of as the number of functional groups per mole of total monomers making up the copolymer. Some typical methods of functionalizing copolymers are discussed below. Note that other emulsion copolymer ion exchange resin particles that can be used for floc formation with the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention may also have the same degree of functionalization as the resin particles of the present invention as described above. You get what you have. The strongly acidic emulsion copolymer ion exchange resin particles that can be used in the below-described floc formation using the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention include, for example,
Agglomerated particles of cross-linked styrene or substituted styrene emulsion copolymer are heated with concentrated sulfuric acid to form a sulfonic acid functionalized resin, the product is washed with water to remove excess acid, and the agglomerated emulsion particles are prepared by the method described above. Obtained by resuspending. The weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention can be obtained, for example, by hydrolyzing a crosslinked acrylic ester emulsion copolymer with a solution of an alkali metal hydroxide to produce carboxylic acid-functionalized resin particles. . It should be noted that in this particular method, there is no need to flocculate the emulsion prior to functionalization; flocculation occurs when the emulsion is added to the hydroxide solution, but the ester bonds are hydrolyzed. So the agglomerates of copolymer resin particles are resuspended. The carboxylic acid-functionalized resin particles obtained by this method are in the alkali metal form and can be converted to the free acid (hydrogen) form by contacting with conventional strongly acidic cation exchange resins in the hydrogen form. . Similarly, acrylic ester copolymer resins are hydrolyzed with strong acids to form carboxylic acids in the hydrogen form.
Functionalized resins can be produced, but in this case the product is not an emulsion, but rather a coagulum. Anion exchange resin particles that can be used to form a floc using the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention can be formed, for example, as follows. Strongly basic emulsion copolymer ion exchange resin particles can be obtained, for example, by chloromethylating aggregated particles of a crosslinked styrene emulsion copolymer with chloromethyl methyl ether in the presence of a Lewis acid such as aluminum chloride, and then forming the resulting emulsion copolymer intermediate. 3 like trimethylamine
by treatment with a secondary amine to generate a quaternary amine chloride functionality. Alternatively, strongly basic quaternary amine resin particles can be formed by combining a crosslinked acrylate emulsion copolymer with a tertiary amine group such as dimethylaminopropylamine or di(3-dimethylaminopropyl)-amine and a primary or secondary amine group. and then quaternizing the resulting weakly basic resin with an alkyl halide such as methyl chloride. Weakly basic emulsion copolymer ion exchange resin particles are used, for example, for styrene copolymers, a primary or secondary amine is used instead of a tertiary amine, and for acrylic acid ester copolymers, the resin is an alkyl halide. It is obtained in the same way as described for the strongly basic resins, except that it is not quaternized. The functionalized agglomerate particles have ion-exchange properties and have sufficient cohesive properties that they can be used in conventional ion-exchange processes in much the same way as conventional resin beads, except for the weakly acidic cations of the present invention. The preferred form of utilizing the exchange resin particles and the ion exchange emulsion polymer resin particles used to form the flocs utilizing the resin particles is in resuspended form. Resuspension of the functionalized agglomerated particles can be achieved by the methods described above, i.e., high shear mixing, ultrasonic vibration, gentle grinding, or other micronization methods that break up the agglomerates without destroying the spherical resin particles. It can be carried out. Natural re-emulsification of the emulsion copolymer resin particles occurs under certain conditions while obtaining a strongly basic product from the aromatic copolymer, obviating the need for a milling step. It should be noted that unfunctionalized emulsion copolymer particles are hydrophobic, which promotes agglomeration. Once functionalized, ion exchange resin particles are relatively hydrophilic and tend not to aggregate from emulsion form, even under conditions where unfunctionalized copolymer emulsions exhibit aggregation. Optical micrographs and other physical evidence show that emulsions of functionalized ion exchange resin particles contain primarily individually isolated particles. When a sample of such an emulsion is dried, the particles remain as individual particles, but
Alternatively, they may form clusters of small, loosely bound particles. These clusters, in contrast to the tightly bound nature of the clots, can be broken up with very gentle force, usually sufficient by rubbing between the fingers. Loosely bound clusters also tend to disperse spontaneously when added to water, forming emulsions of individual resin particles. In general, the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention can be used in any application in which ground ion exchange resins prepared by bulk or suspension polymerization are used; Because of their special properties, they are usually superior to conventional crushed resins. Furthermore, because of these special properties, the resins of the present invention can be used in a wide range of applications for which conventional milled resins are unsuitable. The uses of the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention will be described below. Among the uses of the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention are applications as orally administered drugs or drug treatments. Examples of these uses include the use of weakly acidic resin particles in the form of calcium or magnesium as gastric antacids and the use of weakly acidic resin particles in the form of calcium for the treatment of gallstones. Additionally, such uses include use as drug carriers and sustained release agents for drugs and other substances, with additional benefits in this and other applications.
There is masking of unpleasant flavors or odors of the adsorbed substances. The resin particles are further used in the treatment of acute poisonings such as heavy metals, drugs, and microbial endotoxins, exotoxins, phlegm toxins, and the like. Other uses in the field of internal medicine include the removal of pyrogens from substances in contact with blood, the removal of microorganisms from the stomach and intestines, and as an injectable contrast medium in radiography. Applications of the weakly acidic cation exchange resin particles of the invention are also in the fields of surgery and pharmaceutical therapy. Some of these uses include PH regulators, treatment of contact dermatitis caused by poison ivy or other drugs, antiperspirants, deodorants, skin disinfectants, for irritation control alone or simultaneously as a drug carrier. Irritation suppressants and insects, which also help
It is used to treat bites or stings caused by arachnids, snakes, etc. Domestic and industrial applications of the weakly acidic cation exchange resin particles of the invention are in the fields of flocculation, filtration and deionization. The floc produced by combining the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention with a weakly basic resin can be used for deionizing water, raw sugar, etc. The weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention further find use as additives to paper and nonwoven materials. For example, the resin particles can be incorporated into disposable diapers and sanitary napkins as deodorants and disinfectants. The resin particles serve as dye receivers for incorporation into paper, fabrics and paints, and for this application the resin particles may be blended into the polymer prior to fiber extrusion. The weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention have further uses as a compounding aid for concentrated industrial products.
Controlled release substrates for biologically active substances such as pesticides, fertilizers, growth hormones, minerals, suspending aids for pesticide formulations and similar applications where emulsifying properties and ion exchange activity of the resin are required. , and is useful as a PH regulator. The weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention have yet further applications in the fields of catalysis and scavenging. These resin particles are suitable for example as high surface area, heterogeneous acid or base catalysts in the conversion of cumene hydroperoxide to phenol and acetone, as acid acceptors in the synthesis of ampicillin and as products for shifting the reaction equilibrium towards completion. , useful as by-product or metabolite scavengers. These resin particles can also serve as enzyme activators and substrates for immobilizing enzymes, for example in fructose conversion. Dry resin particles can also be used as a drying agent for organic solvents. Other uses of the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention include use as a replacement for sequestering agents and phosphate builders in synthetic detergents, use of weakly acidic resin particles, especially in the potassium form, as a tablet disintegrant; It has applications as a hydrometallurgical extractant for the recovery of germanium, uranium, zinc, etc. Due to the small particle size, the resin particles can be used for ultrafiltration within the lumen of fine hollow fibers. These resin particles can be used as ion exchangers or adsorbents for removing metals or metalloporphyrins from petroleum residues. These resin particles can be used as high surface area extractants for the purification of organic acids such as lactic acid, citric acid, tartaric acid and similar acids produced by fermentation. These resin particles can be used to remove proteins and amino acids from wastewater from sugar refining facilities, slaughterhouses, etc., and since resins containing these proteins and amino acids are palatable and tasteless, they can be directly applied to cattle etc. It can be used as livestock feed. The method of decolorizing and clarifying sugar using weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention provides significant advantages over conventional methods. Traditionally, raw sugar solutions are treated with renewable adsorbents such as bone char, activated carbon, or conventional ion exchange resins. These adsorbents require chemical regenerants or heating for regeneration, which is undesirable because the resulting sugar solution is diluted. In refining facilities, it is common for some decolorization operation to follow the clarification operation, often including sulfur dioxide bleaching, the addition of non-recoverable powdered carbon, or the use of flocculants. By using the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention, decolorization and transparency can be performed in one step. When added to an impure sugar solution, these resin particles form a cohesive and filterable floc with the charged particulate impurities normally present in the solution. The resin particles are incorporated into the floc, but
To preserve its ion exchange functionality, dissolved ionic and colored impurities can be removed from the solution. These resin particles can further remove particulate and coloring impurities by co-precipitation during floc formation or by retaining such impurities during filtration of floc-containing solutions. Another mechanism by which impurities are removed from solutions by flocs is adsorption onto the particles that make up the flocs, and because the particle size is so small, these particles impart a high surface area to the flocs. By one or more of these mechanisms, the weakly acidic cation exchange resin particles of the present invention remove impurities that cause coloration and loss of clarity from sugar solutions, as well as precursors of salts and colored impurities. The flocs containing adsorbed and entrained impurities can be removed from the sugar solution by filtration, flotation or other known methods. Sugars that are processed include canola sugar, corn sugar, sugar beet sugar and other sugars. Due to the superior reaction rate of these emulsion polymer resin particles due to their fine particle size, the weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention are more ion exchangers than conventional ion exchange resins used hitherto. The floc itself also has the advantage of acting as a filter aid. If there is not enough charged particulate impurity in the impure sugar solution to incorporate all of the added emulsion copolymer ion exchange resin particles into the floc, another flocculant can be added to the solution. Examples of such flocculants include ionic surfactants that have a charge opposite to that of the emulsion copolymer resin particles, nonionic surfactants that have a charge opposite to that of the emulsion copolymer resin particles, and finely divided surfactants that have a charge opposite to that of the emulsion copolymer resin particles. Ion exchange materials can be mentioned. Such ion exchange materials may be ground conventional resins or the various emulsion copolymer ion exchange resins mentioned above. Furthermore, the resin particles of the present invention themselves may be used as an aggregating agent for removing aggregation of other ion exchange resin particles. The weakly acidic cation exchange resins of the present invention can also be used to treat sugars, particularly sucrose for conversion. Conversion, the hydrolysis of 12-carbon sucrose to the 6-carbon sugars glucose and fructose, occurs in the presence of specific enzymes or hydrogen ions. Note that strongly acidic emulsion cation exchange resins are used to supply these hydrogen ions without introducing undesirable soluble anions into the sugar. Following conversion, the cation exchange emulsion resin particles are removed from the invert sugar solution using conventional flocculants or by adding anion exchange emulsion copolymer resin particles, such as strongly basic emulsion copolymer resin particles. be able to. When such emulsion copolymer resin particles are used, the resin particles tend to further clarify and decolorize the sugar solution, and the resulting floc acts as a filter aid. The advantage of such a method over conventional sucrose solution processing in a cation exchange resin bead layer is that it processes a more concentrated and therefore more viscous solution when using emulsion copolymer resin particles than bead resins. This means that it is possible. As described above, when cation-exchange emulsion copolymer resin particles are combined with anion-exchange emulsion copolymer resin particles, the oppositely charged particles of the two resin particles interact to form a loose, electrostatically bound floc. form. Such flocs have excellent properties for ion exchange in terms of reaction rate, as liquids easily penetrate into them, and the individual particles themselves are very small. Although the flocs are easily broken up by shear forces, the electrostatic attraction of the oppositely charged particles remains, so that when the shear forces are removed, the flocs will re-form. This allows the flocs to be transported with conventional liquid pumps as if they were liquids. In use, the floc can be supported on a relatively coarse, low pressure differential filter screen if electrostatic attraction forces minimize particle sloughage. In addition to their deionization properties, these flocs can also be used to remove ions and particulate matter from steam generator condensate with excellent filtration properties, as shown in Reference Example 19 below. Ionic and filterability can be used simultaneously. When the flock is used in this manner, it is typically preapplied to a filter cloth, screen, filter leaf, or other mechanical filtration device. The floc may be preformed by mixing an emulsion of cation exchange and anion exchange emulsion copolymer resin particles prior to transfer to the filter itself, or
The floc may be formed in the liquor that is treated and filtered by adding cation exchange and anion exchange emulsion copolymer resin particles to the liquor. The latter has the added advantage of entraining particulate matter within the floc as it forms. The weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention can be mixed with strongly basic or weakly basic emulsion copolymer resin particles to form a floc. In addition, strongly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles may be used in combination with this floc formation as necessary. That is, the floc is formed by mixing particles of one or more cation-exchange emulsion copolymer resins with particles of one or more anion-exchange resins, including weakly basic and strongly basic emulsion copolymer resins, and the like. The weakly acidic and strongly acidic emulsion copolymer resins may be mixed together and these mixtures may be used to form the floc. Emulsion copolymer resin particles having different particle sizes may be mixed to form a floc, including a number of cation exchange emulsion copolymer resin particles having different particle sizes or a number of anion exchange emulsion copolymer resin particles having different particle sizes. Such mixtures can be used to control the texture of the floc and thus the filtration and other handling properties. The formation of flocs will be explained in Reference Example 18 and Example 5 below. The flocs obtained from the weakly acidic cation exchange resin particles and weakly basic emulsion copolymer resin particles of the present invention have another useful property of being able to be thermally regenerated. That is, the floc can be used to remove anions and cations from a relatively cold liquid, which are exchanged with hydrogen and hydroxyl ions from a relatively hot aqueous liquid during regeneration. These flocs differ from conventional thermally regenerable resins, which are usually large, hard beads with regions of both acidic and basic functionality. This thermally regenerable floc can form large, cohesive masses and can be used with moving bed deionization equipment. In this apparatus, the flocs are coated onto a moving filter support that transports the flocs continuously through a deionization section in contact with a cold processing solution and a regeneration section in contact with a hot aqueous regeneration solution. The flocs can similarly be used in a continuous deionization process where the flocs are pumped through a deionization vessel and a regeneration vessel, with the flocs moving through the deionization vessel in a direction opposite to the flow of process liquid. The reproducibility of a weak acid-weak base floc at two different PH values and a comparison of the heat capacity of this floc to that of a conventional thermally recyclable bead resin is illustrated in Example 6 below. When cation exchange and anion exchange emulsion copolymer resin particles are mixed to form a floc, a single particle develops an electrostatic attraction with two or more particles of opposite charge. In particular, e.g.
If particles of a larger charge, such as between 0.7 and 1.5 micrometers, are mixed with fine particles of the opposite charge, e.g. having a particle size of less than 0.1 micrometers, a large number of the fine particles will be Cluster around. the result,
The ratio of cation exchange emulsion copolymer resin particles to anion exchange emulsion copolymer resin particles in the floc can be varied over a wide range by adjusting the particle size.
The flocs are obtained by varying the ratio of cation exchange resin particles to anion exchange resin particles from about 9:1 to about 1:9. Even for particles of opposite charge having approximately the same particle size, the ratio of cation exchange resin particles to anion exchange resin particles is at least about 3:
2 to about 2:3, which is the preferred range regardless of particle size. A more preferred ratio of cation exchange resin particles to anion exchange resin particles is about 1:1. The weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles of the present invention are similar to conventional ion exchange resin particles,
That is, by contacting ion exchange resin particles having a particle size of about 40 micrometers or greater, and preferably with these ion exchange resins suitable for conventional ion exchange beds, one ionic form is removed from the other. can be converted into ionic form. Ion exchange resin particles having a diameter of approximately 40 micrometers or greater, whether spherical beads or other geometric shapes, are herein referred to as "microbeads". do. For reference, emulsion copolymer anion exchange resin particles obtained in chloride form can be prepared by passing an emulsion of the resin particles through a conventional layer of strongly basic anion exchange resin in hydroxyl form.
This can be converted to the hydroxyl form. The chloride ions of the emulsion resin are exchanged with the hydroxyl ions of the conventional large bead resin as the emulsion resin passes through the column. As ions are exchanged between each resin, the ionic form of conventional ion exchange resins also changes. This process can therefore be used to change the ionic form of emulsion copolymer resin particles to a desired form, or, as in ion exchange bed regeneration, to change a fixed bed resin to a desired ionic form. can. Individual or mixed emulsion copolymer resin particles as well as individual,
Or blended conventional resins can be used in this process. Emulsion copolymer resin particles are of the same ion exchange type as conventional resins.
As used herein, "ion exchange type" refers to the ionic type of the ion exchange functional group, ie, either substantially cationic (acidic) or substantially anionic (basic). Ion exchange can be carried out in batch processes where the exchange reaches equilibrium and in column or bed processes where continuous equilibration results in high conversions to the desired ionic form, as in conventional processes with ion exchange layers of ionized solutions. This occurs between resins. This process is described in Example 1 and Example 4.
and Reference Example 17. The following examples and reference examples are for illustrating the invention and are not intended to limit it. All percentages used herein are by weight unless otherwise specified and all reagents are of high quality commercially available materials. Reference Example 1 The production of styrene-divinylbenzene emulsion copolymer will be explained. 370g of deoxygenated water, Triton x-200 (Triton x
-200) (Philadelphia, Pennsylvania)
Rohm & Haas trademark for the sodium salt of alkylaryl polyether sulfonate surfactants containing 28% solids), Styrene 248.8
A monomer emulsion was obtained by vigorously stirring 51.2 g of commercially available divinylbenzene (54.7% divinylbenzene, the remainder being essentially ethylvinylbenzene) under a nitrogen atmosphere. Deoxygenated water 100
An aqueous initiator solution was obtained by dissolving 2.0 g of potassium persulfate in 50 g of the monomer solution, and 50 g of the monomer solution was added to this initiator solution. The mixture was stirred with a 1 inch vortex and heated to 70°C under nitrogen atmosphere. At the onset of polymerization, marked by a sudden decrease in opacity, addition of the remaining monomer emulsion was begun over a period of 1.5 hours. After this addition is complete, reduce the temperature to 70°C.
It was held for 1 hour. The polymer emulsion was cooled to room temperature and filtered through cheesecloth. The measured solids content of this emulsion was 45% of the calculated value.
%, it was 43.0%. Reference Example 2 Brine aggregation of the polymer emulsion obtained in Reference Example 1 will be explained. 1400 ml of 25% aqueous sodium chloride solution was heated to 100°C. While stirring the solution, 700 ml of the emulsion obtained in Reference Example 1 was added as fast as possible without letting the temperature of the solution drop below 95°C. Keep the temperature of the solution at 100-103℃
Hold for 30 minutes to form a solid coagulum US Standard Series 15-12
(Alternative designation number 100) Filtered through a sieve. The coagulum was washed with water and dried as a single liquid at 110°C. Yield after drying is 292.1
It was hot at g. Reference Example 3 Sulfuric acid aggregation of the polymer emulsion obtained in Reference Example 1 will be explained. 41 ml of the polymer emulsion of Reference Example 1 was added to 250 ml of concentrated sulfuric acid while stirring using a pasteur pipette, the tip of which was inserted below the surface of the sulfuric acid. A worm-like coagulum with a diameter of about 15 mm and a length of 5 to 7 mm was obtained. Reference Example 4 The preparation of a strongly acidic cation exchange material by sulfonating the coagulum of Reference Example 2 will be explained. Mix 20 g of the dry coagulum of Reference Example 2 with 120 ml of concentrated sulfuric acid,
The mixture was heated to 120° C. with stirring under a nitrogen atmosphere and maintained at this temperature for 5 hours. Cool the reaction mixture to approx.
Water was added as quickly as possible without allowing the temperature to rise above 95°C. The solid material was allowed to settle and the supernatant was removed. Add about 120 ml of water to this solid substance,
It was then removed. The solid material was transferred to a filter tube, rinsed with water and drained. The yield of this material was 103.8 g with a solids content of 31.7%. The cation exchange capacity of this material was 5.22 meq/g of material in dry H + form compared to the theoretical value of 5.26 meq/g. Here, the theoretical ion exchange capacity and the theoretical degree of functionalization are calculated on the assumption that there is one functional group per aromatic ring (styrene resin) or monomer unit (acrylic resin). This theoretical value is
Under certain conditions, the opposite may occur, and the measured value may be larger than the theoretical value. Reference Example 5 The chloromethylation and aminolysis of the coagulum in Reference Example 2 will be explained. Dry coagulum 20 of reference example 2
A sample of g was swollen in a mixture of 17 ml of chloromethyl methyl ether and 69 ml of propylene dichloride. While stirring the slurry, a solution of 19 g of aluminum chloride in 25 ml of chloromethyl methyl ether was slowly added, keeping the temperature below 32 DEG C. by cooling during the addition. The reaction mixture was held at 32°C for 2 hours and then cooled to 15°C. cool down
Water was added dropwise keeping the temperature below 30°C. The aqueous layer was decanted from the expanded organic phase, and the product was washed twice with water and once with a 4% aqueous solution of caustic soda.
Then, it was washed once more with water. The solid product was filtered. The weight of this filtered product wet with propylene chloride was 105 g. A 15 g sample of this chloromethylated intermediate was slurried with water containing 40 mg of poly(ethyleneimine) having a molecular weight of 1200. The mixture was heated and stripped of propylene chloride. Cool the mixture and add 25% trimethylamine 9
Added ml. The temperature of the mixture was raised to 70°C and held at that temperature for 5 hours, then raised to 95°C to strip excess trimethylamine. The resulting solid was transferred to a filter tube, washed with water, and drained. The yield of a substance with solids content of 35.9% is 14.6
It was hot at g. The anion exchange capacity of this material was 3.64 meq/g of dry material in chloride form. As a result of trace analysis, the composition was as follows. C 67.16% H 8.49% O 6.82% N 4.82% Cl 12.37% (O=H 2 O correction value) N=3.7meq/g Cl=3.8meq/g Reference example 6 Vinylbenzyl chloride-divinylbenzene emulsion copolymer Describe the aminolysis of clots. An emulsion copolymer of vinylbenzyl chloride and divinylbenzene (commercially available, divinylbenzene content 54.7%, remainder essentially ethylvinylbenzene) was obtained by the method of Reference Example 12 below. This polymer contained 8% divinylbenzene. The actual solid content was 29.6%. The emulsion copolymer is allowed to coagulate and coagulate.
50 g was made into a slurry with a solution of 0.15 g of poly(ethyleneimine) having a molecular weight of 1200 in 100 ml of water. The slurry was heated to 60°C, held at that temperature for 1 hour, and transferred to a pressure reactor. 40 g of 40% dimethylamine and 5.4 g of 59% aqueous sodium hydroxide solution were added to the reactor. The mixture was stirred and heated to 60°C and held at that temperature for 1 hour, then heated to 87°C and held at that temperature for 4 hours. The reactor was cooled and purged with nitrogen, and the reaction mixture was filtered. The solids were washed with water and drained. The results of microanalysis on a dry sample with a small amount of solid content were as follows. C 81.59% H 9.00% O 2.52% N 6.57% (Results corrected with O = H 2 O) N = 4.8meq/g (Theoretical value 5.3meq/g) Reference example 7 Production of methyl acrylate-divinylbenzene emulsion copolymer I will explain about it. Triton x-200 in 360g of deoxygenated water
A 24 g dispersion was prepared in a round bottom flask under a nitrogen atmosphere and stirred with a 1-inch vortex. A mixture of 29 g of divinylbenzene (commercially available, 55.2% divinylbenzene content with the remainder essentially ethylvinylbenzene) and 171 g of methyl methacrylate was added to this aqueous dispersion, followed by 4 ml of a freshly prepared 820 ppm ferrous sulfate solution and filtrate. 50 ml of deoxygenated water containing 1.0 g of ammonium sulfate solution was added. Stir this mixture for about 15 minutes, cool and
The temperature was 20℃. A solution of 1.0 g of sodium metabisulfite in 20 ml of water and 5 drops of 70% t-butyl hydroperoxide were added to this mixture. After a 5 minute induction period, the temperature rose to 80°C for 6 minutes and then gradually decreased. After 30 minutes, the mixture was cooled to room temperature and filtered through cheesecloth. The solid content of the filtered emulsion was 31.4% of the theoretical value.
It was 31.0%. Example 1 The preparation of a weak acid functionalized ion exchange resin emulsion by hydrolysis and resuspension of the methyl acrylate-divinylbenzene copolymer of Reference Example 7 is described. 200g of the emulsion sample obtained in Reference Example 7 was added to a 50% caustic soda solution in 250ml of water.
Upon addition to 57.4 g of the stirring solution (20% excess as base), flocculation occurred. The mixture was heated to 93°C, held at that temperature for 2 hours, and cooled to room temperature. While this coagulum is being stirred and heated,
Seen resuspending in caustic soda solution. The emulsion product was diluted with water to 800-850 ml and Amberlite IR-120 cation exchange resin in H + form (sulfonic acid functionalized, styrene/divinylbenzene gel cation exchange bead resin) • Excess caustic soda was removed through a Haas Co. trademark) column to convert the product to the free acid form. The solid content of the resulting emulsion was 4.74%
The weak acid cation exchange capacity is about the dry polymer.
It was 9.4meq/g. Example 2 The resuspension of the functionalized emulsion copolymer aggregate obtained in Example 1 is described. The functionalized coagulum was transferred to a high speed blender vessel (Waring Blender Model 7011-31BL41 bottle assembly) and covered with water. The blender was run on high or low speed for 30 seconds to 20 minutes as required to resuspend the emulsion. Reference Example 8 Aminolysis and resuspension of the emulsion copolymer coagulum obtained by the method described in Reference Example 6 will be explained. A 17 g sample of the coagulum was slurried in 125 ml of water and 9.0 g of anhydrous trimethylamine was added. Temperatures were seen rising to 33°C. The slurry was further heated to 65° C. and excess trimethylamine was removed with a stream of nitrogen gas. The resulting product was very concentrated but completely suspended. The solids content of the emulsion was 16.3%. Reference Example 9 A sample of the OH - form of a strong base emulsion copolymer ion exchange resin obtained by aminating a chloromethylated styrene-7% divinylbenzene emulsion copolymer with trimethylamine as described in Reference Examples 1, 2 and 5. The particle size distribution was measured using electron optical micrographs. Average particle size is 147 nanometers (1 micrometer = 1000 nanometers)
About 76% of the particle sizes were in the 18-nanometer range and about 95% of the particle sizes were in the 33-nanometer range. Example 3 The particle size distribution of a weakly acidic carboxylic acid functionalized acrylate emulsion copolymer ion exchange resin sample containing 8% divinylbenzene in H + form obtained as described in Reference Example 7 and Example 1 was electronically determined. Measured using an optical microscope. The average particle size was 48 nanometers, with about 84% of the particle sizes in the 19-nanometer range and about 95% of the particle sizes in the 29-nanometer range. Reference example 10 Monomer solution was pre-formed
The preparation of styrene-divinylbenzene emulsion copolymers with particle sizes greater than 0.512 by a method of polymerization in addition to copolymer emulsions is described. Monomer emulsion: 180g of deoxygenated water, Triton x-200
14.3 g, styrene 377.8 g, divinylbenzene (54% divinylbenzene, remainder mainly ethylvinylbenzene) 22.2 g and ammonium persulfate 0.8 g under nitrogen atmosphere with vigorous stirring. Deoxygenated water in a separate container under nitrogen atmosphere
348 g was stirred with a 1-inch vortex and heated to 95°C. To this was added 13 g of a previously prepared emulsion copolymer, followed by 1.2 g of ammonium persulfate. (The pre-prepared emulsion copolymer was pre-prepared according to the method of Reference Example 1, had a particle size of about 0.1-12 , and had a solid content of 43.3%.
3% divinylbenzene-styrene emulsion copolymer. ) The mixture was stirred for 30 seconds and the monomer emulsion thus obtained was added dropwise over a period of 3.5 hours, maintaining the temperature at about 90.degree. After the addition is complete, keep the temperature at 90℃ for 30 minutes.
Then Triton x-200 (Triton x-200) 33.7g
added. The emulsion was cooled to room temperature and filtered through cheesecloth. The actual solid content was 36.5%, compared to the calculated value of 42.4%. Reference Example 11 The production of a styrene-divinylbenzene emulsion copolymer having a fine particle size will be explained. The monomer emulsion was prepared using 90 g of deoxygenated water, Siponate DS-4 (trademark of Alcoholics Inc. for the sodium salt of dodecylbenzenesulfonic acid), 2.73 g.
g, 123.5 g styrene, 72.5 g divinylbenzene (55.2% divinylbenzene, remainder mainly ethylvinylbenzene) and 4.0 g glacial methacrylic acid.
was obtained by stirring vigorously under nitrogen atmosphere. 350 g of water, Siponate DS- in a separate container under nitrogen atmosphere
33.09 g of Siponate DS-4 and 1.0 g of potassium persulfate were stirred and heated to 85°C. While keeping the temperature of the above monomer emulsion at 85℃,
It was added dropwise over an hour and a half. A solution of 0.4 g of potassium persulfate in 75 ml of water was added and the mixture was stirred at 85° C. for 2 hours. The product was cooled to room temperature and filtered through cheesecloth. The actual value of solids content is the calculated value
It was 26.0% compared to 27.0%. Reference Example 12 The production of vinylbenzyl chloride-divinylbenzene emulsion copolymer will be explained.
Potassium persulfate 1.0g, Siponate DS-4
(Siponate DS-4) 35.74g and deoxygenated water 350g
The mixture of g was stirred under nitrogen atmosphere. A mixture of 171 g of vinylbenzyl chloride and 29 g of divinylbenzene (55.2% divinylbenzene, the remainder being mainly ethylvinylbenzene) was added. The mixture was cooled to 0-10°C and nitrogen was bubbled through for 2 hours. A solution of 1.0 g of potassium persulfate in 50 g of water was added and the temperature was raised to 30° C. for 18 hours. Add a solution of 0.48 g of sodium bicarbonate in 20 g of water for 6 to 24 hours.
The temperature was raised to ℃. The product was cooled to room temperature and filtered through cheesecloth. The actual value of solids content is
It was 29.6% compared to the calculated value of 31.8%. Reference Example 13 Brine aggregation of the polymer emulsion obtained in Reference Example 7 will be explained. A 40 g sample of the polymer emulsion obtained in Reference Example 7 was added to 100 ml of a stirred solution of 25% sodium chloride in water at 100°C. It was kept at this temperature for 2 minutes and cooled to 50°C. The solid product was filtered and washed with water and then methanol. The solids content of the water-washed aggregate was 50%. Reference Example 14 Chloromethylation and aminolysis of the copolymer emulsion obtained in Reference Example 10 will be explained. A sample of the copolymer emulsion obtained in Reference Example 10 was agglomerated and dried according to the method of Reference Example 2. A 44.4 g sample of the dried coagulum was swollen in 403 ml of propylene dichloride for 1.5 hours at room temperature. Stir the slurry and chloromethyl methyl ether 80.5
Added ml. The mixture was cooled to 10°C and dissolved in aluminum chloride in 42 ml of chloromethyl methyl ether.
34.5 g of the solution was added dropwise over 20 minutes while maintaining the temperature at 10°C. The mixture was kept at 10°C for 4 hours with stirring and added to 350 ml of water with cooling so that the temperature never rose above 30°C. The reaction mixture was diluted with 250 ml of water and stirred for 30 minutes to allow the phases to separate. The aqueous phase was decanted and the organic layer was washed three times with water in batches, once with 4% caustic soda solution and twice more with water. Approximately 25 of this product
%, 80 ml of 25% aqueous trimethylamine, 3 g of 50% caustic soda solution and 120 ml of water were combined and heated to 65° C. for 3 hours. The temperature was then raised to about 75°C, and the propylene dichloride-water azeotrope was stripped. The material was cooled to 50° C. and nitrogen was passed over the stirring product to remove excess triethylamine. The polymer emulsion product was left overnight and decanted to separate a small residue of settled solids. The solids content of the product is
It was 17%. Reference Example 15 Aminolysis of the chloromethylated styrene-divinylbenzene copolymer coagulum obtained by the method described in Reference Example 5 will be explained. A 20 g sample of the 7% divinylbenzene-styrene copolymer coagulum obtained according to Reference Example 2 was chloromethylated according to the method of Reference Example 5. Propylene dichloride - about 20% swelling product, 100 ml of water and 25 ml of 25% aqueous trimethylamine were stirred at room temperature for 2 hours and heated to 65°C for 5 hours.
heated for an hour. The temperature was raised to 85°C and propylene dichloride and excess trimethylamine were stripped. The solid was filtered and washed with water to give the aminated product. Example 4 The conversion of a hydrolyzed and resuspended methyl acrylate-divinylbenzene emulsion copolymer from its salt form to its free acid form by batch processing using a strong acid ion exchange resin is described. 237.7 g (0.71 equivalents) of the methyl acrylate-divinylbenzene copolymer emulsion sample obtained according to Reference Example 7 was added by the method of Example 1.
Hydrolyzed with 250 g of 12.5% caustic soda solution. The resulting dark homogeneous product is amberlite in H + form
IR-/20 ion exchange resin (Pennsylvania,
Philadelphia, Rohm and Haas)
A slurry was prepared with 500 ml (0.9 equivalents) and immediately became more fluid. amber light
The IR-120 ion exchange resin beads were filtered and washed with water. The total amount of filtrate and washing liquid is 672g (solid content
It was 9.17% (97% of the theoretical value). The results of trace analysis are as follows. C=55.92% H=6.18% O=34.54% Na=144 ppm Reference Example 16 Amination of the emulsion copolymer coagulum obtained in Reference Example 13 will be explained. The coagulum sample obtained in Reference Example 13 was dried at 110°C, and 4g of the dried solid was heated with 15g of bis(3-dimethylaminopropyl)amine to 230°C for 2 hours. The resulting methanol was removed with a stream of nitrogen. The reaction mixture was diluted with methanol and the coagulum was filtered, washed with methanol and then water, and drained. The solids content of the aminated product was 40% compared to 50% of the water-washed starting material. Reference Example 17 Hydrogen and hydroxyl Amberlite IR-120 and Amberlite IRA-400 ion exchange resins (Rohm & Haas, Philadelphia, Pennsylvania), respectively, of the strong base-functionalized copolymer emulsion obtained according to Reference Example 14. The ion exchange and conversion from chloride form to hydroxide form by column treatment will be explained using a column-based ion exchanger (manufactured by Co., Ltd.). Amberlite in H + form was added to a 5 ml sample of the strong base-functionalized copolymer emulsion obtained according to Reference Example 14 at a rate of 0.5 bed volumes per hour.
Pass through a column of 8.55 ml of IR-120 ion exchange resin,
The column was washed with deionized water. The effluent was then treated with 7.6 ml of Amberlite IRA-400 ion exchange resin in the OH - form at a rate of 0.5 bed volumes per hour.
The column was washed with deionized water in the same manner. A total of 13.1 ml of effluent was collected. A 4 ml sample of this effluent was titrated with 4.35 ml of IN hydrochloric acid to an end point of PH=7. Effluent sample 0.5g and 0.11N hydrochloric acid
0.56 ml was evaporated to dryness to give 0.164 g of solid material, with a calculated hydroxyl form solids content of 2.99%. A titratable strong base capacity of 3.64 meq/g was calculated. Reference Example 18 The production of flocs from a strong acid-functionalized copolymer emulsion and a strong base-functionalized copolymer emulsion is described. An 11 ml sample of a 0.5% solids suspension of a strong base-functionalized copolymer emulsion in the hydroxide form prepared according to Reference Example 5 and resuspended by column treatment with caustic soda as in Example 2 and the reference 9 ml sample of 0.5% solids strong acid functionalized copolymer emulsion prepared according to Example 4 and resuspended as in Example 2.
and shaken together. The result was a solid floc that settled, leaving a clear supernatant liquid. Example 5 The preparation of flocs from weakly acidic and weakly base-functionalized copolymer emulsions is described. A 5 ml sample of a 2.07% solids weakly acidic functionalized copolymer emulsion obtained according to Example 1 and a sample obtained according to Reference Example 6
A 2.5 ml sample of the 3.97% solids weak base functionalized copolymer emulsion was combined and shaken. Deionized water was added and allowed to settle to obtain a solid floc.
The supernatant was hazy. Example 6 The thermal regeneration properties of a floc obtained by combining weak acid and weak base emulsion resins are described. A floc was made according to Example 5, and the amounts of weak base and weak acid resin emulsion were selected to yield a floc of 0.2 g. This floc was placed in 16 ml of water, and while stirring rapidly, the pH was adjusted to 5.6 by adding dilute acid or base as necessary.
Add sodium chloride to the mixture until the concentration of the liquid phase is approx.
100 ppm and the mixture was equilibrated at room temperature. The resistivity was 7200 ohm-cm, corresponding to 70 ppm sodium chloride. While stirring this mixture
Heat to 92°C and equilibrate to that temperature. Stop stirring and let the floc settle while maintaining the temperature.
A portion of the supernatant was transferred to a conductivity cell. This sample was cooled to room temperature and its resistivity was measured.
Equivalent to 102 ppm sodium chloride at 4900 ohm-cm. The supernatant liquid of the sample was added back to the original mixture and the entire mixture was then cooled to room temperature. The PH and resistivity were measured again and found to be the same as the initial values at room temperature. This operation was repeated with a second sample of the same floc, again using a representative thermally regenerable hybrid ion exchange resin. The preparation of this ion exchange resin is described in US Pat. No. 3,991,017. The measurement results for these substances are shown in Table 1.
【表】
試料Aは実施例6の記載にしたがつて得たフロ
ツクであり、試料Bは代表的な、熱的に再生可能
な混成(hybrid)イオン交換樹脂である。
参考例 19
微粉砕懸濁物質を水より濾別するための強酸−
強塩基フロツクの用途について説明する。フロツ
クを参考例18にしたがつてつくり、強塩基および
強酸樹脂エマルジヨンの量をカチオン樹脂47%お
よびアニオン樹脂53%を含有するフロツク79.5mg
を生じるように選択した。このフロツクを100メ
ツシユのナイロン網を含有する直径1/2インチ
(1.3cm)のガラス管に入れた。水中300ppb赤鉄鉱
の室温懸濁液を入口圧力25psi(1.70気圧)、流量
3.7gpm/ft2(18ml/min絶対流量)でガラス管に
通じた。フロツク層の差圧および流出液のシルチ
ング指数(Silting Index)を時間とともに監視
した。シルチング指数が示すように、フロツクは
まだ濾過能力が充分あつたけれども、差圧が
25psi(1.70気圧)の入口圧力に近づいたとき、す
なわち630分後に測定を停止した。この測定値の
結果を第表に示す。Table: Sample A is a floc obtained as described in Example 6, and Sample B is a representative thermally regenerable hybrid ion exchange resin. Reference Example 19 Strong acid for filtering finely ground suspended solids from water
The uses of strong base flocs will be explained. A floc was prepared according to Reference Example 18, and the amount of strong base and strong acid resin emulsion was adjusted to 79.5 mg of floc containing 47% cationic resin and 53% anionic resin.
was chosen so that it would occur. The floc was placed in a 1/2 inch (1.3 cm) diameter glass tube containing 100 mesh nylon mesh. A room temperature suspension of 300 ppb hematite in water at an inlet pressure of 25 psi (1.70 atm) and flow rate.
3.7 gpm/ft 2 (18 ml/min absolute flow rate) into the glass tube. The floc bed pressure differential and the effluent Silting Index were monitored over time. As shown by the silching index, the floc still had sufficient filtration capacity, but the differential pressure
Measurements were stopped when an inlet pressure of 25 psi (1.70 atmospheres) was approached, i.e. after 630 minutes. The results of this measurement are shown in Table 1.
【表】【table】
【表】
シルチング指数は、ミリポアシルチング指数装
置(ミルポアカタログNo.xx6801300)を用いて測
定した数で、所定の容量の液体を0.45−ミクロン
ミルポアフイルターを通して運ぶに要する時間に
基づいている。シルチング指数は連邦試験方法
(Federal Test Method)5350に記載されてい
る。
参考例 20
脱イオンのための強酸−強塩基フロツクの用途
について説明する。フロツクを参考例18にしたが
つてつくり、強塩基および強酸樹脂エマルジヨン
の量を40%のカチオンおよび60%のアニオンエマ
ルジヨン樹脂を含有するフロツク200mgを生ずる
ように選択した。このフロツクを100メツシユの
ナイロン網を含有する直径1/2インチ(1.3cm)の
ガラス管に入れた。CaCO3として計算した
9.76ppm NaClを含有する溶液を入口圧力25psi
(1.70気圧)室温における流量3.7gpm/ft2(18
ml/min絶対流量)でガラス管に通過させた。層
間の差圧および流出液の比抵抗を監視した。漏出
(Breakthrough)を流出液低効率を低下して4.0
メグオーム−cm(約10%漏れ)になつた点として
定義した。この漏出は、約23.5分で起り乾燥アニ
オン樹脂グラム当り0.048g Cl-の計算容量に等
しい。この測定値の結果を第表に示す。Table Silching Index is a number determined using a Millipore Silching Index Instrument (Millipore Catalog No. xx6801300) and is based on the time required to transport a given volume of liquid through a 0.45-micron Millpore filter. Silching index is described in Federal Test Method 5350. Reference Example 20 Explains the use of strong acid-strong base flocs for deionization. A floc was prepared according to Reference Example 18, and the amounts of strong base and strong acid resin emulsion were selected to yield 200 mg of floc containing 40% cationic and 60% anionic emulsion resin. The floc was placed in a 1/2 inch (1.3 cm) diameter glass tube containing 100 mesh nylon mesh. Calculated as CaCO3
Solution containing 9.76ppm NaCl at 25psi inlet pressure
(1.70 atm) Flow rate at room temperature 3.7 gpm/ft 2 (18
ml/min absolute flow rate) through a glass tube. The differential pressure between the layers and the resistivity of the effluent were monitored. Breakthrough Effluent Low Efficiency Decrease 4.0
It was defined as the point at which the leakage became megohm-cm (approximately 10% leakage). This leakage occurred in approximately 23.5 minutes and was equal to a calculated capacity of 0.048 g Cl - per gram of dry anionic resin. The results of this measurement are shown in Table 1.
【表】【table】
【表】
参考例 21
エマルジヨンイオン交換樹脂を用いる水洗した
粗糖溶液の脱色について説明する。糖精製設備
ICUMSAカラー900および濃度65゜ブリツクス
(Brix)を有する水洗した粗糖溶液試料125mlを
80℃に加熱した。これに、参考例1のエマルジヨ
ンコポリマーよりつくられ、参考例2にしたがつ
て凝集され、参考例14にしたがつて塩素化され、
かつ、アミノリシスされたクロリド形の強塩基ア
ニオン交換樹脂エマルジヨンの乾燥基準0.20g
(糖固体100万部当り樹脂2000部に等しい。)を加
えた。混合物を5分間撹拌し、次いで圧力フイル
ターに移して粗濾紙上に支持された珪藻土で濾過
した。糖溶液は、速かに濾過され、濾液は、
ICUMSAカラー180の澄明な脱色された溶液であ
つた。
修正ICUMSA法4によるICUMSAカラー決定
についてはジヨン・ウイリー・アンド・サンズ
(John Wiley and Sond)発行、第10版「カンシ
ヨ糖ハンドブツク(Canne Suger Hand−
book)」に記載されている。このカラーの決定
は、420ナノメートルの波長およびPHの実測値の
7.0においてなされ、その結果を100%の糖濃度ま
で外挿する。
参考例 22
カチオンおよびアニオンエマルジヨン樹脂から
得られたフロツクの有機溶媒中での懸濁液につい
て説明する。参考例4にしたがつて製造され、実
施例2にしたがつて0.5%固体分エマルジヨンと
して再懸濁された強酸性エマルジヨンカチオン交
換樹脂試料9mlを、参考例15により製造され、凝
塊を4%苛性ソーダ水溶液で洗浄してヒドロキシ
ル形とし、実施例2にしたがつて0.5%固体分エ
マルジヨンとして再懸濁された強塩基性エマルジ
ヨンアニオン交換樹脂試料11mlと混合してフロツ
クを形成させた。このフロツクをガラス濾過漏斗
に移し、排水し、アセトンで洗浄してフロツクの
水を置換した。このフロツクは、排水、すなわ
ち、アセトン媒質中で凝集性を保持することがわ
かつた。フロツクを次いで、先づ窒素気流中で、
最後に95℃のオーブン中で乾燥した。乾燥フロツ
クを走査電子顕微鏡写真を用いて写真にとり、乾
燥フロツクが、微孔質構造を有すること、すなわ
ち、比較的大きなボイド空間が凝集したエマルジ
ヨン樹脂ビーズの構造内に存在することがわかつ
た。
「発明の効果」
本発明により以下に挙げる特性を有する弱酸性
カチオン交換エマルジヨンコポリマー樹脂粒子を
提供することができる。
(a) 規則正しく、一派に球形、
(b) エマルジヨンコポリマーの架橋度により調節
できる高度の構造剛性、
(c) その中央値が0.01〜1.5ミクロメートルの範
囲で変動する調節可能な小粒径、
(d) 狭い粒径範囲、ここに光学顕微鏡写真分析の
結果、粒子の約80%が粒径中央値について主と
して±9ナノメートルの範囲を示す、
(e) 代表的な従来の小径イオン交換樹脂の場合が
グラム当り約0.1平方メートルであるのに比べ
て、グラム当り約4平方メートルからグラム当
り約120平方メートルまで粒径とともに変動す
る単位重量当りの大きな表面積、
(f) モノマー単位当り1個より大きい官能基まで
変動する高度のイオン交換官能基、
(g) 最大粒径を除き、実質上沈降しないエマルジ
ヨンを形成する能力、
(h) エマルジヨンコポリマーの架橋度により調節
され、乾燥粒径の約10%から約500%以上まで
変動する水和を伴なう粒径増加、
(i) 水不溶性および無視しうる水抽出性、および
望ましい感応性として、
(j) 緩和された味、
(k) 樹脂に結合される物質の味を遮蔽する能力、
(l) 口に対して滑らかで、ざらざらしない組織
(texture)、および、
(m) 皮膚に対して滑らかで、刺激性のない組織
(texture)。[Table] Reference Example 21 Decolorization of a raw sugar solution washed with water using an emulsion ion exchange resin will be explained. sugar refining equipment
A 125 ml sample of the water-washed raw sugar solution with ICUMSA color 900 and a concentration of 65° Brix was
Heated to 80°C. This was prepared from the emulsion copolymer of Reference Example 1, agglomerated according to Reference Example 2, chlorinated according to Reference Example 14,
And 0.20 g of aminolyzed strong base anion exchange resin emulsion in chloride form on a dry basis.
(equivalent to 2000 parts resin per million parts sugar solids) was added. The mixture was stirred for 5 minutes and then transferred to a pressure filter and filtered through diatomaceous earth supported on coarse filter paper. The sugar solution is quickly filtered and the filtrate is
It was a clear decolorized solution of ICUMSA Color 180. ICUMSA color determination using the modified ICUMSA method 4 can be found in Canne Sugar Handbook, 10th edition, published by John Wiley and Sond.
book)”. The determination of this color is based on a wavelength of 420 nanometers and a measured value of PH.
7.0 and extrapolate the results to 100% sugar concentration. Reference Example 22 A suspension of a floc obtained from a cationic and anionic emulsion resin in an organic solvent will be explained. A 9 ml sample of a strongly acidic emulsion cation exchange resin prepared according to Reference Example 4 and resuspended as a 0.5% solids emulsion according to Example 2 was mixed with a 9 ml sample of a strongly acidic emulsion cation exchange resin prepared according to Reference Example 15 and resuspended as a 0.5% solids emulsion. % aqueous sodium hydroxide solution to the hydroxyl form and mixed with a 11 ml sample of strongly basic emulsion anion exchange resin resuspended as a 0.5% solids emulsion according to Example 2 to form a floc. The floc was transferred to a glass filter funnel, drained, and washed with acetone to replace the water in the floc. This floc was found to retain its cohesive properties in waste water, ie, acetone medium. The floc is then first placed in a nitrogen stream.
Finally, it was dried in an oven at 95°C. The dried flocs were photographed using scanning electron microscopy and were found to have a microporous structure, ie, relatively large void spaces were present within the structure of the aggregated emulsion resin beads. "Effects of the Invention" According to the present invention, weakly acidic cation exchange emulsion copolymer resin particles having the following properties can be provided. (a) regular and highly spherical in shape; (b) a high degree of structural rigidity that can be adjusted by the degree of crosslinking of the emulsion copolymer; (c) an adjustable small particle size whose median value varies between 0.01 and 1.5 micrometers; (d) narrow particle size range, where optical micrograph analysis shows approximately 80% of the particles range primarily within ±9 nanometers about the median particle size; (e) a typical conventional small diameter ion exchange resin. (f) greater surface area per unit weight varying with particle size from about 4 square meters per gram to about 120 square meters per gram compared to about 0.1 square meters per gram for (g) the ability to form emulsions that are virtually non-sedimentable except for the largest particle size; (h) controlled by the degree of crosslinking of the emulsion copolymer, approximately 10% of the dry particle size; (i) water insolubility and negligible water extractability, as well as desirable sensitivity, (j) mild taste, (k) resin compatibility. (l) A texture that is smooth and non-irritating to the mouth, and (m) A texture that is smooth and non-irritating to the skin.
第1図、第2図および第3図はそれぞれヒドロ
キシルイオン形の強塩基性アニオン交換エマルジ
ヨン樹脂の粒子構造を示す倍率50000倍の図面代
用の電子顕微鏡写真を示し、第4図は参考例18の
フロツク粒子構造を示す倍率がそれぞれ(a)1000
倍、(b)300倍、(c)10000倍、(d)3000倍の図面代用の
電子顕微鏡写真を示す。
Figures 1, 2 and 3 each show electron micrographs at a magnification of 50,000 times showing the particle structure of the strongly basic anion exchange emulsion resin in the form of hydroxyl ions, and Figure 4 shows the particle structure of the strongly basic anion exchange emulsion resin in the form of hydroxyl ions. The magnification showing the floc particle structure is (a) 1000 respectively.
(b) 300x, (c) 10,000x, and (d) 3,000x electron micrographs as substitutes for drawings.
Claims (1)
ルの範囲の直径の超顕微鏡的な大きさ及びほぼ球
状の形状を有し、かつモノマー単位当り0.7〜1.5
の弱酸性官能基の遊離酸形で構成されたカチオン
交換官能基を有する架橋コポリマーのビーズのエ
マルジヨンからなることを特徴とする液体カチオ
ン交換物質。 2 コポリマーがアクリル酸コポリマーである請
求項1記載の液体カチオン交換物質。 3 前記ビーズが0.01〜0.5ミクロメートルの平
均直径を有する請求項1記載の液体カチオン交換
物質。 4 乳化重合で得られた0.01〜1.5ミクロメート
ルの範囲の直径のほぼ球状の形状を有し、かつモ
ノマー単位当り0.7〜1.5の遊離酸形の弱酸性カチ
オン交換基を有する架橋コポリマーのビーズから
なることを特徴とする弱酸性カチオン交換樹脂粒
子。 5 (a) 過半量のアクリル酸エステルモノマーと
少量のポリエチレン性不飽和モノマーを乳化重
合して、架橋アクリル酸コポリマービーズを形
成させる工程と、 (b) 該アクリル酸コポリマービーズのエステル結
合を強酸で加水分解して遊離酸形のカルボン酸
カチオン交換官能基を形成させ、同時に官能化
コポリマービーズの凝塊を形成される工程と、 (c) 前記官能化コポリマービーズの凝塊を再懸濁
させて該官能化コポリマービーズのエマルジヨ
ンを形成する工程と、 を含むことを特徴とする、0.01〜1.5ミクロメー
トルの範囲の直径の超顕微鏡的な大きさ及びほぼ
球状の形状を有し、モノマー単位当り0.7〜1.5の
弱酸性カチオン交換官能基を有し、該弱酸性基が
遊離酸形である架橋コポリマーのビーズのエマル
ジヨンからなる液体カチオン交換物質の製造方
法。 6 (a) 過半量のアクリル酸エステルモノマーと
少量のポリエチレン性不飽和モノマーを乳化重
合して、架橋アクリル酸コポリマービーズのエ
マルジヨンを形成させ、 (b) 前記アクリル酸コポリマービーズのエステル
結合をアルカリ水酸化物で加水分解してアルカ
リ塩形のカルボン酸カチオン交換官能基を形成
させ、 (c) 前記官能化コポリマービーズのエマルジヨン
を遊離酸形の強酸性カチオン交換樹脂と接触さ
せてエマルジヨン中の官能化エマルジヨンコポ
リマービーズを遊離酸形に転化する工程、 からなることを特徴とする0.01〜1.5ミクロメー
トルの範囲の直径を有し、モノマー単位当り0.7
〜1.5の弱酸性カチオン交換官能基を有し、該弱
酸性基が遊離酸形である架橋コポリマーのほぼ球
形のビーズからなる超顕微鏡的カチオン交換樹脂
粒子の製造方法。 7 アニオン性不純物を含有する液体を、乳化重
合で得られた0.01〜1.5ミクロメートルの範囲の
直径の超顕微鏡的な大きさ及びほぼ球状の形状を
有し、かつモノマー単位当り0.7〜1.5の弱酸性官
能基の遊離酸形で構成されたカチオン交換官能基
を有する架橋コポリマーのビーズと接触させるこ
とを特徴とする前記不純物を含有する液体からの
アニオン性不純物の除去方法。 8 前記液体に凝集剤を添加してエマルジヨン粒
子とフロツクを形成させ、次いでフロツクを液体
から除去することによつて、前記液体から不純物
の除去後にエマルジヨンが除去される請求項7記
載の除去方法。[Scope of Claims] 1. Obtained by emulsion polymerization and having a submicroscopic size and approximately spherical shape with a diameter in the range of 0.01 to 1.5 micrometers and 0.7 to 1.5 micrometers per monomer unit.
A liquid cation exchange material characterized in that it consists of an emulsion of beads of a crosslinked copolymer having cation exchange functional groups composed of the free acid form of weakly acidic functional groups. 2. The liquid cation exchange material of claim 1, wherein the copolymer is an acrylic acid copolymer. 3. The liquid cation exchange material of claim 1, wherein said beads have an average diameter of 0.01 to 0.5 micrometers. 4 Consisting of beads of a crosslinked copolymer obtained by emulsion polymerization, having an approximately spherical shape with a diameter ranging from 0.01 to 1.5 micrometers and having from 0.7 to 1.5 weakly acidic cation exchange groups in free acid form per monomer unit. Weakly acidic cation exchange resin particles characterized by: 5 (a) Emulsion polymerization of a majority of the acrylic acid ester monomer and a small amount of the polyethylenically unsaturated monomer to form crosslinked acrylic acid copolymer beads; (b) removing the ester bonds of the acrylic acid copolymer beads with a strong acid; (c) resuspending the functionalized copolymer bead agglomerate; and (c) resuspending the functionalized copolymer bead agglomerate. forming an emulsion of the functionalized copolymer beads having submicroscopic dimensions and approximately spherical shape with a diameter ranging from 0.01 to 1.5 micrometers and having a diameter of 0.7 per monomer unit. A method for producing a liquid cation exchange material consisting of an emulsion of beads of a crosslinked copolymer having ~1.5 weakly acidic cation exchange functional groups, the weakly acidic groups being in the free acid form. 6 (a) emulsion polymerization of a majority of the acrylic ester monomer and a small amount of polyethylenically unsaturated monomer to form an emulsion of crosslinked acrylic acid copolymer beads; (b) removing the ester bonds of the acrylic acid copolymer beads with alkaline water; (c) contacting the emulsion of the functionalized copolymer beads with a strongly acidic cation exchange resin in the free acid form to effect functionalization in the emulsion; converting the emulsion copolymer beads into the free acid form, having a diameter in the range of 0.01 to 1.5 micrometers and 0.7 per monomer unit.
A method for producing submicroscopic cation exchange resin particles consisting of approximately spherical beads of a crosslinked copolymer having ~1.5 weakly acidic cation exchange functional groups, the weakly acidic groups being in the free acid form. 7 A liquid containing anionic impurities is obtained by emulsion polymerization, has a submicroscopic size and an almost spherical shape with a diameter in the range of 0.01 to 1.5 micrometers, and has a diameter of 0.7 to 1.5 micrometers per monomer unit. A method for the removal of anionic impurities from a liquid containing said impurities, characterized in that it is brought into contact with beads of a crosslinked copolymer having cation-exchange functional groups constituted by the free acid form of acidic functional groups. 8. The method of claim 7, wherein the emulsion is removed after the impurities are removed from the liquid by adding a flocculant to the liquid to form a floc with emulsion particles and then removing the floc from the liquid.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US05/943,889 US4380590A (en) | 1978-09-19 | 1978-09-19 | Emulsion copolymer cation exchange resins |
| US05/944,052 US4359537A (en) | 1978-09-19 | 1978-09-19 | Emulsion copolymer anion exchange resins |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6467261A JPS6467261A (en) | 1989-03-13 |
| JPH0131936B2 true JPH0131936B2 (en) | 1989-06-28 |
Family
ID=27130187
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63089170A Granted JPS6467261A (en) | 1978-09-19 | 1988-04-13 | Liquid cation-exchange material, weakly acidic cation-exchange resin and method for manufacturing them |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6467261A (en) |
-
1988
- 1988-04-13 JP JP63089170A patent/JPS6467261A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6467261A (en) | 1989-03-13 |
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