بخشی از مقاله
چکیده:
رزینهای تبادل یون کاتیونی ژل از نوع اسید قوی در طی دو مرحله به ترتیب شامل پلیمریزاسیون و سولفوناسیون تولید میشوند. ابتدا پلیمر پایه ساخت رزین از کوپلیمریزاسیون سوسپانسیونی استایرن ودیوینیل بنزن تهیه میگردد. در این فرآیند، پایداریسیستم پلیمریزاسیون، رسیدن به دانههای سالم یعنیدانههایی بدون اشکالات سطحی و حجمی، و همچنینرسیدن به توزیع اندازه ذرات مطلوب بسیار مهمهستند. پس از پلیمریزاسیون، سولفوناسیون دانههایکوپلیمر حاصله به انجام می رسد.در این فرایند رسیدن به رزینهایی سالم و عاری از هرگونه شکستگی، باظرفیت تبادلی بالاو خصوصیات فیزیکی و مکانیکیمطلوب بسیار مهم هستند.در این تحقیق ابتدا شرایطپلیمریزاسیون در مقیاس آزمایشگاهی بهینه سازی و سپس فرآیند سولفوناسیون در فاز آزمایشگاهی به انجامرسیده است.
تأثیر پارامترهای مختلف بر ظرفیت رزین و همچنین جلوگیری از شکستن آنها در هر یک از مراحل سولفوناسیون و هیدراسیون مورد بررسی قرار گرفته است. در سولفوناسیون دانههای پلیمری، ابتدادانهها در درون یک محلول مناسب متورم میگردندبنابر این سیستم متورم ساز بررسی گردیده است. اثر درجه حرارت سولفوناسیون و نیز غلظت اسید سولفوریک مصرفی برسرعت واکنش نیز مورد مطالعهقرار گرفته است. فرآیند های پلیمریزاسیون وسولفوناسیون در فاز نیمه صنعتی در دو راکتورکارگاهی با پوشش شیشه ای و به ترتیب به حجمهای180 و100 لیتر به انجام رسیده، پس از بهینهسازی فرایند ها، مجموعا” در حدود 150 لیتر رزین تبادلیون کاتیونی ژل از نوع اسیدقوی با کیفیت مطلوب تولید گردیده است. رزینهای فوق تست عملیاتی سهماهه در نیروگاه نکا را با موفقیت پشت سر گذاردهاند.
مقدمه:
رزینهای تبادل یون، کاربردهای بسیار وسیعی در صنایع شیمیایی، معدنی، دارویی و غذایی دارند. استفاده از این رزینها درنیروگاههای برق، مجتمعهای پتروشیمی، پالایشگاهها و اصولاً هر فرآیند شیمیاییای که احتیاج به آب فرآیندی با کیفیت بالا داشته باشد،یک نیاز اساسی است.برابر آمارهای موجود بیشترین میزان مصرف رزینهای تبادل یون - بویژه در مصارف نیروگاهی - به نوع کاتیونی قوی اختصاص داشته و لذا طرح تولید آن مورد توجه قرار گرفته است.این رزین در طی دو مرحله به ترتیب شامل پلیمریزاسیون و سولفوناسیون تولید میشود. پلیمر پایه ساخت رزین از کوپلیمریزاسیون سوسپانسیونی استایرن و دی وینیل بنزن تهیه میگردد. شبکه پلیمری مورد نظر با توجه به نوع کاربرد رزین نهایی،کوپلیمری با درصدهای متغیریاز اتصالات عرضی میباشد.
دراین روش سیستم متشکل از دو فاز آبی وآلی است که در آن فاز آب، فازپیوسته و فاز آلی که همان محلول مونومر و آغازگر میباشد، فاز پراکنده را تشکیل میدهند.مونومرها دراثر چرخش همزن که عامل ایجاد تلاطم و اختلاط میباشد، بصورت قطراتی در فاز آب پخش شده، و بدین ترتیب قطراتی که بعداً به دانههای پلیمری تبدیلمیشوند،شکل میگیرند.جهت جلوگیری از بهمچسبیدن قطرات در طول واکنش پلیمریزاسیون، به فازآب مواد پایدارکننده اضافه میشود. پروازی نیا وهمکاران [1] بررسی جامعی درخصوص پارامتر های موثر بر توزیع اندازه ذرات درسیستم مشابهی از پلیمریزاسیون سوسپانسیونی را برای پلی استایرن بهانجام رسانیدهاند. در بخش سولفوناسیون، دانههای کوپلیمر تولیدی در بخش پلیمریزاسیون، توسط اسید سولفوریک غلیظ و در حضور عامل متورم ساز
مناسبی، سولفونه شده، بدین ترتیب با قرار گرفتن گروههای سولفونیک بر روی حلقه های بنزنی کوپلیمر، رزین فعال حاصل میگردد.
پس از کامل شدن واکنش سولفوناسیون، رزینهای حاصله از اسید جدا و با اسیدهای ضعیفتر شستشو میشوند.سرعت واکنش سولفوناسیون کوپلیمر استایرن- دی وینیل بنزن به دمای واکنش، نوع و غلظت عامل سولفونه کننده، میزان تورم شبکه در هنگام سولفوناسیون،اندازۀ دانه های کوپلیمر سولفونه شونده و نیز ساختمان میکروسکوپی شبکه بستگی دارد. وابستگی سرعتواکنش به نوع عامل ایجاد کنندۀ اتصالات عرضی شامل ایزومرهای متفاوتی از دی و تری وینیل بنزن توسط ریچارد اچ. وایلی - - R. H. Wiley و همکاران[5-2]مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله سولفوناسیون از فرایند تولید رزینهای کاتیونی قوی از نوع ژل، متورم
ساختن دانهها دردرون یک حلال آلی و یا غیرآلی
مناسب بسیار حائز اهمیت است. این عمل سبب میشود تا عامل سولفونه کننده بتواند به راحتی به درون دانهها نفوذ کرده، نقاط درونی دانهها را همانند سطوح خارجی آنها بطور یکنواخت در معرض عامل سولفونه کننده قرار داده، باعث افزایش سرعت سولفوناسیونگردد. .علاوه بر این متورم ساختن دانههابا کاستن از تنشهای فیزیکی ایجاد شده در طی واکنشسولفوناسیون، پایداری دانهها را در برابر ایجاد ترک وشکستگی افزایش میدهد.اغلب هیدروکربنهای کلردار نظیر کلروفرم، متیلن کلراید، 2،1،-1 تری کلرواتان،سیس دی کلرواتیلن، تری کلرواتیلن، پرکلرواتیلن، کربن تتراکلرید، اتیلیدن دیکلراید، دی کلروپروپیلن وغیره دارای چنین شرایطی بوده، متداولترین آنها اتیلندی کلراید است.
آروماتیکهایی نظیر تولوئن، کلروبنزنو نیتروبنزن نیز عوامل تورم زای خوبی هستند ولی بدلیل سولفونه شدن خود این عوامل، ضمن مصرف شدن اسید، محصولات جانبی نامطلوب نیزایجاد میگردند. سولفوناسیون دانههای کوپلیمر استایرن-دی وینیل بنزن متورم، توسط اولئوم، سولفوریک اسید، کلروسولفوریک اسید، و یا مخلوطی از سولفوریکاسید و کلروسولفوریک اسید قابل انجام است. دانههای سولفونه شده با کلروسولفوریک اسید نسبت به دانههای سولفونه شده با سولفوریک اسید،علیرغم عملکرد یکسان، دارای رنگ روشنتری هستند ولی خورندگی شدید و نیز گرانی کلروسولفوریک اسید،استفاده از آنرا بسیار محدود نموده است.
پس از کامل شدن واکنش سولفوناسیون که منجر به جایگزینی یک به یک گروههایسولفونیک در هر یک از حلقههای آروماتیک موجود میگردد بایستی اسید سولفوریک باقیماندهدر درون دانهها شستشو و خارج گردد .اگراین عمل با استفاده مستقیم از آب انجام شود، تغییرغلظت ناگهانی الکترولیت و نیز گرمای حاصل ازهیدراسیون اسید بویژه در درون دانهها، منجربه بروز شوکهای اسمزی گردیده دانههای رزین به سرعت دچار شکستگی میشوند .به منظوراجتناب از چنین رویدادی، دانهها ابتدا با استفاده از اسیدهای رقیقتر، و سپس با آب شستشو میگردند. محصول نهایی در اینمرحله رزینی به فرمهیدروژنی میباشد.در این تحقیق فرایند تولید رزینهای تبادل یون کاتیونی ژل از نوع اسید قوی بصورت کمی و کیفی مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد مورد استفاده:
نام و مشخصات مجموعه مواد شیمیایی مورد استفاده در هر یک از واکنشهای پلیمریزاسیون و سولفوناسیون به ترتیب در جدول شمارۀ 1 ذکر گردیدهاند.
