Hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistus ja karakterisointi

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistusmenetelmiä, kokeilla eri menetelmiä käytännössä ja tutkia sekä itse valmistettujen että valmiina saatujen hartsien adsorptiokykyä ja muita ominaisuuksia. Kemiallinen adsorptio amiiniryhmän omaavien hartsien avulla on yksi tapa sitoa hiilidioksidia ilmasta. Primäärinen amiiniryhmä sitoo hiilidioksidia parhaiten. Primäärisen amiiniryhmän omaava anioninvaihtohartsi voidaan valmistaa pohjapolymeeristä halogeenialkyloimalla ja aminoimalla, aminoalkyloimalla tai suoraan aminoimalla. Aminoalkylointi voidaan suorittaa erilaisilla reagensseilla ja katalyyteillä. Tässä työssä hartseja valmistettiin aminoimalla polymetyyliakrylaattidivinyylibentseenipohjaista polymeeriä etyylidiamiinilla ja propyylidiamiinilla. Lisäksi suoritettiin polystyreeni-divinyylibentseenipohjaisen polymeerin aminoalkylointi bis(ftaali-imidometyyli)eetterin avulla. Reaktio tehtiin kahdella eri katalyytillä; rikkitrioksidilla ja rautakloridilla. Aminoalkylointireaktioissa tarvittava eetteri piti ennen varsinaista reaktiota valmistaa N-hydroksymetyyliftaali-imidistä. Myös tämän reagenssin syntetisointia ftaali-imidistä kokeiltiin. Kaikki synteesit onnistuivat melko hyvin, paitsi aminoalkylointi rautakloridikatalyytillä. Hartsien valmistuksen lisäksi itse valmistettuja primäärisen amiiniryhmän omaavia hartseja sekä erilaisia amiiniryhmiä omaavia valmiita hartseja karakterisoitiin eri tavoin. Erityisesti haluttiin tutkia hiilidioksidin adsorptiokapasiteettia ja hartsien termistä kestävyyttä. Kaikista tutkituista hartseista lähimpänä haluttuja ominaisuuksia olivat kaksi kaupallista primäärisen amiiniryhmän omaavaa PS-DVBpohjaista makrohuokoista hartsia. Rakenteeltaan samanlainen itse valmistettu hartsi (rikkitrioksidikatalyytin läsnä ollessa aminoalkyloitu) oli myös ominaisuuksiltaan lupaava. Valmistusmenetelmää pitää kuitenkin tutkia ja kehittää lisää vielä parempien tulosten aikaansaamiseksi. Myös kaupallinen polyetyleeni-imiinirakenteen omaava silikapohjainen hartsi oli ominaisuuksiltaan hyvä.

The purpose of this thesis was to study the production methods of an anion exchange resin applicable to carbon dioxide recovery, to try different methods in practice and to study the adsorptive capacity and the other features of the selfmade resins and resins received elsewhere. Chemical adsorption with resins containing an amine group is one way of binding carbon dioxide from air. A primary amine group binds carbon dioxide best. An anion exchange resin containing a primary amine group can be prepared from a polymer by haloalkylation and amination, aminoalkylation or direct amination. Aminoalkylation can be made with different reagents and catalysts. In this work the resins were prepared by amination of polymethylacrylatedivinylbenzene- based polymer with ethyl diamine and propyl diamine. Also aminoalkylation of polystyrene-divinylbenzene-based polymer with bis(phthalimidomethyl)ether was performed. The reaction was made with two different catalysts; sulphur trioxide and iron chloride. Ether needed in aminoalkylation reactions had to be prepared from N-hydroxymethyl-phthalimide before the actual reaction. Also synthesizing this reagent from phthalimide was tested. All syntheses worked out quite well except the aminoalkylation with iron chloride catalyst. In addition to resin preparation, the self-made resins containing primary amine group and the received resins containing different amine groups were characterized in different ways. Especially the adsorption capacity of carbon dioxide and the thermal stability of the resins were concerned. From all resins studied, closest to the desired characteristics were two commercial PS-DVB-based macroporous resins containing primary amine group. A self-made resin (aminoalkylated with sulphur trioxide catalyst) with the same structure was also promising. However, the manufacturing process must be studied and developed more to get even better results. Also a commercial silica-based resin containing polyethyleneiminestructure was good.