第二章离子交换树脂部分

第一节离子交换树脂基本概念国产离子交换树脂的分类国产离子交换树脂命名法则及型号国产离子交换树脂的分类离子交换树脂品种很多，因其原料、制法和用途不同，分类方法各异。主要分类方法下：1.按功能基类别分：a.强酸性阳离子交换树脂，其功能基为：磺酸基R-SO3Hb.弱酸性阳离子交换树脂，其功能基为：羧酸基R-COOH，磷酸基R-CHPO(OH)2c.强碱性阴离子交换树脂，有两种功能基：Ⅰ型强碱基团R-CH2(CH3)3OH(季胺基)Ⅱ型强碱基团R-CH2N(CH3)2(C2H4OH)OH(季胺基)；d.弱碱性阴离子交换树脂，其功能基有：伯胺基R-CH2NH2仲胺基R-CH2NHCH3叔胺基R-CH2(CH3)2.按结构类型分：a.凝胶型：包括均孔树脂及多次聚合的树脂；b.大孔型这两种树脂的差别在于前者无物理孔，后者有物理孔。3.按聚合物单体分：a.苯乙稀系：此系是以苯乙稀作为主要原料的各种树脂；b.丙稀酸系：此系是以丙稀酸衍生物作为主要原料的各种树脂；c.酚醛系：此系是以苯酚和醛作为主要原料的各种树脂；d.环氧系：此系是以环氧氯丙烷和各种胺为主要原料的各种树脂；e.乙烯吡啶系：此系是以乙烯吡啶作为主要原料的各种树脂。4.按用途分：a.工业级指供一般工业用的树脂；b.食品级指供食品工业用的树脂，这种树脂要经过特殊处理以防止污染食品；c.分析级指供化学分析用的树脂，这种树脂要经过某种处理，使杂质含量符合分析要求；d.核等级指供核工业用的树脂，这种树脂要经过某种处理，以提高树脂耐辐射性并降所不应有的杂质；e.层床专用指用于双层床、三层床、混床、浮床的树脂，其密度和粒度均有特殊要求。国产离子交换树脂命名法则及型号1983年我国颁布了《离子交换树脂分类、命名及型号》GB1631-83国家标准，该标准的命名原则为：离子交换树脂的全名称由分类、骨架(或基团)名称、基本名称排列组成。离子交换树脂的型态分凝胶型和大孔型两种。凡具有物理孔结构的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔”两个字。基本名称：离子交换树脂，分类属酸性的，应在基本名称加“阳”字；分类属碱性的，应在基本名称加“阴”字；根据以上原则来称谓水处理常用的四种离子交换树脂的全名称为：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，强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。为了区别同一类离子交换树脂中的不同品种，在全名称前必须有型号。这种型号主要以三位阿拉伯数字组成，左第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异(代号见表1.1和表1.2)，第三位数字为顺序号，用以区别基团、交联剂等的差异。表1.1分类代号(左第一位数字)表1.2骨架代号(左第二位数字)代号0123456分类名称强酸弱酸强碱弱碱螯合两性氧化还原代号0123456分类名称苯乙烯丙烯酸酚醛环氧乙烯吡啶脲醛氯乙烯大孔树脂在型号前加“D”表示；凝胶型离子交换树脂的交联度可在型号后用“×”号联接阿拉伯数字表示。如遇到二次聚合或交联度不清楚时，可采用近似值表示或不予表示。型号图解：***×*D***交联度数值连接符号顺序号顺序号骨架代号骨架代号分类代号分类代号大孔型代号对于专用树脂，可在树脂型号后加设备要求的符号，在水处理中浮床、层床、混床等专用树脂在其型号后分别加有FC、SC、MB符号，见表1.3。表1.3树脂专用符号用途Amberlite标号Lewatit标号电力行业标准层床用Stratebed(前置)ST(后置)SC(后置)混床用MB(前置)MB(后置)MB(后置)高流速浮动床FC三层床TR第二节离子交换树脂的有关性能离子交换树脂的物理性能离子交换树脂的化学性能离子交换树脂的质量标准离子交换树脂工艺性能使用离子交换树脂应注意的事项离子交换树脂的物理性能外观：离子交换树脂的外观包括：颗粒的形状、颜色、完整性以及树脂中的异样颗粒和杂质等水溶性浸出物浸出物的性质一般表现如下：（1）阴离子交换树脂的浸出物呈阳离子性质，其中主要有胺类。（2）强酸性阳离子交换树脂的浸出物为低分子磺酸盐，这已为色谱法测定（浸出物的氧化物是硫酸根）所证明。低分子硫酸盐可溶于水中，不断从阳树脂中释放出来，它会污染阴树脂，因此必须控制浸出物的含量。含水量含水量：指单位质量树脂所含的非游离水分的多少，一般用百分数表示离子交换树脂的含水量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等因素有关。树脂在使用中如果发生链的断裂、孔结构的变化、交换容量的下降等现象，其含水量也会随之发生变化。因此，从树脂含水量的变化也可以反映出树脂内在质量的变化。密度离子交换树脂的密度分为湿真密度、湿视密度和装载密度。湿真密度：是指单位真体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。湿视密度是指单位视体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。装载密度是指容器中树脂颗粒经水力反洗自然沉降后单位树脂体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。湿态离子交换树脂：是指吸收了平衡水量并除去外部游离水分后的树脂。粒度和粒度分布一般用悬浮法制得的球状颗粒的粒径并不一致，大体上处在0.2mm～1.5mm范围内（经筛分取0.3mm～1.2mm的颗粒用于制造树脂），其中0.3mm～0.6mm的占60%左右，0.6mm～1.0mm的占30%左右。经过筛分的树脂，应该用4个指标：范围粒度、有效粒度和均一系数、下限粒度（或上限粒度）。机械性能离子交换树脂的机械性能（即保持颗粒的完整性），是十分重要的性能。在使用中，如果树脂颗粒不能保持其完整性，发生破裂或破碎，会给使用带来困难。主要表现为：破碎树脂在反洗时排出、细末漏过通流部分进入后续设备，结果导致树脂层高下降、交换容量降低、水流阻力增加、污染后续设备中的树脂、系统出水水质下降、进入高温系统污染水汽品质等。所以应对树脂的机械性能或物理强度有一定要求。16不可逆膨胀由于生产过程时间短，高分子链的缠结，所以未能充分膨胀，经过几个周期的使用，高分子骨架充分膨胀开，树脂体积才稳定下来。装入交换器的树脂层高度，在使用几个期后会增加。因为这种膨胀是不可逆的，故称不可逆膨胀。转型膨胀树脂的离子型态不同，其体积也不相同。当树脂从一种离子型态变为另一种离子型态时，树脂的体积就发生了变化。这种变化称为转型膨胀，是一种可逆膨胀。当恢复成原来的离子型态时，树脂的体积也恢复为原来的值。各种离子形态树脂的体积不同、树脂中离子交换基团解离的能力不同以及亲水能力不同等都会引起树脂转型体积变化。如果树脂骨架上某种离子能形成氢键、离子架桥等作用时，会使树脂体积发生较大的变化。耐热性与抗氧化性耐热性离子交换树脂的耐热性表示其在受热时保持其理化性能的能力通过对耐热性的研究，可以确定：（1）树脂长期使用的允许温度；（2）不同离子型态时树脂耐热性的差别；（3）树脂结构和耐热性关系；（4）热分解产物离子交换树脂的化学性能交换容量阳离子交换树脂交换容量阴离子交换树脂交换容量离子交换的选择性交换容量质量全交换容量：质量全交换容量通常简称为全交换容量，它表示的是单位质量树脂所具有的全部交换基团的数量。干基和湿基交换容量：在实际中，经常使用的是湿态树脂的体积交换容量，它表示单位体积完全浸泡在水中的树脂所具有的交换基团总量。基团容量：某些离子交换树脂具有两种或两种以上的离子交换树脂基团，它们各有不同的特性。基团交换容量是用来表示质量或单位体积树脂中某种离子交换基团的量（如磺酸基团容量、羧酸基团容量、季胺基团容量、仲胺基团容量等）。平衡交换容量：用于表示达到平衡状态时单位质量或单位体积的树脂中参于反应的交换基团的量。它表示在给定条件下，该树脂可能发挥的最大交换容量，是离子交换体系的重要参数。交换容量和离子型态：由于反离子种类不同，每个单元交换基团的质量也不相同阳离子交换树脂交换容量常用强酸阳树脂交换容量测定包括测定全交换容量及基团交换容量，而常用弱酸树脂只测定全交换容量即是弱酸基团容量。同类树脂001×7、001×10、001×14.5的干基交换容量随交联度增大而减少。D001×16大孔树脂磺化反应温度较其它树脂高，其产生弱酸基的量也较大。阴离子交换树脂交换容量阴离子交换树脂交换容量测定包括对强碱性和弱碱性两种阴树脂的全交换容量、强碱基团及弱碱基团容量的测定。无论何种聚苯乙烯类阴树脂都存在强、弱两种基团，新的强碱性阴离子交换树脂中含有约10%的弱碱基团，而弱碱阴树脂中可能含有约15%的强碱基团24离子交换树脂的质量标准我国离子交换树脂的质量标准：国家标准电力行业标准化工行业标准中石化行业标准企业标准离子交换树脂工艺性能工作交换容量工作交换容量是指在一定条件下，一个交换周期中单位体积树脂实现的离子交换量，即从再生型离子交换基团变为失效型基团的量。它可以用下式计算：q工=q′v(R初–R残)式中：q工——树脂工作交换容量，mmol/L；q′v——树脂体积全交换容量，mmol/L；R初——整个树脂层平均初始再生度；R残——整个树脂层平均残余再生度。影响工作交换容量的因素影响R初的因素它包括水源的成分、杂质浓度、温度、流速及对出水水质要求、树脂层高度、运行方式、设备结构的合理性等。影响R残的因素水中离子总量、组成、运行流速、运行水温、树脂层高度：树脂层高度越大，工作交换容量就越大。树脂的性质：除了树脂层高度以外，上述的每一项都和树脂本身的性质有关，它包括树脂的体积全交换容量、选择性系数和动力学性质（这些均已在前面作过介绍）再生剂耗、比耗树脂失效后，用相应的盐、酸或碱再生以恢复其工作能力。一般用再生剂耗（通常分别称为盐耗、酸耗或碱耗）、比耗来衡量树脂再生能力。耗用再生剂量(M)为：M=c×V×d(2-8)式中：d——再生剂溶液密度，kg/m3。再生剂耗的公式为：R=M/(QI+VR)(2-9)式中：R——再生剂耗，g/mol；M——周期再生剂用量，g；q工——工作交换容量，mol/m3VR——树脂体积，m3。比耗的计算公式为：Ro=R/Mo(2-10)式中：Ro——比耗，mol/mol（或无量纲）；R——再生剂耗，g/mol；Mo——再生剂摩尔质量数，g/mol。自用水率自用水率计算公式如下：RW=(W1+W2+W3+W4)/QT*100%式中：RW——树脂自用水率，%；W1——配制再生液用水量，m3；W2——置换用水量，m3；W3——清洗用水量，m3；W4——反洗用水量，m3；QT——周期制水量，m3。使用离子交换树脂应注意的事项停运长期停用，必须考虑有适当的保护措施防止树脂失水和受冻，还要防止树脂发霉和细菌繁殖定期检查定期检查离子交换树脂，可以了解设备工作性能下降的趋势和制水量减少、出水质量变差的原因，还可以预测树脂的寿命，确定树脂是否需要复苏的方法离子交换树脂的分离根据不同树脂可以采用各种浓度的酸、碱或盐溶液作为浮选介质，使分离后的树脂易于再生，特别要指出，被铁严重污染的强碱阴树脂也可能沉于饱和氯化钠溶液的底部，此时应先用浓盐酸（加温）处理后再用饱和盐水使之与阳树脂分离。动态连续分离效果比静态分离效果好得多离子交换设备运行中出现的问题离子交换设备运行中出现的问题一般表现为：设备出力降低，出水质量恶化或运行经济指标下降。设备出现上述问题后，首先应检查水质的测定方法和结果是否正确，以及运行、再生操作中是否发生异常现象，以确定这种现象是偶然发生还是稳定的出现。偶然的失误，其现象时隐时现，没有明显的规律，需要再细致进行观察才能查出原因。本文主要针对稳定出现的问题进行分析，并提出判断方法。离子交换器投入运行，1~3月内应进行启动调整试验，6个月内应进行运行调整试验，以确定正常运行工况下的出水质量、设备出力、水流阻力、再生剂耗量、自用水率以及再生条件，作为设备检查的依据。明显偏离上述指标并经常出现时，可以认为该设备发生了故障。出水水质恶化出水质量是衡量化学除盐设备运行工况的主要指标。出水质量恶化是指运行周期中间，除盐水的电导