説明

弱酸性陽イオン交換体

【課題】弱酸性陽イオン交換体を提供する。
【解決手段】本発明はアルキルメタクリレートとメタクリル酸との架橋共重合体のアルカリ鹸化によってポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体を製造する方法に関する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体を製造する方法およびその使用に関する。
【背景技術】
【0002】
従来技術から、ポリメタクリル酸タイプのビーズ状の陽イオン交換体は既知である。これは、多くの異なる用途において実際に使用できる陽イオン交換体のクラスである。重要な利用分野には水処理技術があり、例えば、カルシウム、マグネシウム、鉛、銅等の多価カチオンをはじめ炭酸陰イオンも除去することができる。メタクリレート系の陽イオン交換体の特別な利点として、塩酸、硫酸等の強酸を用いるだけでなく、二酸化炭素を用いて再生を行うことができる。ポリメタクリル酸タイプの陽イオン交換体のさらなる適用分野は、例えば、抗生物質、酵素、ペプチド、核酸等の生物学的活性成分をそれらの溶液から(例えば、反応混合物や発酵ブロスから)精製および分離することである。
【0003】
前記用途において、ポリメタクリル酸タイプの、ゲル状のみならずマクロ孔質の陽イオン交換体も必要である。マクロ孔質およびゲル状という語は、専門文献、例えば、(非特許文献1)に詳細に記載されている。
【0004】
ポリメタクリル酸タイプの陽イオン交換体は、逆懸濁重合と呼ばれるものによって製造することができる。この方法では、メタクリル酸と架橋剤との水溶液を、例えば連続相として、シクロヘキサン等の有機溶剤に分散させて球状の液滴を得、これらの液滴を遊離基開始剤を用いた高温での重合によって硬化する。
【0005】
また、とりわけ生態学的理由から好ましい、溶剤を使わない製造方法も既知である。この場合、メタクリル酸自体は使用されないが、架橋剤と組み合わせたメタクリル酸のアルキルエステルが、水中で懸濁重合によってビーズ状の架橋したポリメタクリル酸アルキルに転化され、下流での鹸化によってポリメタクリル酸陽イオン交換体に転化される。(特許文献1)には、例えば、水から陽イオンを除去する、カルボキシル基を有する不溶性共重合体が記載されており、そのカルボキシル含有共重合体はアクリル酸エステル共重合体を鹸化することによって製造することができる。(特許文献2)には、アクリル酸および/またはメタクリル酸のエステルの懸濁重合および得られた重合体を続いて鹸化することによって、陽イオン交換体として使用可能なゲル状の重合体を製造する方法が記載されている。
【0006】
ポリアクリル酸アルキルエステル重合体を鹸化してポリアクリル酸重合体を得ることは非常に容易に行うことができるのに対して、メタクリル酸重合体を用いた類似の反応は、メタクリル酸エステルの加水分解に対してより高い安定性があるため、例えば、150℃を上回る温度といった厳しい反応条件を必要とする。こうした厳しい条件は、より多くの技術的資源を必要とし、得られた反応生成物は温度ストレスの結果、その構造が変化し得るので、実際には望ましくない。
【特許文献1】米国特許第2,340,111号明細書
【特許文献2】独国特許発明第960,858号明細書
【非特許文献1】Seidl,Malinsky,Dusek,Heitz,adv.Polymer Sci.,Vol.5 p.113〜213(1967)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、ポリメタクリル酸タイプのゲル状でマクロ孔質の陽イオン交換体の製造のための簡易な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
したがって、本発明の主題と本目的の解決は、
a)メタクリル酸アルキルエステルと、メタクリル酸と、架橋剤と、遊離基開始剤と、適当であればポロゲンとの単量体混合物を水性相中で懸濁重合によって硬化して、ビーズ重合体を得ること、および
b)得られたビーズ重合体をアルカリ性条件下で100〜160℃の温度で鹸化することを特徴とするポリメタクリル酸タイプの陽イオン交換体を製造する方法にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
処理工程a)に使用されるメタクリル酸アルキルエステルは、分枝状および非分枝状のC1〜C6アルキル基を有するエステルである。例として以下のものが挙げられる:メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸イソプロピル。メタクリル酸メチルが好ましい。
【0010】
本発明の意味の適当な架橋剤は、例えば、ブタジエン、イソプレン、ジビニルベンゼン、ジビニルトルエン、トリビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、トリビニルナフタレン、ジビニルシクロヘキサン、トリビニルシクロヘキサン、トリアリルシアヌレート、トリアリルアミン、1,7−オクタジエン、1,5−ヘキサジエン、シクロペンタジエン、ノルボルナジエン、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、テトラエチレングリコールジビニルエーテル、ブタンジオールジビニルエーテル、エチレングリコールジビニルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、ヘキサンジオールジビニルエーテル、およびトリメチロールプロパントリビニルエーテル等の多機能のエチレン性不飽和化合物である。
【0011】
多くの場合、ジビニルベンゼンが適している。大抵の用途では、ジビニルベンゼンの異性体の他にエチルビニルベンゼンも含む市販のジビニルベンゼンの品質グレードは十分である。また、例えば、ジビニルベンゼンとジビニルエーテルとの混合物といった異なる架橋剤の混合物も使用することができる。
【0012】
単量体混合物の架橋剤の分率は、2〜50重量%、好ましくは4〜25重量%である。
【0013】
メタクリル酸アルキルエステル、メタクリル酸、および架橋剤に加えて、さらにフリーラジカル機構によって重合可能な単量体が、最大20重量%、好ましくは最大10重量%の分率で単量体混合物中に存在することができる。適当な単量体として、例えば、スチレン、酢酸ビニル、アクリロニトリル、およびアクリル酸アルキルエステルがある。
【0014】
本発明の方法に適当な開始剤としては、例えば、過酸化ジベンゾイル、過酸化ジラウロイル、ビス(p−クロロベンゾイル)ペルオキシド、ジシクロヘキシルペルオキシジカーボネート、t−ブチルペルオクトエート、t−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノエート、2,5−ビス(2−エチルヘキサノイルペルオキシ)−2,5−ジメチルへキサン、またはt−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサン等のペルオキシ化合物があり、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)、または2,2’−アゾビス(2−メチルイソブチロニトリル)等のアゾ化合物もある。
【0015】
開始剤は、一般に単量体混合物に対して、0.05〜2.5重量%、好ましくは0.1〜1.5重量%の量で使用される。
【0016】
本発明のポリメタクリル酸タイプの陽イオン交換体にマクロ孔質構造を発生させるために、ポロゲンと呼ばれるものがその単量体混合物に添加される。これに適当な物質は単量体と混和できる有機溶剤である。例示されるものとして、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、イソオクタン、イソドデカン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ブタノール、またはオクタノール、およびこれらの異性体がある。また、ポロゲンは独国特許発明第1,045,102号明細書、同1,113,570号明細書、および米国特許第4,382,124号明細書にも記載されている。ポロゲンの分率は、単量体混合物に対して、5〜70重量%、好ましくは10〜65重量%である。
【0017】
単量体混合物は、処理工程a)において、水性相中で懸濁重合によって硬化して、ビーズ重合体を得る。
【0018】
懸濁重合は、一般に水性相中に溶解した保護コロイドの存在下で進行する。適当な保護コロイドは、例えば、ゼラチン、スターチ、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、または(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリル酸エステルとの共重合体等の天然または合成の水溶性高分子である。また、非常に容易で適当な化合物は、セルロース誘導体であり、特にメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、メチルヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、およびヒドロキシエチルセルロース等のセルロースエステルおよびセルロースエーテルである。保護コロイドの使用量は、一般に水性相に対して、0.05〜1重量%、好ましくは0.05〜0.5重量%である。
【0019】
処理工程a)に使用される水性相は、場合によっては、さらに緩衝系を含むことができる。好ましいのは、重合開始時に水性相のpHを14〜6、好ましくは13〜8の値に設定する緩衝系である。このような条件下で、カルボン酸基を含む保護コロイドは、塩として完全にまたは部分的に存在する。この様に、保護コロイドの活性は好適に影響される。特に非常に適当な緩衝系は、リン酸塩またはホウ酸塩を含む。また、本発明の意味のリン酸塩およびホウ酸塩という語も、対応する酸および塩のオルト型の縮合物を包含する。水性相中のリン酸塩またはホウ酸塩の濃度は、0.5〜500mmol/l、好ましくは2.5〜100mmol/lである。
【0020】
例えば、塩化ナトリウム、または硫酸ナトリウム等の塩類の水性相への添加もまた、本発明の方法の文脈において可能である。例えば、5〜10重量%の塩含有量で、水性相中のメタクリル酸の溶解度を低下させることができる。
【0021】
水性相はさらに、溶解させた重合防止剤を含むことができる。水溶性重合防止剤を添加することで、望ましくない微細な重合体が水相中に形成されるのを効果的に抑制することを見出した。本文脈において考慮される防止剤には、無機のみならず有機物質もある。無機防止剤の例としては、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン、亜硝酸ナトリウム、および亜硝酸カリウム等の窒素化合物、二クロム酸ナトリウム等のクロマート、亜リン酸水素ナトリウム等の亜リン酸の塩類、そしてまた、亜ジチオン酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、重亜硫酸ナトリウム、ロダン化ナトリウム、またはロダン化アンモニウム等の硫黄化合物がある。有機防止剤の例としては、ヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、レゾルシノール、カテコール、t−ブチルカテコール、ピロガロール、アルデヒドとフェノールの縮合物等のフェノール化合物がある。防止剤の濃度は、(水性相に対して)5〜1000ppm、好ましくは10〜500ppm、特に好ましくは10〜250ppmである。
【0022】
処理工程a)にて形成されたビーズ重合体の粒径は、攪拌速度を用いて設定してもよい。反応体積が3〜5リットルの実験室反応器では、一般に100〜300回転/分の攪拌速度が使用される。様々な種類の攪拌機を使用することができる。特に好適な種類は、ゲート式攪拌機およびストレートアームパドル式攪拌機である。前記条件下で、一般に平均粒径が約200〜750μmのビーズ重合体が得られる。
【0023】
単量体混合物と水性相の体積率は、1:0.75〜1:6、好ましくは1:1〜1:2.5である。
【0024】
重合温度は、使用する開始剤の分解温度に依存する。一般に50〜180℃、好ましくは55〜130℃である。重合には1時間〜数時間かかる。重合を低温(例えば、60℃)で開始し、重合転化率が進むにつれて反応温度が上昇する温度プログラムを用いるのが有用であることが証明されている。この様に、例えば、より安全な反応過程および高い重合転化率の必要性は非常に容易に満たされる。重合においてポロゲンを使用した場合、これを反応混合物から蒸留により都合よく除去し、続いて重合する。その後、その重合体は分離することができ、適当であれば洗浄し、例えば、濾過、またはデカンテーションといった従来の方法を用いて乾燥することができる。
【0025】
処理工程a)で得られたビーズ重合体の鹸化または加水分解は、本発明の方法の処理工程b)において進行する。
【0026】
この場合、適当な加水分解剤は、例えば、水酸化カリウム、または水酸化ナトリウム等の強塩基の溶液である。強塩基の濃度は、一般に5〜50重量%である。強塩基の純水溶液を使用することができる。しかし、できるだけ短い鹸化時間に対しては、アルコール水溶液を使用することもでき、好都合である。きわめて適当なアルコール類は、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、およびイソプロパノールである。加水分解剤中のアルコールの分率は、この場合10〜60重量%であり得る。
【0027】
加水分解剤の量は、ビーズ重合体と加水分解剤との混合物が容易に攪拌できるような方法において選択される。一般に、ビーズ重合体1kg当たり700ml〜2000mlの加水分解剤が使用される。
【0028】
加水分解は、好ましくは90℃〜160℃、特に好ましくは100℃〜150℃の温度で進行する。鹸化時間は、好ましくは1〜24時間、特に好ましくは4〜12時間である。
【0029】
鹸化後、加水分解生成物と残留加水分解剤との反応混合物は、室温に冷却され、まず希釈されてから、水で洗浄される。
【0030】
水酸化ナトリウム溶液を加水分解剤として使用すると、弱酸性陽イオン交換体はナトリウム形に製造される。用途によっては、陽イオン交換体をナトリウム形から酸形に転化することが好都合である。この交換は、濃度が5〜50%、好ましくは10〜20%の硫酸を用いて行う。
【0031】
必要であれば、得られた本発明の弱酸性陽イオン交換体を、精製のため、70〜145℃、好ましくは105〜130℃の温度で脱イオン水で処理することができる。
【0032】
また、本発明は、
a)メタクリル酸アルキルエステルと、メタクリル酸と、架橋剤と、遊離基開始剤と、適当であればポロゲンとの単量体混合物を水性相中で懸濁重合によって硬化すること、および
b)得られたビーズ重合体を100〜160℃の温度でアルカリ鹸化すること
によって得ることが可能なポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体に関する。
【0033】
また、本発明は、本発明のポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体の、
−水溶液または有機溶液から陽イオン、着色剤粒子、または有機成分を除去するため、
−水溶液または有機溶液の中性交換における軟化のため、
−化学工業、エレクトロニクス産業、および発電所の水の浄化および処理のため、
−例えば、抗生物質、酵素、ペプチド、核酸等の生物学的活性成分を、例えば、反応混合物からおよび発酵ブロスからといった、それらの溶液から分離および精製するため
の使用に関する。
【0034】
さらに、本発明の陽イオン交換体は、ゲル状および/またはマクロ孔質の陰イオン交換体と組み合わせて水溶液および/または凝縮液を、特に飲料水処理において、十分に脱塩するために使用することができる。
[実施例]
【0035】
実施例1
ポリメタクリル酸タイプのマクロ孔質弱酸性陽イオン交換体の製造
a)マクロ孔質ビーズ重合体の製造
メチルセルロース(チロースMH1008)6.8gを4リットル容のガラス反応器中で1856mlの脱イオン水に溶解する。この最初に投入した材料に、メタクリル酸メチル237.5gとメタクリル酸113.7gとジビニルベンゼン(エチルスチレン中81.2%濃度のジビニルベンゼン異性体混合物)103.6gとジベンゾイルペルオキシド(75%純水の湿潤生成物)6.8gとイソブチルメチルケトン(99%純粋)682.2gとから成る単量体混合物を水性相表面より下に導入する。攪拌速度は175rpmに設定し、その混合物を80℃で10時間攪拌しながら加熱する。続いて、その混合物をさらに88℃で10時間攪拌する。冷却後、リン酸水素二ナトリウム31.6gを添加する。そのバッチを30分間放置し、吸引濾過により母液を取り除き、次いで30分間脱イオン水で攪拌し、再び吸引濾過により水性相を取り除くことによって洗浄する。この手順を4回繰り返す。イソブチルメチルケトンを蒸留するため、生成物と水の比が1:1に等しくなるようにする。次に、その混合物を90〜92℃までゆっくりと加熱し、イソブチルメチルケトンを留去する。630μmのスクリーンおよび350μmのスクリーン上の複数の部分においてLPを洗浄する。
【0036】
この方法によって、平均粒径が467μmのビーズ重合体453gが製造される。
【0037】
b)ビーズ重合体の鹸化
実施例a)で得た重合体286g、水酸化ナトリウム溶液(50%重量濃度)728.8ml、脱イオン水71mlを6リットルのオートクレーブに投入する。
【0038】
そのバッチを100℃に加熱し、この温度で30分間攪拌する。次に、オートクレーブを閉じ、145℃までゆっくりと加熱する。この間に、内圧は3.5barに上昇する。145℃で12時間鹸化を行う。得られた樹脂を00−ガラスフリットのカラムに移した後、洗浄してpH8にする。続いて、硫酸一水和物44.8mlを添加し、その生成物を空気導入によって攪拌する。樹脂がまだ溶液中にあり、洗浄して中性からpH5になるように、十分な水性相を除去する。この方法によって、総容量1.65mol/l、平均粒径500μmの水素形のメタクリル樹脂1085mlが製造される。
【0039】
実施例2
ポリメタクリル酸タイプのマクロ孔質弱酸性陽イオン交換体の製造
実施例1を繰り返し、メタクリル酸メチル300.1g、メタクリル酸45.5g、ジビニルベンゼン(エチルスチレン中81.2%濃度のジビニルベンゼン異性体混合物)109.2g、ジベンゾイルペルオキシド(75%純水の湿潤生成物)6.8g、およびイソブチルメチルケトン(99%純粋)682.2gから成る単量体混合物を使用した。この方法によって、平均粒径が380μmのビーズ重合体443gが製造された。アルカリ鹸化によって、総容量1.50mol/l、平均粒径454μmの水素形のメタクリル樹脂を得た。
【0040】
実施例3
ポリメタクリル酸タイプのゲル状弱酸性陽イオン交換体の製造
a)ゲル状ビーズ重合体の製造
脱イオン水1311mlを4リットル容のガラス反応器に投入する。塩化ナトリウム324.6gおよびヒドロキシエチルセルロース(チロースH4000P)1.953gをその中に溶解する。その後、メタクリル酸メチル688.4gとメタクリル酸250.0gとジビニルベンゼン(エチルスチレン中81.2%濃度のジビニルベンゼン異性体混合物)61.6gと6.0gのジベンゾイルペルオキシド(75%濃度)とから成る単量体混合物を水性相表面より下に導入する。その混合物を160rpmで攪拌しながら、1.5時間で63℃に加熱する。2時間30分後、温度を94℃に上昇させ、この温度でさらに3時間維持する。冷却後、ビーズ重合体を100μmのスクリーン上で十分に洗浄する。この方法によって、平均粒径497μmの透明なビーズ重合体949gが製造される。
【0041】
b)ビーズ重合体の鹸化
a)で得たビーズ重合体672.3g、水酸化ナトリウム溶液(50%濃度)694.9ml、完全な無イオン水355mlを6リットルのオートクレーブに投入する。その混合物を100℃に加熱し、この温度で30分間攪拌する。次に、オートクレーブを閉じ、145℃までゆっくりと加熱する。この間に、内圧は3.5barに上昇する。145℃で12時間鹸化を行う。得られた樹脂を00−ガラスフリットのカラムに移し、排出液がpH8になるまで脱イオン水で洗浄する。
【0042】
この方法によって、平均粒径511μm、総容量4.05mol/lのゲル状のメタクリル樹脂1270mlが製造される。
【0043】
分析方法
樹脂の総容量の測定
100ml容のメスシリンダにおいて、弱酸性陽イオン交換体55mlを、完全な無イオン水中の振動ベンチ上で振盪させ、濾過管に洗い流す。15%濃度の塩酸300mlを60分の間に添加する。次いで、溶出液が中性になるまで、交換体を脱イオン水で洗浄する。樹脂の内50mlは振盪されて、濾過管に洗い流される。1つの通常の水酸化ナトリウム溶液600mlを60分の間に添加し、その溶出液は1リットル容の三角フラスコに回収される。その樹脂は脱イオン水200mlで洗浄され、溶出液は1リットル容の三角フラスコに同様に回収される。三角フラスコの水準まで完全な無イオン水を入れ、混合する。ガラス製ビーカーにおいて完全な無イオン水50mlを用いて溶液50mlを希釈し、0.1n塩酸により滴定しpH電極を用いてpH4.3にする。
【0044】
総容量(TC):総容量は樹脂の酸基量の基準である。
次元:樹脂1リットルあたりの酸基のモル数
TCの計算:(30−消費量)/2.5=モル/リットルの酸形態の樹脂

【特許請求の範囲】
【請求項1】
a)メタクリル酸アルキルエステルと、メタクリル酸と、架橋剤と、遊離基開始剤と、適当であればポロゲンとの単量体混合物を水性相中で懸濁重合によって硬化して、ビーズ重合体を得る、および
b)得られたビーズ重合体をアルカリ性条件下で100〜160℃の温度で鹸化することを特徴とするポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体を製造する方法。
【請求項2】
処理工程a)において、メタクリル酸メチルと、メタクリル酸と、架橋剤と、遊離基開始剤と、適当であればポロゲンとの単量体混合物を使用することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
処理工程a)において使用される前記単量体混合物が、メタクリル酸メチルと、メタクリル酸と、架橋剤との総量を基準にして、10〜35重量%のメタクリル酸を含有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項4】
処理工程a)において使用される前記単量体混合物が、メタクリル酸メチルと、メタクリル酸と、架橋剤との総量を基準にして、5〜70重量%、好ましくは10〜65重量%のポロゲンを含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記架橋剤が、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ブタンジオールジビニルエーテル、ヘキサンジオールジビニルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、トリメチロールプロパントリビニルエーテル、または前記化合物の混合物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記ポロゲンが、メチルイソブチルケトン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、イソオクタン、イソドデカン、n−ブタノール、2−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノール、オクタノール、または前記化合物の混合物であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
a)メタクリル酸アルキルエステルと、メタクリル酸と、架橋剤と、遊離基開始剤と、適当であればポロゲンとの単量体混合物を水性相中で懸濁重合によって硬化すること、および
b)得られたビーズ重合体を100〜160℃の温度でアルカリ鹸化することによって得ることが可能なポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか一項に記載の前記ポリメタクリル酸タイプの弱酸性陽イオン交換体の、
−水溶液または有機溶液から陽イオン、着色剤粒子、または有機成分を除去するため、
−水溶液または有機溶液の中性交換における軟化のため、
−化学工業、エレクトロニクス産業、および発電所の水の浄化および処理のため、
−ホエー、薄いゼラチンブロス、果汁、果もろみ(fruit musts)、および糖類の水溶液を脱色および脱塩するため、
−例えば、抗生物質、酵素、ペプチド、核酸等の生物学的活性成分を、例えば、反応混合物からおよび発酵ブロスからといった前記成分の溶液から分離および精製するため
の使用。

【公開番号】特開2007−63555(P2007−63555A)
【公開日】平成19年3月15日(2007.3.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−229320(P2006−229320)
【出願日】平成18年8月25日(2006.8.25)
【出願人】(505422707)ランクセス・ドイチュランド・ゲーエムベーハー (220)
【Fターム(参考)】