-для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;
-для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;
-при очистке возвратных и сточных вод;
-для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;
-для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;
-в качестве катализатора для органического синтеза.
Химическая промышленность
Технология неорганических веществ и минеральных удобрений
Технология органических веществ
Назначение Очистка карбонатов щелочных металлов, едкого натра, солей аммония; получение йода и брома; обработка апатитового сырья; получение фосфорной кислоты и тринатрийфосфата; фосфатов и нитратов, электролитов с разнообразными свойствами; улучшение качественных показателей минеральных удобрений; утилизация отходов химических производств с целью получения микродобавок к удобрениям; введение в почву микроэлементов и др. Катализ на ионитах; дегидратация и рафинирование органических веществ; регенерация катализатов крегинга; разделение органических кислот; выделение и очистка биологически активных веществ и др.
Гидрометаллургическая промышленность
Получение урана, золота; разделение продуктов расщепления урана; получение цветных металлов и редкоземельных элементов.
Пищевая промышленность
Очистка и рафинирование диффузионных соков в сахарном и крахмалопаточном производстве; очистка глюкозы, желатина глицерина; производство молока и молочных консервов; гибридных и виноградных вин, фруктовых соков с целью улучшения их вкусовых качеств и повышения стабильности; очистка растительных масел и др
Микробиологическая промышленность
Очистка сахаросодержащих растворов (гидролизатов древесины); производство кормовых дрожжей; получение фуражных концентратов, пищевого белка, аминокислот; очистка продуктов гидролиза белков и др.
Фармацевтическая промышленность
Производство Антибиотиков, алкалоидов, витаминов (пенициллин, стрептомицин, биомицин, морфин, кофеин, кодеин и др.); получение ферментов и иммобилизованных ферментов; консервирование крови; извлечение токсических веществ (искусственная почка, очистка крови); выделение и очистка вирусов; производство антитоксических сывороток; медицинская диагностика и др.
Производство реактивов и веществ высокой степени чистоты
Приготовление коллоидных растворов; получение химически чистых реактивов, веществ высокой степени чистоты.
Водоподготовка, охрана окружающей среды
Умягчение, деминерализация, десиликация воды; контроль качества пара и воды; дезактивация радиоактивных вод; обезвреживание промышленных сточных вод от солей металлов, фенола, цианистых, мышьяковистых и сернистых соединений, белковых соединений (в химических микробиологических пищевых, химико-фармацевтических, гидрометаллургических, целлюлозно-бумажных и др. производствах); обработка вод электролитических производств и др.
Получение катионитов.
Методы получения катионитов включают поликонденсацию, полимеризацию и полимераналогичные превращения. Примером поликонденсационного синтеза может служить производство сильнокислотного сульфокатионита типа КУ-1: Это бифункциональный катионит, содержащий разные кислотные группы (-SO3H, -OH), получаемый совместной поликонденсацией фенола и п-фенолсульфокислоты с формальдегидом. п-Фенолсульфокислоту получают сульфированием фенола олеумом или концентрированной серной кислотой непосредственно в производстве катионита по уравнению: Производство катионита включает восемь технологических стадий: I-получение п-фенолсульфокислоты, II-линейная поликонденсация, III – отверждение резольного олигомера IV - охлаждение полимера, V - дробление и рассев на вибросите с отбором фракции 0,4-2 мм, VI - промывка катионита в колоннах от остатков кислоты, VII - центрифугирование до остаточной влажности 50%, VIII - затаривание, упаковка и складирование влажного катионита. Катионит КУ-1 характеризуется высокой механической прочностью и химической стойкостью (разрушается только под действием концентрированных щелочей и сильных окислителей при температурах выше 50 °С).
Рис. 14.7. Схема процесса производства сильнокислотного сульфокатионита на основе продукта поликонденсации n-фенолсульфокислоты и формальдегида: 1 — мерник олеума; 2 — мерник фенола; 3 — мерник формалина; 4 — сульфуратор; 5 — реактор для синтеза олигомера; 6 — емкости для пыли; 7 — течка; 8 — мерник сульфомассы; 9 — реактор; 10 — камера отверждения; 11 — дробилка; 12 — элеваторы; 13 — транспортер; 14 — аппарат для окончательной конденсации; 15 — валковая дробилка; 16 — вибрационные сита; 17 — дисковая дробилка; 18 — шнек; 19 — промывные колонны; 20 — бункер для промытого продукта; 21 — центрифуга
Сильнокислотный катионит полимеризационного типа КУ-2 получают методом полимераналогичных превращений (сульфированием) сополимера стирола с п-дивинилбензолом Содержание дивинилбензольных звеньев в сополимере колеблется от 8 до 20%. Большинство промышленных ионитов содержит их около 8%, так как с увеличением количества поперечных связей в полимерном каркасе резко снижается его набухаемость, возрастает диффузионное торможение потоку обменивающихся ионов, уменьшается скорость процесса и обменная емкость. При содержании дивинилбензольных звеньев ниже 8% резко уменьшается частота поперечных сшивок и значительно возрастает набухаемость, липкость и агрегирование гранул, что в критических случаях может привести к вспучиванию аппарата и разрушению гранул. Присутствие в макромолекуле ионита этилвинилбензольных звеньев обусловлено тем, что применяемый в производстве технический дивинилбензол представляет собой 40%-ную смесь изомерных дивинилбензолов в этилвинилбензоле. Наряду с универсальностью метод полимераналогичных превращений имеет ряд других преимуществ, в том числе возможность получения ионитов в готовом гранулированном виде, высокая механическая прочность и удовлетворительные физико-механические показатели гранул. В то же время метод отличает многостадийность и трудоемкость операций, неполнота химических превращений (всегда меньше 100%) и токсичность реагентов. Производство катионита КУ-2 включает шесть технологических стадий: I - подготовку исходного сырья (сополимер стирола с дивинилбензолом, дихлорэтан, олеум, серная кислота и вода), II - набухание стандартного сополимера в дихлорэтане в течение 0,5 ч при пятикратном массовом соотношении дихлорэтан : сополимер, III - сульфирование набухшего сополимера олеумом или концентрированной серной кислотой при массовом соотношении сополимер : кислота=1:5 и температуре сульфомассы 100 °С в течение 7 ч (при этих условиях дихлорэтан испаряется, а поры заполняются сульфомассой), IV - двухступенчатую гидратацию (отмывку от H2SO4) сульфированного продукта постепенным снижением концентрации в промывном растворе от 50-55% до 5% (постепенное разбавление предохраняет гранулы от растрескивания - в результате экзотермики процесса вода внутри гранул вскипает, создаваемое при этом давление паров разрушает гранулы), а затем - умягченной водой, V - сушку и рассев на ситах и в бункерах, VI - упаковку и складирование продукта (гранул с диаметром 0,5-1,25 мм). Химическим аналогом компонента КУ-2 служит макропористый катионит КУ-23, получаемый суспензионной сополимеризацией стирола с дивинилбензолом в присутствии порообразователей (до 10% изооктана, гептана, гексана, четыреххлористого углерода и др.) с последующим сульфированием сополимера. Катионит КУ-23 отличается от гелевого катионита КУ-2 постоянной пористостью (30-60%), повышенной осмотической стабильностью и улучшенными кинетическими свойствами.
Макропористый слабокислотный катионит полимеризационного типа КБ-4 получают суспензионной сополимеризацией метилметакрилата с дивинилбензолом с последующим омылением сложноэфирных групп сополимера до карбоксильных: При использовании в качестве сомономера, несущего ионогенную группу, метакриловой кислоты получают одностадийным синтезом катионит КБ-1: В этом случае процесс суспензионной сополимеризации трудно поддается регулированию, так как метакриловая кислота растворяется в водной фазе, а получаемый катионит обладает низкой механической прочностью, в то время как катионит КБ-4 механически прочен и химически стоек (в водных средах не подвергается декарбоксилированию при температурах до 200 °С). 1-сборник-смеситель; 2-реактор-полимеризатор; 3-холодильник- конденсатор; 4-приемник; 5-роторное сито; 6-промежуточный бункур; 7- реактор-омылитель; 8-промывная колонна.
Производство катионита многостадийно. Первой стадией периодического процесса является приготовление мономерной фазы, для чего в сборник-смеситель 1 в атмосфере азота при включенной мешалке загружают сомономеры метилметакрилат и дивинилбензол, инициатор - раствор пероксида бензоила в дивинилбензоле и порообразователь - изооктан. Приготовление водной фазы (вторая стадия) выполняется непосредственно в реакторе-полимеризаторе 2 загрузкой компонентов по рецептуре (в м.ч.): деминерализованная вода (дисперсионная среда) - 100, крахмал (стабилизатор) - 1,8-2, гидроксид натрия (регулятор рН среды) - 0,2, хлорид натрия - 1. После тщательного перемешивания мономерной и водной фаз приступают к выполнению третьей стадии - смешению фаз и сополимеризации, для чего в рубашку реактора 2 подают пар и нагревают водную фазу до 50-60 °С. Затем включают мешалку и сливают из сборника-смесителя 1 мономерную фазу, получают эмульсию мономеров в воде при модуле ванны (соотношении фаз) 1:3. При этом в каплях начинается процесс сополимеризации. С целью предотвращения преждевременного улетучивания изооктана (Тк = 99,2 °С) и слипания образующихся гранул полимера повышение температуры от 60 °С до 95 °С в процессе полимеризации должно быть медленным (в течение 10-12 ч). По достижении заданной степени конверсии полимеризацию прекращают, а полученную реакционную массу разделяют (стадия IV). Сначала полимеризат нагревают до 95-100 °С и через холодильник-конденсатор 3 в приемник 4 отгоняют изооктан. От конденсата отделяют воду, а изооктан возвращают в рецикл. Суспензию в реакторе охлаждают до 60 °С, затем отделяют воду, а гранулы сополимера на роторном сите 5 подвергают рассеву по размерам и подают в промежуточный бункер 6. Омыление сополимера метилметакрилата и дивинилбензола, поступающего из промежуточного бункера, (стадия V) проводят в реакторе-омылителе 7. В качестве омыляющего агента применяют 25%-ный раствор гидроксида натрия. Процесс протекает в течение 15-16 ч при температуре 175-190 °С и избыточном давлении 2-3 МПа. Разделение продуктов омыления (стадия VI) проводится непосредственно в реакторе 7, для чего после завершения процесса омыления давление в реакторе сбрасывают до атмосферного. При этом пары воды и метанола из реактора поступают на конденсацию, конденсат подвергают разделению и очистке, а гранулы катионита подают на промывку (стадия VII) в промывную колонну 8. После многократной колонной промывки в противотоке воды и катионита получают белые гранулы сферической формы, отмытые от щелочи. Промытый катионит расфасовывают, упаковывают и складируют (стадия VIII).
Фосфорнокислые катиониты . Фосфорнокислые катиониты на основе сополимеров стирола с дивинилбензолом получают обработкой сополимера треххлористым фосфором с последующим омылением групп ‹РCl2 в присутствии окислителей:
