Ионообменные смолы – катализаторы

Ионообменные смолы (ИОС) могут использоваться в качестве катализаторов реакции твердых кислот или твердых оснований. На начальных этапах ИОС применялись только в реакциях эстерификации и гидролиза сложных эфиров, однако после появления пористых смол к сферам применения добавились реакции в неполярных растворителях, такие как алкилирование.
Теплостойкие ИОС также расширили области применения. В Таблице X-1-1 приведен актуальный список реакций с использованием ИОС, информацию о которых можно найти в специализированной литературе и патентах.

Ионообменные смолыРеакции
Сильнокислотные катиониты (SACER)Гидролиз
Эстерификация
Ацетализация, кетализация
Циклизация
Конденсация
Дегидрация
Декарбонизация
Гидрогенация
Амидация
Сильноосновные аниониты (SBAER)Гидролиз
Дегалогенизация
Конденсация
Гидрация
Циклизация
Эстерификация
Ацилирование
Катализатор межфазного переноса
[Таблица X-1-1] ИОС в качестве кислотных/основных катализаторов

Области применения смол

• Синтез Бисфенола А
• Производство метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ)
• Производство трет-амилметилового эфира (ТАМЭ)
• Производство этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ)
• Гидролиз метилацетата
• Синтез метилметакрилата
• и многие другие.

Преимущества ИОС катализаторов

А) Легкость отделения катализаторов от продуктов реакции:

При периодических операциях легко отделить ионообменные смолы от реакционных систем, поскольку они представляют собой твердые кислоты или твердые основания.

Б) Могут применяться в непрерывных реакциях и пригодны для рационализации процессов:

Непрерывные реакции с высокой производительностью могут быть выполнены простой подачей исходных материалов в реакционные башни, заполненные ионообменной смолой. Эксплуатационные расходы ниже, чем у обычных кислотных или щелочных катализаторов, из-за их лучшей доступности для различных реакций.

В) Не требуют нейтрализации и концентрации:

Обработка после реакций достаточно проста, либо вовсе не требуется, поскольку ионообменные смолы являются твёрдым материалом.

Г) Высокая селективность с малым количеством побочных продуктов.

Ионообменные смолы обладают высокой селективностью благодаря эффекту молекулярного сита.

Д) Малая эрозия материалов и оборудования

ИОС вызывают меньшую эрозию, чем обычные кислоты или основания, поэтому могут применяться с различными материалами. Таким образом, применение ионообменных смол катализаторов снижает инвестиционные затраты.

Недостатки ИОС катализаторов

А) Теплоустойчивость ниже, чем у неорганических катализаторов
Стандартные иониты имеют более низкую термостойкость, чем обычные кислоты или основания и не могут использоваться при высоких температурах, поскольку они являются органическими полимерами. Катиониты подходят для реакции с температурой до 100-120 °C, аниониты – до 40-60 °C. Использование ИОС при более высоких температурах допустимо в коротких реакциях, либо если речь идет о реакциях с одноразовым использованием катализатора.

Б) Низкая скорость реакции, если реагентами являются полимеры
Скорости реакции будут малыми, если реагенты имеют большие молекулярные размеры, так как это затруднит внутричастичную диффузию из-за структуры ИОС.

Основные свойства ИОС

На рынке представлено очень много марок ионообменных смол с различными полимерными матрицами, степенями сшивки и функциональными группами, и все они различаются показателями активности катализатора и селективности реакции. Таким образом, необходимо уметь правильно подбирать марки ИОС в зависимости от условий реакции: полярность реакционных систем, молекулярные массы реагентов, температура реакции.

Полимерная матрица

ИОС с большой ионообменной емкостью и стандартной степенью сшивки применяются в полярных реакционных системах с относительно небольшими размерами реагентов. Иониты с низкой степенью сшивки эффективны в реакциях с реагентами большого размера. Смолы гелевого типа, которые обладают хорошей механической прочностью, обычно менее активны в качестве катализаторов, чем пористые, имеющие ту же степень сшивки, что и гелевые. В неполярных реакционных системах эффективны только высокопористые ИОС.

ГелеваяПористаяВысокопористая
Полярные реакционные системы+++
Неполярные реакционные системы+
Скорость реакции+
РастворителиРеакцииDIAION SK серииDIAION PK серииDIAION HPK/RCP серии
ВодныеЭстерификация<——————————>
ВодныеГидродиз<——————————>
ВодныеГидрация<——————————>
НеводныеАлкилирование<——————->
[Таблица X-1-2] Выбор катионита DIAION в зависимости от типа реакции
МаркаВодаМетанолЭтанолИзопропанолАцетонДиоксанДихлорэтанТолуол
DIAION SK104H4,13,33,23,22,51,21,21,1
DIAION SK1BH2,82,42,42,52,11,11,21,2
DIAION PK208H4,63,73,63,62,51,21,11,2
DIAION PK216H2,82,52,42,42,11,21,11,2
DIAION PK228H2,22,11,61,61,41,21,21,2
DIAION HPK25H2,52,42,52,52,42,32,02,0
[Таблица X-1-4] Степень набухания катионитов-катализаторов, мл/г-сух.R

Степень сшивки

Показатель степени сшивки ионообменной смолы напрямую связан с размером её пор. Скорость реакций, в которых катализатором выступает смола с низкой степенью сшивки, высокая, поскольку, в таком случае, ИОС обладает крупными микропорами, в которых могут диффузировать крупные реагенты. Другим преимуществом смол с низкой степенью сшивки является хорошая термоустойчивость. К недостаткам таких ИОС можно отнести малое количество активных участков и слабую устойчивость к окислению. При выборе оптимальной степени сшивки необходимо исходить из свойств реакции.

Степень сшивки, %Низкая <———————–> Высокая
Скорость реакциивыше <————————
Макромолекулярные реакциилучше <———————–
Устойчивость к окислению хуже <—————————> лучше
Набуханиесильное <————————–>слабое

Читайте также

Отправить запрос