Катализаторы на основе ионообменных смол (ионитов)

Катализ ионитами развился в самостоятельную область знания в 40-х г. XX века и является очень перспективным. Различают иониты: неорганические (их пример - это рассмотренные выше цеолиты) и органические синтетические. Органические иониты - это полимеры, имеющие в составе своих молекул специфические функциональные группы (ионогенные группы), обладающие электроотрицательными и электроположительными зарядами и придающие иониту кислотный или щелочной характер. Иониты, содержащие кислотные функциональные группы и способные к обмену подвижные катионы, называют по общей терминологии катионитами. Иониты, содержащие активные группы основного характера и способные к обмену подвижные анионы - анионитами.

Таким образом, ионит - высокомолекулярное поливалентное соединение, в каркасе которого закреплены:

- у катионитов - активные группы кислотного характера, которые могут диссоциировать на малоподвижные анионы и подвижные катионы, например - сульфокатионит

- у анионитов - активные группы основного характера, которые могут диссоциировать на малоподвижные катионы и подвижные анионы, способные к обмену, аммоний-анионит

где R - высокомолекулярный органический радикал.

Активные группы в ионитах после диссоциации способны к обмену ионами при погружении ионита в раствор электролита, поэтому иониты еще называют ионообменными смолами.

Процесс ионообмена можно представить следующими уравнениями:

катионообмен

анионообмен

Противоионы ионита, находясь в сольватированном состоянии, аналогичны ионам кислот и щелочей, поэтому катализ ионитами по своему механизму является кислотно-основным. Однако использование ионитов в качестве катализаторов имеет преимущества перед кислотами и щелочами:

  • - благодаря более мягкому воздействию ионообменных групп уменьшается протекание побочных реакций;
  • - продукты реакции и катализатор легко разделяются фильтрованием, т.к. иониты - это устойчивые эластичные студни;
  • - при использовании ионитов устраняется вероятность коррозии аппаратуры, что упрощает конструктивное оформление процессов;
  • - иониты легко регенерируются, а потому используются многократно.

К недостаткам каталитических процессов с участием ионообменных смол можно отнести:

  • - низкую термостойкость ионитов (температуры процессов должны быть не выше 100-Н50°С);
  • - механическая непрочность ионитов.

Рассмотрим механизм переэтерификации сложных эфиров спиртами в присутствии сульфокатионита КУ-2-8 (катионит универсальный).

Механизм реакции:

Получают ионообменные смолы синтетическим путем. Обычно применяют следующие варианты синтеза ионитов:

  • 1. По реакции полимеризации или поликонденсации из исходных мономеров получают полимерную (сополимерную) матрицу, которую затем подвергают соответствующей обработке для введения ионогенных групп.
  • 2. Исходные мономеры, содержащие ионогенные группы, превращают в высокомолекулярные соединения с помощью тех же реакций полимеризации и поликонденсации.
  • 3. Ионогенные группы вводят в момент образования полимера.

В качестве исходных мономеров могут быть использованы самые разные соединения, вступающие в реакции полимеризации. Например, Н-катионит КУ-2 (универсальный) получают сополимери- зацией стирола и дивинилбензола в присутствии катализатора - пероксида бензоила

В полученный сополимер различными способами вводят суль- фогруппы, например путем сульфохлорирования. Затем сульфохло- ридные группы этого соединения омыляют

Реакция с хлорсульфоновой кислотой проходит при комнатной температуре без катализаторов. Внешний вид катионита КУ-2 - прозрачные желтоватые шарики, которые при высушивании при Т=105°С темнеют, а при повторном смачивании восстанавливают свой цвет.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Сформулируйте основные эксплуатационные характеристики катализаторов.
  • 2. Перечислите и охарактеризуйте типы пористых структур катализаторов (носителей).
  • 3. Основные этапы производства катализаторов.
  • 4. Охарактеризуйте стадии технологии производства осажденных катализаторов.
  • 5. Виды пропитки носителей при производстве нанесенных катализаторов.
  • 6. Коагуляция в капле как способ формовки катализаторов.
  • 7. Сформулируйте способы активации цеолитов.
  • 8. Виды органических ионитов.
  • 9. Преимущества катализа ионообменными смолами.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >