离子交换树脂详解(经典之作)

离子交换树脂简介2010.2.24LGH内容包括1离子交换树脂的概念2离子交换树脂的基本类型3离子交换树脂的工作原理4离子交换树脂的使用方法5离子交换树脂的污染处理及预防6离子交换树脂的选择7离子交换树脂储运的注意事项8离子交换树脂的应用1离子交换树脂的概念1.1离子交换树脂的定义1.2离子交换树脂的理化性质1.3离子交换树脂的命名方式1.4离子交换树脂基体的组成1.5离子交换树脂基体的优缺点1离子交换树脂的概念1.1离子交换树脂的定义离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子三部分构成。离子交换树脂可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和两性离子交换树脂。1.2离子交换树脂的理化性质离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状或粉状。树脂颗粒的尺寸一般在0.3～1.2mm范围内，大部分在0.4～0.6mm之间。它们有较高的机械强度(坚牢性)，化学性质也很稳定，在正常情况下有较长的使用寿命。1.3离子交换树脂的命名方式离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成。我国化工部规定，离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类。第二位数字代表不同的骨架结构。第三位数字为顺序号。大孔树脂在型号前加“D”。凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“×”号连接阿拉伯数字表示。1.3离子交换树脂的命名方式D¤△▼×■D大孔树脂在名称前加D¤分类代号（阴、阳、酸、碱、强、弱）△骨架分类代号▼顺序号×■凝胶型树脂后加*并注明交联度如D011×7，表示大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，其交联度为7。1.4离子交换树脂基体的组成离子交换树脂的基体，制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)两大类。苯乙烯系树脂是先使用的，丙烯酸系树脂则用得较后。强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂1.5离子交换树脂的优缺点优点：1、无机离子的去除能力优良；2、具再生能力；3、装置简单。缺点：1、纯化（交换）容量有一定的限制，水质会发生起伏；2、树脂会造成有机物的溶出；3、树脂表面会有微生物的增殖；4、树脂的崩解碎片会造成水中微粒的增加；5、树脂的再生过程比较麻烦；6、树脂再生时会产生药品（强酸、强碱）的废液污染。2离子交换树脂的基本类型2.1按孔隙结构分类2.3按基体的种类分类2.2按树脂中化学活性基团的种类分类2离子交换树脂的基本类型2.1按孔隙结构分类离子交换树脂按孔隙结构分凝胶型和大孔型两种。凝胶型树脂大孔型树脂2.1.1凝胶型树脂凝胶型树脂的高分子骨架，在干燥的情况下内部没有毛细孔。它在吸水时润胀，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。湿润树脂的平均孔径为2～4nm(2×10－6～4×10－6mm)。2.1.2大孔型树脂大孔树脂内部的孔隙又多又大，表面积很大，活性中心多，离子扩散速度快，离子交换速度也快很多，约比凝胶型树脂快约十倍。使用时的作用快、效率高，所需处理时间缩短。大孔吸附树脂2.2按树脂中化学活性基团的种类分类按化学活性基团首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类。阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类。2.2.1强酸性阳离子树脂这类树脂含有大量的强酸性基团，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。2.2.2弱酸性阳离子树脂这类树脂含弱酸性基团，能在水中离解出H+而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。2.2.3强碱性阴离子树脂这类树脂含有强碱性基团，能在水中离解出OH－而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如NaOH)进行再生。2.2.4弱碱性阴离子树脂这类树脂含有弱碱性基团，它们在水中能离解出OH－而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH1～9)下工作。2.2.5离子树脂的转型以上是树脂的四种基本类型。在实际使用上，常将这些树脂转变为其他离子型式运行，以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出Na+，与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。反应时没有放出H+，可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等)。2.3按基体的种类分类离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。苯乙烯系树脂丙烯酸系树脂3离子交换树脂的工作原理树脂在离子交换过程中发生的化学反应3离子交换树脂的工作原理在离子交换过程中，水中的阳离子（如Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Fe3+等）与阳离子交换树脂上的H+进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而树脂上的H+交换到水中。水中的阴离子（如Cl-、HCO3-等）与阴离子交换树脂上的OH-进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到水中。而H+与OH-相结合生成水，从而达到脱盐的目的(见下页图)。H2O阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂H+Na+OH-Cl-NaClH2O离子交换原理示意图4离子交换树脂的清洗4.1离子交换树脂的预处理4.2离子交换树脂的再生4离子交换树脂的清洗4.1离子交换树脂的预处理在离子交换树脂的工业产品中，常含有少量的有机低聚物及一些无机杂质。在使用初期会逐渐溶解释放，影响出水水质或产品质量。因此，新树脂在使用前必须进行预处理。4.1.1动态预处理树脂装入交换器后，用去离子水反洗阴、阳树脂层，直至出水清澈、无气味、无细碎树脂为止。阳树脂预处理：将树脂装柱后，先用饱和食盐水浸泡，用去离子水冲洗至出水清澈，检测PH值为7。再用2%～4%的NaOH溶液进行处理，再用2%～4%的HCl溶液进行处理，并以该酸液浸泡，排去酸液，用去离子水冲洗至出水呈中性。阴树脂预处理：将树脂装柱后，先用饱和食盐水浸泡，用去离子水冲洗至出水清澈，检测PH值为7。再用2%～4%的HCl溶液进行处理，再用2%～4%NaOH进行处理，，全部通入后，浸泡，排去碱液，用去离子水冲洗至出水呈中性。4.1.2静态预处理阳树脂的处理：将树脂用水洗至清水后，用2%～4%NaOH浸泡4-8小时，再用水洗至中性，再用5%的HCl浸泡4-8小时后，用水洗至中性，待用。阴树脂的处理：将树脂用水洗至清水后，用5%的HCl浸泡4-8小时，再用水洗至中性，再用2%～4%NaOH浸泡4-8小时后，用水洗至中性，待用。4.2离子交换树脂的再生4.2.1阳离子交换器再生采用顺流和逆流方式均可，最好采用逆流法。反洗：目的是松动树脂层，当出水澄清透明时止。配酸液（HCl）：再生液的用量为树脂体积的5倍，再生液浓度为4%-6%。进酸时间为1小时。正洗：目的是洗净再生物和残余酸液。打开进水和上进水阀门，打开下排阀门，当排水pH=6.5左右时，正洗结束，再生完毕。4.2.2阴离子交换器再生采用顺流和逆流方式均可，最好采用逆流法。反洗：先打开进水和下进阀门，打开排气阀门，水自下而上通过树脂层，（用阳床的水）目的是松动树脂，当出水澄清透明为止。配碱液（NaOH）：再生液的用量为树脂体积的5倍，再生液的浓度为4-6%。进碱时间为1.5小时。正洗：水自上而下通过树脂层，目的是洗净再生产物和残余碱液。打开进水和上进阀门，打开下排阀门，当排水pH=7.5左右时正洗结束，再生完毕。离子交换树脂再生示意图4.2.3离子交换树脂再生的注意事项进完酸或碱时一定要把酸碱经过的管道冲洗干净，以防存酸存碱，影响电导率。把再生泵冲洗干净，以备下次使用。5离子交换树脂的污染处理及预防5.1悬浮物污堵的处理及预防5.2铁中毒的处理及预防5.3油污染的处理及预防5离子交换树脂的污染处理及预防在化学水处理系统中,由于多种原因,阴、阳离子交换树脂都存在着被污染的问题,尤其是钙、铁、有机物的污染。污染后的树脂性能下降、工作交换容量降低、离子泄露量增加,影响出水质量。由于树脂的结构未遭到破坏,可以通过适当的处理,恢复其交换性能.同时应对树脂在使用过程中易出现污染的情况进行分析,采取合理的措施。5.1悬浮物污堵的处理及预防现象：原水中的悬浮物会堵塞树脂层中的孔隙，从而增大其水流阻力，增大运行压降，也会覆盖在树脂颗粒的表面，因而降低树脂的工作交换容量。处理：为清除积聚在树脂层中的悬浮物，可采用增加反洗次数和时间或使用压缩空气擦洗等方法。预防：为防止悬浮物的污堵，主要是加强对原水的预处理，以降低水中悬浮物的含量。5.2铁中毒的处理及预防现象：阳、阴树脂都可能发生铁的污染。被污染树脂的外观为深棕色，严重时可以变为黑色。一般情况下，每100g树脂中的含铁量超过150mg时，就应进行处理。铁的存在会加速阴树脂的降解。铁中毒后的离子交换树脂处理：常用的清洗方法是用10%HCl溶液，在进行此方法前，必须检查交换器设备的耐腐蚀性能，否则须用加抑制剂的盐酸。防止树脂发生铁污染的措施有：1、减少阳离子进水的含铁量。对含铁量高的地下水应先经过曝气处理及锰砂过滤除铁。对含铁量高的地表水或使用铁盐作为凝聚剂时，应添加碱性药剂，如NaOH，提高水的pH值，防止铁离子带入阳床。2、对输送高含铁量原水的管道及贮槽应考虑采取必要的防腐措施，以减少原水的铁含量。5.2铁中毒的处理及预防现象：矿物油对树脂的污染主要是吸附于骨架上或被覆于树脂颗粒的表面，造成树脂微孔的污堵，致使树脂交换容量降低，周期制水量明显减少。5.3油的污染及处理油污染后的离子交换树脂处理：1、用NaOH溶液循环清洗使用38-40°C的8%-9%NaOH溶液，从碱箱（约10m3）经过阴床、阳床后，再回到碱箱循环清洗（具体时间由小型试验确定），并补充NaOH溶液，保持溶液浓度，利用NaOH对矿物油的乳化作用，清除油污。2、用溶剂清洗可以使用石油醚或200号溶剂汽油对树脂进行清洗，清洗过程中要严密防火。预防矿物油的来源主要要做好以下几各方面：1、防止渗入地下的矿物油随原水带入交换器。2、燃油锅炉使用蒸汽雾化燃油，当油压高于蒸汽压力时，防止重油（或原油）漏入蒸汽，经过凝气器进入凝结水除盐系统。5.3油的污染及处理6离子交换树脂的选择6.1离子交换树脂的吸附性对它的工作和性能的影响6.3离子交换树脂的物理性质对它的工作和性能的影响6.2离子交换树脂的颗粒尺寸对它的工作和性能的影响6离子交换树脂的选择购买离子交换树脂可以从它的吸附性、颗粒尺寸和有关的物理性质等方面来选择。6.1离子交换树脂的吸附性对它的工作和性能的影响离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。对离子的吸附：各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差异。对有色物的吸附糖液脱色常使用强碱性阴离子树脂。它对拟黑色素(还原糖与氨基酸反应产物)和还原糖的碱性分解产物的吸附较强，而对焦糖色素的吸附较弱。离子交换树脂吸附色素前后的比较6.2离子交换树脂的颗粒尺寸对它的工作和性能的影响离子交换树脂通常制成珠状的小颗粒，它的尺寸也很重要。树脂颗粒较细者，反应速度较大，但细颗粒对液体通过的阻力较大，需要较高的工作压力；特别是浓糖液粘度高，这种影响更显著。因此，树脂颗粒的大小应选择适当。如果树脂粒径在0.2mm(约为70目)以下，会明显增大流体通过的阻力，降低流量和生产能力。6.3离子交换树脂的物理性