離子交換樹脂

1、離子交換樹脂的物理性能1.外觀離子交換樹脂的外觀包括：顆粒的形狀、顏色、完整性以及樹脂中的異樣顆粒和雜質(zhì)等。目前各種產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)外觀指標(biāo)見表4-1。表4-1 水處理用離子交換樹脂外觀樹脂類別常 見 外 觀樹脂類別常 見 外 觀001×7棕黃色至棕褐色透明球狀顆粒D201乳白色或淺灰色不透明球狀顆粒002棕黃色至棕褐色透明球狀顆粒D202乳白色或淺灰色不透明球狀顆粒D001淺棕色不透明球狀顆粒D301乳白色或淺黃色不透明球狀顆粒D111乳白色或淺黃色不透明球狀顆粒FB乳白色不透明球狀顆粒D113乳白色或淺黃色不透明球狀顆粒YB無色透明球狀顆粒201×4淺黃色或金黃色透明球狀顆粒S

2、-TR黃色或淺褐色球狀顆粒201×7淺黃色或金黃色透明球狀顆粒2.水溶性浸出物將新樹脂樣品浸泡在水中，經(jīng)過一定時間以后，可以在水中發(fā)現(xiàn)從樹脂中浸出許多水溶性雜質(zhì)，最明顯的是聚苯乙烯系強酸性陽離子交換樹脂。一般只要有幾天時間，浸泡樹脂的水就呈棕色，時間越長顏色越深。水的顏色一般是由生產(chǎn)中殘留的低聚物和化工原料形成。浸出物的性質(zhì)一般表現(xiàn)如下：1）陰離子交換樹脂的浸出物呈陽離子性質(zhì)，其中主要有胺類和鈉。水溶性浸出物2）強酸性陽離子交換樹脂的浸出物為低分子磺酸鹽，這已為色譜法測定（浸出物的氧化物是硫酸根）所證明。低分子硫酸鹽可溶于水中，不斷從陽樹脂中釋放出來，它會污染陰樹脂，因此必須控制浸出

3、物的含量。食品工業(yè)、核工業(yè)等對樹脂的水溶性浸出物有一定的限制。隨著人們對水質(zhì)的不斷提高，對一般工業(yè)所使用的樹脂的水溶性浸出物允許量也會有所限制。近年來，人們愈來愈重視強酸性陽離子交換樹脂水溶性浸出物的危害，并要求對其進行定量測定。因此，在新樹脂投入使用初期，最好先進行1至2周期的試運行，盡量清洗樹脂中的水溶性浸出物，在使用一段時間后，可取出陽樹脂，進行水溶性浸出物的測定，以了解對陰樹脂的污染狀況。3含水量指單位質(zhì)量樹脂所含的非游離水分的多少，一般用百分數(shù)表示。一定離子型的離子交換樹脂顆粒內(nèi)的含水量是樹脂產(chǎn)品固有的性質(zhì)之一。它用單位質(zhì)量的、經(jīng)一定方法除去外部水分后的濕樹脂顆粒內(nèi)所含水分的百分數(shù)來

4、表示。離子交換樹脂的含水量與樹脂的類別、結(jié)構(gòu)、酸堿性、交聯(lián)度、交換容量、離子型態(tài)等因素有關(guān)。樹脂在使用中如果發(fā)生鏈的斷裂、孔結(jié)構(gòu)的變化、交換容量的下降等現(xiàn)象，其含水量也會隨之發(fā)生變化。因此，從樹脂含水量的變化也可以反映出樹脂內(nèi)在質(zhì)量的變化。將干態(tài)的離子交換樹脂顆粒放在水中，它就會不斷地汲取水分，一定時間后，其吸收的水量達到穩(wěn)定值，此時的含水量稱為平衡含水量。平衡含水量和樹脂本身的狀態(tài)有關(guān)，通常稱平衡含水量為“含水量”。吸收了平衡含水量的樹脂顆粒離開水環(huán)境置于空氣中，顆粒表面還會附有一薄層水膜，樹脂顆粒內(nèi)仍含平衡水量。顯然，水膜是樹脂顆粒離開水環(huán)境時的機械攜帶，其厚度主要取決于樹脂表面性質(zhì)、水的

5、粘度、顆粒和水相對運動的速度，另外樹脂顆粒之間的空隙也會夾帶水分。但是當(dāng)樹脂的水膜不斷蒸發(fā)，水膜的完整性遭破壞時，內(nèi)部水分就要逸出，久之就變?yōu)楦蓸渲?。由于樹脂顆粒內(nèi)外水分無法分離，如何除去膜外水及水膜水，而又能保持內(nèi)部水分不損失是測定樹脂含水量的關(guān)鍵。1）常用凝膠型強酸性陽離子交換樹脂的含水量波動較小，各地產(chǎn)品大致相同，工藝較穩(wěn)定。2）國產(chǎn)苯乙烯系陰離子交換樹脂201×4、201×7含水量的差別比較大，這是各廠產(chǎn)品交換容量相差較大、反應(yīng)時形成的副交聯(lián)程度不同等原因所致。3）大孔樹脂含水量要比相同交聯(lián)度凝膠型樹脂的含水量高。大孔樹脂的孔隙度沒有明確規(guī)定，因此含水量有較大的差別

6、。如特大孔的Amberlite IRA-938強堿性陰離子交換樹脂的含水量可達80%（氫氧型）左右，而同類的凝膠型樹脂含水量為56%左右。含水量越高，越有利于離子擴散；含水量越低，體積全交換容量越高。4）同種樹脂含水量隨離子型態(tài)的不同而不同。一種基團帶有不同離子時，其結(jié)合水的能力不同，樹脂含水量就不同。因此在表示樹脂含水量時，必須指明離子型態(tài)。4密度離子交換樹脂的密度分為濕真密度、濕視密度和裝載密度。濕真密度是指單位真體積濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量（單位g/ml）。濕視密度是指單位視體積濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量（單位g/ml）。裝載密度是指容器中樹脂顆粒經(jīng)水力反洗自然沉降后單位樹脂體積濕態(tài)離子交換樹

7、脂的質(zhì)量（單位g/ml）。所謂濕態(tài)離子交換樹脂，是指吸收了平衡水量并除去外部游離水分后的樹脂。為使各種密度的測定結(jié)果有可比性，在測定樣品時都應(yīng)使之處于這種濕狀態(tài)。真體積是指離子交換樹脂顆粒本身的固有體積，它不包括顆粒間的空隙體積。視體積是指離子交換樹脂以緊密的無規(guī)律排列方式在量器中占有的體積，它包括顆粒間的空隙體積和樹脂顆粒本身的固有體積。5粒度和粒度分布一般用懸浮法制得的球狀顆粒的粒徑并不一致，大體上處在0.2mm1.5mm范圍內(nèi)（經(jīng)篩分取0.3mm1.2mm的顆粒用于制造樹脂），其中0.3mm0.6mm的占60%左右，0.6mm1.0mm的占30%左右。未經(jīng)篩分的樣品中，各種粒徑的白球所占

8、體積百分數(shù)一般呈正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系（分布曲線是對稱的）。如果在正態(tài)概率座標(biāo)紙上作圖，其粒徑和體積累計百分數(shù)的關(guān)系是一直線。經(jīng)過篩分的樹脂，其粒徑分布就不呈正態(tài)函數(shù)形式（在正態(tài)概率座標(biāo)紙上，其粒徑和體積累積百分數(shù)的關(guān)系就不是直線）。在一般情況下，樹脂顆粒的粒徑是連續(xù)分布的，不能用一個簡單的數(shù)來描述這種粒徑的大小。僅規(guī)定粒徑范圍（如0.3mm1.2mm的顆粒體積占全部體積的95%以上）是不合理的。因為在這樣粒徑范圍內(nèi)可能有大部分樹脂的顆粒粒徑為0.3mm0.6mm，也可能為0.6mm1.0mm，這兩種情況都符合規(guī)定的范圍，但顆粒大小相差甚遠。為了正確說明商品用離子交換樹脂的顆粒大小，應(yīng)該用4個指標(biāo)：

9、范圍粒度、有效粒度和均一系數(shù)、下限粒度（或上限粒度）。6機械性能離子交換樹脂的機械性能（即保持顆粒的完整性），是十分重要的性能。在使用中，如果樹脂顆粒不能保持其完整性，發(fā)生破裂或破碎，會給使用帶來困難。主要表現(xiàn)為：破碎樹脂在反洗時排出、細末漏過通流部分進入后續(xù)設(shè)備，結(jié)果導(dǎo)致樹脂層高下降、交換容量降低、水流阻力增加、污染后續(xù)設(shè)備中的樹脂、系統(tǒng)出水水質(zhì)下降、進入高溫系統(tǒng)污染水汽品質(zhì)等。所以應(yīng)對樹脂的機械性能或物理強度有一定要求。7不可逆膨脹和轉(zhuǎn)型膨脹新離子交換樹脂的體積是不穩(wěn)定的，由于生產(chǎn)過程時間短，高分子鏈的纏結(jié)，所以未能充分膨脹，經(jīng)過幾個周期的使用，高分子骨架充分膨脹開，樹脂體積才穩(wěn)定下來。裝

10、入交換器的樹脂層高度，在使用幾個期后會增加。因為這種膨脹是不可逆的，故稱不可逆膨脹。影響樹脂不可逆膨脹的因素，主要是樹脂制造工藝的后處理。如后處理時間較長，轉(zhuǎn)型和清洗又比較充分，則不可逆膨脹就比較小。樹脂的離子型態(tài)不同，其體積也不相同。當(dāng)樹脂從一種離子型態(tài)變?yōu)榱硪环N離子型態(tài)時，樹脂的體積就發(fā)生了變化。這種變化稱為轉(zhuǎn)型膨脹，是一種可逆膨脹。當(dāng)恢復(fù)成原來的離子型態(tài)時，樹脂的體積也恢復(fù)為原來的值。各種離子形態(tài)樹脂的體積不同、樹脂中離子交換基團解離的能力不同以及親水能力不同等是引起樹脂轉(zhuǎn)型體積變化的原因。如果樹脂骨架上某種離子能形成氫鍵、離子架橋等作用時，會使樹脂體積發(fā)生較大的變化。8耐熱性與抗氧化性

11、（1) 耐熱性離子交換樹脂的耐熱性表示其在受熱時保持其理化性能的能力。如型強堿性陰離子交換樹脂耐熱性差，說明其受熱后的強堿基團易降解或脫落，使交換容量下降、堿性降低，影響使用效果。通過對耐熱性的研究，可以確定： 樹脂長期使用的允許溫度； 不同離子型態(tài)時樹脂耐熱性的差別； 樹脂結(jié)構(gòu)和耐熱性關(guān)系； 熱分解產(chǎn)物。（2)抗氧化性由苯乙烯和二乙烯苯交聯(lián)的共聚物受氧化劑作用時是比較穩(wěn)定的。強酸性陽離子交換樹脂在3%H2O內(nèi)（含F(xiàn)e3+）加熱至70，經(jīng)24h后發(fā)現(xiàn)質(zhì)量有所損失。損失的量和交聯(lián)度有關(guān)：在交聯(lián)1%時，損失62%；在交聯(lián)2%時，損失46%；在交聯(lián)為8%時，損失11.6%。這說明了交聯(lián)度對樹脂抗氧化

12、性能有很大的關(guān)系，即交聯(lián)度越高，樹脂的抗氧化性越好。水中的重金屬離子是氧化降解的催化劑，尤其是鐵和銅。強酸性陽離子交換樹脂氧化產(chǎn)生的低分子有機磺酸（水溶性的），可以從樹脂中溶出，隨水而進入后續(xù)陰床，污染陰樹脂。在水處理系統(tǒng)中，最容易遭受氧化的是第一級陽離子交換樹脂，因此對進入除鹽系統(tǒng)的水中含氯量有所規(guī)定。強堿性陰樹脂也易遭受氧化，但進水中游離氯主要在第一級陽樹脂交換器中即被吸收，因而它受氧化的現(xiàn)象較小。二、離子交換樹脂的化學(xué)性能1 交換容量(1) 質(zhì)量全交換容量通常稱質(zhì)量全交換容量為全交換容量，它表示的是單位質(zhì)量樹脂所具有的全部交換基團的數(shù)量。它是離子交換樹脂固有性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，反映在實際

13、使用中可交換離子量的極限值。質(zhì)量全交換容量是指干基交換容量，單位為mmol/g。離子交換樹脂質(zhì)量全交換容量是由其本身結(jié)構(gòu)決定的，和外界條件無關(guān)。(2) 干基和濕基交換容量在實際中，經(jīng)常使用的是濕態(tài)樹脂的體積交換容量，它表示單位體積完全浸泡在水中的樹脂所具有的交換基團總量。濕態(tài)體積全交換容量和干基質(zhì)量全交換容量有如下關(guān)系：式中：qv 體積全交換容量，濕態(tài)； q 質(zhì)量全交換容量，干基； x 含水量； ds濕視密度。(3) 基團容量某些離子交換樹脂具有兩種或兩種以上的離子交換樹脂基團，它們各有不同的特性?；鶊F交換容量是用來表示質(zhì)量或單位體積樹脂中某種離子交換基團的量（如磺酸基團容量、羧酸基團容量、季

14、胺基團容量、仲胺基團容量等）。(4) 平衡交換容量平衡交換容量用于表示達到平衡狀態(tài)時單位質(zhì)量或單位體積的樹脂中參于反應(yīng)的交換基團的量。它表示在給定條件下，該樹脂可能發(fā)揮的最大交換容量，是離子交換體系的重要參數(shù)。平衡交換容量和平衡條件有關(guān)，它不是一個恒定值，平衡條件不同，平衡交換容量就不同。在同一條件下，不同樹脂的平衡交換容量也不同，它反映了樹脂化學(xué)性能的不同。(5) 交換容量和離子型態(tài)由于反離子種類不同，每個單元交換基團的質(zhì)量也不相同。例如1摩爾的離子交換基團RSO3Na的質(zhì)量為x（約為222g），則當(dāng)它變?yōu)镽SO3H時，即交換基團中的鈉離子被氫離子所取代，質(zhì)量減少為x - （23-1）g（約

15、為200g）。在計算單位質(zhì)量（如1000g）樹脂中交換基團的量時，顯然由于反離子不同，其交換容量不同，前者約為4.5mmol/g（鈉型）后者約為5.0mmol/g（氫型）。在計算樹脂交換基團時必須注意其離子型態(tài)。2陽離子交換樹脂交換容量常用的強酸性陽離子交換樹脂是聚苯乙烯骨架經(jīng)磺化反應(yīng)而得，反應(yīng)后苯環(huán)上接上磺酸基- SO3H，可能含有少量的弱酸基-COOH。常用的弱酸樹脂是聚丙稀酸甲酯經(jīng)水解反應(yīng)而得，反應(yīng)后聚合物上酯基變?yōu)轸人峄?COOH，但不會帶有磺酸基。因此常用強酸陽樹脂交換容量測定包括測定全交換容量及基團交換容量，而常用弱酸樹脂只測定全交換容量即是弱酸基團容量。按上述原理制訂的方法測定了

16、一些陽樹脂的交換容量，結(jié)果見表4-2。表4-2 陽樹脂交換容量測定結(jié)果mmol/ g樹脂牌號全交換容量強酸基團容量弱酸基團容量001×75.094.990.10001×104.944.830.11001×14.54.734.560.17D001×164.364.640.22D11311.36_11.36表3-13數(shù)據(jù)表明，同類樹脂001×7、001×10、001×14.5的交換容量隨交聯(lián)度增大而減少。D001×16大孔樹脂磺化反應(yīng)溫度較其它樹脂高，其產(chǎn)生弱酸基的量也較大。3陰離子交換樹脂交換容量陰離子交換樹脂交換容

17、量測定包括對強堿性和弱堿性兩種陰樹脂的全交換容量、強堿基團及弱堿基團容量的測定。表4-3列舉了一些陰樹脂測定結(jié)果，可以看出：（1）無論何種聚苯乙烯類陰樹脂都存在強、弱兩種基團，新的強堿性陰離子交換樹脂中含有約10%的弱堿基團，而弱堿陰樹脂中可能含有約15%的強堿基團； 表4-3 常用陰樹脂交換容量測定結(jié)果mmol/g（干）樹脂牌號全交換容量強堿基團容量弱堿基團容量201×7 （1）201×7 （2）3.933.453.803.250.130.20D301（1）D301（4）4.595.100.620.533.974.57D201 4.303.730.57AmberliteI

18、RA4024.34.240.06AmberliteIRA4103.633.150.48AmberliteIRA-934.760.234.53BtratabedIRA-935.210.394.824離子交換的選擇性順序在離子交換水處理的實際應(yīng)用中，我們常常需要知道在許多離子的混合液中哪一種離子易被吸取，哪一種離子較難被吸取的次序，即所謂選擇性順序。此種性能與它們呈離子交換平衡時的相對量有關(guān)。對于陽離子交換來說，此種順序的規(guī)律性比較明顯。在稀溶液中，常見陽離子的選擇性順序如下：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+這可歸納為兩個規(guī)律：離子所帶電荷量愈大，愈易被吸??；當(dāng)離子所帶電荷量

19、相同時，離子水合半徑較小的易被吸取。H+的位置向前移動，例如羧酸型樹脂對H+的選擇性，居于Fe3+之前。對于弱酸性陽樹脂，在濃溶液中，選擇性順序有一些不同，某些低價離子會居于高價離子前。至于陰離子交換的選擇性順序，情況要比陽子交換復(fù)雜。通過研究得知，在淡水的離子交換除鹽處理系統(tǒng)中，即進水是稀溶液時，陰子的選擇性順序為：SO43-（+HSO4-）Cl-HCO3-HSiO3-據(jù)此，可以推知，OH離子交換樹脂對于水中常見陰離子的選擇性順序，遵循以下三條規(guī)律：1）在強弱酸混合的溶液中，OH離子交換樹脂易吸取強酸的陰離子；2）濃溶液與稀溶液相比，前者利于低價離子被吸取，后者利于高價離子；3）在濃度和價數(shù)

20、等條件相同的情況下，選擇性系數(shù)大的易被吸取。三、離子交換樹脂工藝性能1工作交換容量（1）基本概念工作交換容量是指在一定條件下，一個交換周期中單位體積樹脂實現(xiàn)的離子交換量，即從再生型離子交換基團變?yōu)槭突鶊F的量。它可以用下式計算：q工 = q v (R 初R殘)式中：q工樹脂工作交換容量，mmol/L；qv樹脂體積全交換容量，mmol/L；R初整個樹脂層平均初始再生度；R殘整個樹脂層平均殘余再生度。樹脂的工作交換容量除了和樹脂本身的性能有關(guān)以外，還和工作條件有關(guān)。工作條件包括下列內(nèi)容：樹脂開始工作的狀態(tài)，即樹脂的再生度。對給定的樹脂層，再生度與再生前樹脂層的離子成分及分布情況有關(guān)，也與再生條件

21、（再生劑種類、濃度、用量、再生液溫度、流速、配制再生液用水質(zhì)量等）有關(guān)。（2）影響工作交換容量的因素1）影響R初的因素它包括水源的成分、雜質(zhì)濃度、溫度、流速及對出水水質(zhì)要求、樹脂層高度、運行方式、設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性等。a樹脂的酸堿性 弱型樹脂對氫離子或氫氧根離子的親和力最大，所以它的再生度比較高；強型樹脂則相反，再生度較低。型強堿樹脂的堿性比型強堿樹脂的弱，所以在一般再生狀況下，它的再生度較高，初始容量也較高。b再生劑用量 再生劑用量越大，樹脂的再生度越高，但隨著再生劑用量的增大，再生度增加的幅度越來越小，最后趨于平穩(wěn)。c再生劑純度 樹脂再生度與再生劑的純度有關(guān)。從離子交換平衡可知，再生劑純度越

22、高，再生度也越高。d再生液溫度 再生液的溫度會影響選擇性系數(shù)和離子交換的速度，從而影響再生度。強堿樹脂的再生溫度還會影響硅的聚結(jié)程度，從而影響其再生程度。e再生液流速 為了保證樹脂和再生液有足夠的接觸時間，必須限制再生液流速。為了防止在再生過程析出硫酸鈣沉淀和產(chǎn)生膠體硅，又必須保證足夠的再生液流速（為此，往往降低再生液濃度，以保證足夠的再生時間和再生流速）。f再生液濃度 在保證足夠的再生時間，且不會析出沉淀和形成膠硅的情況下，較濃的再生液對樹脂獲得較高的再生度是有利的。g失效樹脂的離子組成 不同離子的選擇性不同，在同樣再生條件下，失效樹脂的離子組成不同，再生度也不同。2）影響R殘的因素 水中離

23、子總量 水中欲被去除的離子總量越大，工作層高度越高，殘留再生度也越高。 水中離子組成 欲被去除的離子和樹脂的親和力越大，樹脂殘留容量就越低。這對再生不利，因此，對于一定的工藝（如逆流、順流）和一定的再生工況，水中反離子的組成在某一比例下有最大的交換容量。同名離子（和欲被去除離子電荷相反的離子）中能和樹脂上取代下來離子形成解離物質(zhì)的離子（如HCO3-、H+）比例越大，越有利于交換，殘留容量就越小。 運行流速 根據(jù)離子交換速度可知，運行流速對弱型樹脂的離子交換過程影響較大，其工作層高度隨流速的提高而增加，因而殘留容量也隨著增加。強型樹脂的殘留容量受流速影響較小。 運行水溫 和運行流速一樣，溫度對弱

24、型樹脂的離子交換影響較大，運行水溫越高，殘留容量就越低。3) 樹脂層高度從整個樹脂層看，殘留容量的分布是不均勻的。出水端處工作層內(nèi)樹脂的殘留容量最多。在一定條件下運行時，工作層高度和樹脂層高度有關(guān)。因此，樹脂層高度越大，工作交換容量就越大。4)樹脂的性質(zhì)除了樹脂層高度以外，上述的每一項都和樹脂本身的性質(zhì)有關(guān)，它包括樹脂的體積全交換容量、選擇性系數(shù)和動力學(xué)性質(zhì)（這些均已在前面作過介紹）。僅就一對離子的交換而言，樹脂的工作交換容量就受到上述諸因素的影響，其中有些影響尚不能用一個簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系表示，而各因素又互相交叉影響。當(dāng)有幾種離子同時發(fā)生離子交換，以及交換結(jié)果形成難解離物質(zhì)，則離子交換現(xiàn)象變得很

25、復(fù)雜。在實際運行中，離子交換設(shè)備還會出現(xiàn)水流分布不均的現(xiàn)象，同一層面上各點的樹脂再生度和失效度也不同。樹脂在使用一段時間后，其性能會發(fā)生一定的變化或受到一定程度的污染。這些都使得很難對離子交換樹脂的工作交換容量作定量的描述。5) 標(biāo)準(zhǔn)條件下測定結(jié)果根據(jù)以上所述，在不同條件下測定的工作交換容量沒有可比性，只有在一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)條件下（如ASTM 所規(guī)定的統(tǒng)一條件）測定的工作交換容量才具有可比性，才能用于比較不同生產(chǎn)廠的產(chǎn)品。表4-4介紹某些樹脂在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下測得的工作交換容量值。表4-4 離子交換樹脂工作交換容量參考指標(biāo)樹脂牌號工作交換容量mmol/L測定方法001×7>1350A

26、STM1782D001>1200ASTM1782201×7>500ASTM3087201×4>600ASTM3087D201>450ASTM3087202>850ASTM3087D202>650ASTM3087D301>1050ASTM3087D111>2000進水硬度與堿度比>1、運行終點漏過堿度10%，再生用酸量200g/LHClD113>1600同D111、再生用酸量250g/LHCl2再生劑耗、比耗樹脂失效后，用相應(yīng)的鹽、酸或堿再生以恢復(fù)其工作能力。一般用再生劑耗（通常分別稱為鹽耗、酸耗或堿耗）、比耗來衡量

27、樹脂再生能力。再生離子交換過程也受樹脂對各種離子的選擇性和它的動力學(xué)性能影響，容易再生和再生速度快的樹脂耗用的再生劑量較小。根據(jù)離子交換的選擇性可知，用酸或堿再生弱型樹脂時反應(yīng)容易進行，耗用的再生劑少。強型樹脂的再生效果，和再生工藝關(guān)系很大，和失效樹脂中高價離子比例有關(guān)。這些情況都可以從再生劑耗或比耗反映出來。在失效的樹脂中再生每摩爾交換基團所耗用的再生劑質(zhì)量（g）稱為再生劑耗（單位為g/mol）。 在樹脂中再生每摩爾交換基團所耗用的HCl或NaOH的摩爾數(shù)稱為比耗（單位是mol/mol），通常以無量綱形式表示。理論上再生1 mol的失效型交換基團應(yīng)耗用1 mol的NaOH、HCl。因此，比耗

28、表示了再生劑實際用量是理論用量的倍數(shù)。顯然，在用HCl和NaOH再生時，比耗越接近于1，再生效率越高。當(dāng)采用多元酸（H2SO4）或多元堿來分別再生有離子交換樹脂或陰離子交換樹脂時，由于再生液濃度較高，她們不能按理論值離解出全部H+或OH-來。如1molH2SO4并不一定解離出2mol的H+，實際解離出來的H+量是一個變值（隨再生工況而變）。通常將H2SO4作二級解離來計算，結(jié)果硫酸再生的比耗往往高于鹽酸再生的比耗。但這并不能說明硫酸再生能力低于鹽酸。根據(jù)以上原因，一元酸、堿與多元酸、堿的比耗是不能類比的。再生時耗用的再生劑量是很容易計算的。如以采用酸、堿計量箱的再生系統(tǒng)為例，若計量箱中再生液的

29、濃度為c（%）每次再生用再生液的體積為V(m3)，則耗用再生劑量(M)為：M = c×V×d式中：d再生劑溶液密度，Kg/m3。但要計算再生的交換基團量是十分困難的，直接測定再生時從交換基團上再生下來的離子量也是困難而復(fù)雜的。如果樹脂的再生和交換過程達到穩(wěn)定工況，即一周期交換量和前后兩周期交換量相等時，則樹脂在一周期中吸收的離子必定被全部排代交換下來。下周期吸收的離子量，必定是上周期被取代下來的離子量。此時，單位體積中得到再生的交換基團量必等于工作交換容量（這樣不用測定再生排代量就可以求出再生基團量）。顯然，當(dāng)離子交換過程處于不穩(wěn)定工況時，不能采用這種方法（而不穩(wěn)定工況的再

30、生劑耗比耗是沒什么實用意義的）。根據(jù)以上所述，計算再生劑耗的公式為： 式中：R再生劑耗，g/mol； M周期再生劑用量，g； q工工作交換容量，mol/m3； VR樹脂體積，m3。比耗的計算公式為：Ro = R/Mo(1.63)式中：Ro比耗，mol/ mol （或無量綱）； R再生劑耗，g/mol；Mo再生劑摩爾質(zhì)量數(shù)，g/mol。所謂再生劑摩爾質(zhì)量數(shù)是指能生成1摩爾的H、OH、Na等的再生劑質(zhì)量。根據(jù)上述，對多元酸或多元堿（按其全部解離計算），硫酸再生劑摩爾質(zhì)量數(shù)是49 g/mol（不是硫酸摩爾質(zhì)量數(shù)）；鹽酸、氫氧化鈉的再生劑摩爾質(zhì)量數(shù)分別為36.5和40 g/mol；其余類推。在一般情況

31、下，各種樹脂的再生劑耗、比耗如表4-5所示。表4-5 各種離子交換樹脂的再生劑耗和比耗（供參考）樹脂再生工藝再生劑耗g/mol比耗強酸性陽離子交換樹脂順流NaCl 100200HCl 73H2SO4 100150NaCl 2HCl 2H2SO4 23對流NaCl 180100HCl 5055H2SO4 70NaCl 1.4HCl 1.41.5H2SO4 1.9弱酸性陽樹脂HCl 3844HCl 1.051.2強堿性陰樹脂順流8012023對流液堿6065固堿4860液堿1.51.6固堿1.21.4弱堿性陰離子交換樹脂44481.11.23自用水率整個離子交換周期包括反洗、再生、清洗和交換等過程

32、。根據(jù)床層干凈程度，定期或不定期的反洗，要耗用一定量的水。再生時要耗用一定量的水來配再生劑溶液，置換時也要耗用相當(dāng)于床層12倍體積的水，清洗時還要耗用更多的水。每周期耗用的這些水量的和與周期制水量的比，稱為離子交換設(shè)備的自用水率。其中清洗用水量最大，它和樹脂的性能有直接的關(guān)系。所以自用水率也表示了樹脂的一種性能。新品種樹脂在投入使用前，必須測定自用水率。自用水中再生和置換用水量是比較小的，一般可計算而得。但清洗用水量和樹脂結(jié)構(gòu)及樹脂污染情況等有關(guān)，是一個變值，需實際測定。一般說來，陽離子交換樹脂清洗用水量較少，清洗時間約為20min；陰樹脂清洗用水量較大，清洗時間約為40min。自用水率計算公

33、式如下：式中：RW樹脂自用水率，%；W1配制再生液用水量，m3；W2置換用水量，m3；W3清洗用水量，m3；W4反洗用水量，m3；QT周期制水量，m3。各種用水量計算公式為：W2=VR×n W3=Q工×t1 W4=Q2×t2式中：Q工樹脂工作交換容量，mol/m3；VR樹脂體積，m3R再生劑耗，g/mol；c1再生液質(zhì)量百分濃度，%；c2濃再生液的百分含量（以質(zhì)量百分數(shù)計），%；d水的密度，g/mL；n設(shè)計置換水倍率；Q1清洗水流量，m3/h；Q2反洗水流量，m3/h；t1清洗時間，h；t2反洗時間，h。如果不是每周期都進行反洗，則每次反洗用水量按周期數(shù)平均分配計

34、算。當(dāng)離子交換設(shè)備完好時，如發(fā)現(xiàn)清洗水用量逐漸增大，這是樹脂性能劣化的一種反映（它表示樹脂受到污染或有其它樹脂的混雜）。通常以清洗時間長短來判斷清洗水用量的情況。在設(shè)計水處理系統(tǒng)時，必須考慮各級設(shè)備的自用水量。從考慮整個水處理系統(tǒng)時，前級設(shè)備總制水量不但包括陽床本身用水，還包括后級設(shè)備用水，計算設(shè)備制水量時必須考慮自用水量。各種設(shè)備自用水的種類（如清水、氫交換水、除鹽水）和離子交換工藝有關(guān)。系統(tǒng)的各種自用水率的定義及計算方法可從有關(guān)水處理書籍查找。四、離子交換樹脂的使用方法 1存放離子交換樹脂不能露天存放，存放處的溫度為0-40。當(dāng)存放處溫度稍低于0時，應(yīng)向包裝內(nèi)加入澄清的飽和食鹽水、浸泡樹脂

35、。此外，當(dāng)存放處溫度過高時，樹脂容易脫水，還會加速陰樹脂的降解。一旦樹脂失水，使用時不能直接加水（這會引起樹脂破裂，尤其是凝脫型樹脂），可用澄清的飽和食鹽水浸泡，然后再逐步加水稀釋、洗去鹽分，貯存期間應(yīng)使其保持濕潤。長時期存放的樹脂，應(yīng)定期檢查其是否失水。強堿陰樹脂不宜長期存放，即使貯存處溫度低于40，也會有所降解，有胺釋放出來。存放處應(yīng)有通風(fēng)設(shè)施。離子交換樹脂應(yīng)分類存放，并有明顯的標(biāo)志。一種樹脂不能改裝在另一類樹脂的包裝容器內(nèi)，否則應(yīng)清除原有標(biāo)志，增添永久性的新標(biāo)志。一旦標(biāo)志模糊或失落，必須進行鑒別，重新標(biāo)志。2裝填在向離子交換設(shè)備內(nèi)裝樹脂前，必須做好下列準(zhǔn)備工作：（1）徹底清掃設(shè)備；（2）

36、各通流部位經(jīng)過檢查，確認安裝可靠，不跑漏樹脂；（3）水壓試驗合格；（4）測定正常流速下設(shè)備的壓差，為測定樹脂層壓差作好準(zhǔn)備；（5）計算應(yīng)裝樹脂數(shù)量時，應(yīng)考慮到樹脂離子型及可逆膨脹。一般裝填量寧少勿多。因為少裝可補裝，多裝的樹脂取出后，往往因無法抽濾除去多余水分而難以貯存。當(dāng)用水力裝卸器裝填樹脂時，事先要仔細清洗裝卸器，防止異類樹脂混入。用澄清水裝填陽樹脂，用除鹽水裝填陰樹脂。在裝入樹脂前先往交換器內(nèi)裝入1m左右的水層，樹脂從上進脂口進入設(shè)備時就不會直接沖擊底部裝置和墊層。按設(shè)計數(shù)量裝完樹脂后，測量層高，在符合要求后封閉設(shè)備。對樹脂層進行反洗、沉降、排水、打開設(shè)備，平整樹脂層，將漂至樹脂層上的細

37、顆粒樹脂刮去。對于大孔樹脂，尤其是弱酸樹脂，還應(yīng)檢查有否軟球和透明球，它們易粘在通流部位上，即使數(shù)量很少，也會影響正常使用，必須在使用前除去。經(jīng)除去細顆粒和異樣顆粒以后，還應(yīng)補入相應(yīng)數(shù)量的樹脂，保證層高符合設(shè)備要求。3投運前的處理在正式投運前應(yīng)對樹脂進行預(yù)處理，最好的辦法是用酸堿反復(fù)處理兩次，即按樹脂床層體積的5倍量通過1mol/l的酸和堿（要注意轉(zhuǎn)型膨脹對設(shè)備的損害。當(dāng)用硫酸時要加大流量，防止結(jié)硫酸鈣），在進酸堿之間，必須用水洗至中性。若設(shè)備和系統(tǒng)不能進行酸堿處理時，可將樹脂再生兩次，清洗干凈后投入使用。如果處理不徹底，初期運行的幾個周期出水水質(zhì)較差，以后才達到正常的出水指標(biāo)。五、樹脂使用中

38、可能出現(xiàn)問題1反洗流失 反洗流量過大或反洗操作失常，會發(fā)生樹脂流失，在地溝及廢水池中常發(fā)現(xiàn)有大量樹脂。2通流部位損壞 樹脂從設(shè)備中漏出，進入后級設(shè)備或供水系統(tǒng)，造成后級設(shè)備運行困難，出水水質(zhì)惡化。 3樹脂分層不清 雙層床和混床都要求兩種樹脂能很好地分層，否則會降低雙層床的制水量和出水水質(zhì)。嚴重時，使出水大不到要求的指標(biāo)。發(fā)生混脂現(xiàn)象的原因很多，主要有下列幾種情況：（1）操作和設(shè)備問題。當(dāng)水流不均勻發(fā)生偏流（可能由于局部通流面積的損壞或污堵）和反洗操作不當(dāng)時，樹脂分層不佳，應(yīng)該檢查設(shè)備或重新操作。（2）上層樹脂受污染，使其密度增大。弱酸樹脂層被鐵污染、結(jié)鈣垢等，弱堿陰樹脂（雙層床）和強堿陰樹脂（

39、混床）被有機物污染等都會是陰樹脂密度增大，影響分層效果。（3）下層樹脂破碎，碎塊樹脂不易和上層樹脂分層，此時應(yīng)通過鹽水使他們分離，并除去碎塊樹脂。（4）必須在裝入新樹脂前經(jīng)過小型試驗和測定顆粒沉降速度，驗證選用樹脂的粒度和密度是否適于水力分層，并在裝樹脂時除去細顆粒樹脂。4濁度對陽樹脂的污染 進水濁度超出要求或直流凝聚發(fā)生沉淀現(xiàn)象，有較多的懸浮物進入第一級離子交換器時，會發(fā)生污染樹脂現(xiàn)象。這些懸浮物往往含有凝聚劑，一般是高價金屬離子的鹽。這些懸浮物較難在再生和反洗時除去，往往要用大流量水反洗（但應(yīng)防止樹脂流失）、空氣擦洗和熱濃鹽酸溶液溶解等方法清除。5結(jié)硫酸鈣沉淀 當(dāng)用硫酸再生陽樹脂時，如果硫

40、酸濃度過高和流速過慢，會發(fā)生硫酸鈣沉積在樹脂顆粒表面上，導(dǎo)致出水有硬度。此時可用鹽酸再生一次，將沉積的硫酸溶解，或及時用大量的水沖洗。6. 熱降解正常一級除鹽水處理系統(tǒng)中的水溫是不高的（即使我國南放地區(qū)夏季水溫最高也不超過40），原則上不會引起型強堿陰樹脂的嚴重降解。但由于冷卻效果不佳，凝結(jié)水溫可高達60左右，這對混床陰樹脂很不利。強堿樹脂長時間在較高溫度下工作，會發(fā)生降解，強堿基團損失使基除硅能力下降；同時其除硅能力也比低水溫時的差，結(jié)果出水含硅量增加。型強堿陰樹脂容量易發(fā)生熱降解，實際使用情況證明，型強堿樹脂強堿基團損失情況僅占20%，而型強堿樹脂這種情況卻高達50%左右，這說明，雖然在低

41、于40的水溫下使用，由于型強堿樹脂的熱穩(wěn)定性差，其降解問題也不容忽視。六、離子交換樹脂在設(shè)備停運期間的保護在設(shè)備停運期間要保護離子交換樹脂免受損壞。在水處理設(shè)備重新啟動時，要對樹脂作適當(dāng)處理，使設(shè)備能正常投入使用。一般來說，短期停運的離子交換設(shè)備，不需要采取特別措施。設(shè)備正常的幾天停運，不會對離子交換樹脂有損害，但以失效態(tài)停運為好。強堿樹脂以再生態(tài)停運還容易引起降解，長期停用，必須考慮有適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施防止樹脂失水和受凍，還要防止樹脂發(fā)霉和細菌繁殖。樹脂及吸附的有機物是細菌繁殖的良好環(huán)境，應(yīng)該定期地用水沖洗來保護樹脂的清潔。也可用1%左右的甲醛溶液浸泡樹脂，以避免細菌繁殖，在啟用前必須進行清洗。

42、當(dāng)用離子交換水供食用時，要特別小心清洗。長期停運的樹脂都應(yīng)采用失效狀態(tài)備用，并將設(shè)備壓力釋放。當(dāng)發(fā)現(xiàn)樹脂發(fā)霉長菌時，可先用空氣擦洗和水清洗方法除去一部分污物，然后再生1%左右的甲醛溶液殺菌。甲醛溶液浸泡時間為510h，用清水洗至出水中甲醛含量小于0.1mg/L。清洗水量約為1015床層體積，清洗流量為每小時5倍的床層體積。七、離子交換樹脂的性能定期檢查離子交換樹脂的性能是逐漸下降的，如果周期水量突然下降和出水水質(zhì)突然惡化，一般不應(yīng)是樹脂的問題，主要應(yīng)從設(shè)備、操作、進水水質(zhì)及再生劑方面找原因。由于設(shè)備損壞和反洗操作不當(dāng)使樹脂突然大量損失的情況也有發(fā)生，這很容易從樹脂層高度明顯降低檢查出來。定期檢

43、查離子交換樹脂，可以了解設(shè)備工作性能下降的趨勢和制水量減少、出水水質(zhì)變差的原因，還可以預(yù)測樹脂的壽命，確定樹脂是否須要復(fù)蘇的方法。從離子交換樹脂性能下降趨勢，還可以驗證樹脂品種和質(zhì)量選擇得是否合理。所以，離子交換樹脂定期檢查工作是水處理化驗工作的一個重要組成部分。離子交換樹脂的分析項目較多，分析周期比較長，也由于樹脂質(zhì)量是漸變的，因此不需要經(jīng)常性地監(jiān)測。取樣分析樹脂的周期，一般半年或一年一次，從逐年積累的分析數(shù)據(jù)中找出樹脂性能變化的規(guī)律。新樹脂必須進行全面分析并留樣；分析結(jié)果要和產(chǎn)品說明書對照，并存檔保存。定期取樣的樹脂也應(yīng)留樣。八、離子交換樹脂的補充設(shè)備中離子交換樹脂的數(shù)量是會發(fā)生變化的，經(jīng)

44、常碰到的是設(shè)備內(nèi)樹脂減少，但也曾有過在使用一段時間后樹脂積增多情況。這可能是因為：（1）前級樹脂漏入后級設(shè)備；（2）樹脂氧化斷鏈，使之含水量增加，體積膨脹。發(fā)現(xiàn)這種情況時，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，查出原因給予消除和補救。補充的樹脂一般要和原樹脂的性能相同，同一牌號的、性能更加好的樹脂。如果多臺設(shè)備要補充樹脂時，最好將其中一臺設(shè)備的樹脂分別補充到別的設(shè)備中，在該臺設(shè)備中全部裝填新樹脂。這樣，只有這臺設(shè)備出水有一個穩(wěn)定質(zhì)量的過程，并可繼續(xù)定期監(jiān)視原用樹脂性能下降情況。一般不要將不同牌號、不同制造廠的樹脂裝在一個交換器內(nèi)。九、樹脂的變質(zhì)和污染在離子交換水處理系統(tǒng)的運行過程中，各種離子交換樹脂常常會漸漸改

45、變其性能。原因有二：一是樹脂的本質(zhì)改變了，即其化學(xué)結(jié)構(gòu)受到破壞；二是外來雜質(zhì)的污染。由前一種情況造成的樹脂性能的改變，是無法恢復(fù)的；由后一種情況所造成的樹脂性能的改變，則可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┫@些污物，從而使樹脂性能復(fù)原或改進。1.變質(zhì) （1）陽樹脂 陽樹脂在應(yīng)用中變質(zhì)的主要原因是由于水中的氧化劑，如游離氯、硝酸根等；當(dāng)溫度高時，樹脂受氧化劑的侵蝕更為嚴重，若水中有重金屬離子，則能起催化作用。 關(guān)于陽樹脂氧化過程，現(xiàn)尚不完全清楚。一般認為樹脂氧化結(jié)果，使苯環(huán)間碳鏈斷開，并形成羧酸和酮。 陽樹脂氧化后發(fā)生的現(xiàn)象為：顏色變淺，樹脂體積變大，因此易碎和體積交換容量降低，但質(zhì)量交換容量變化不大。 實踐

46、證明：強酸H樹脂受侵害程度最為強烈，如當(dāng)進水中含有0.5mg/LCl2時，只要運行46個月，樹脂就有顯著變化。 磺酸基陽樹脂的碳鏈氧化產(chǎn)物，由樹脂上脫落下來變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì)，還含有弱酸基。當(dāng)它進入陰離子交換器，會首先被陰樹脂吸附，使水質(zhì)降低。 除去水中游離氯常用兩種方法：一是用活性碳過濾器，另一種是加亞硫酸鈉。 （2）陰樹脂 總的來說，陰樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性比陽樹脂差，所以它對氧化劑和高溫的抵抗力也較差。但由于在除鹽系統(tǒng)中，陰離子設(shè)在陽離子交換器之后，故受害較輕；一般只是溶于水中的氧對陰樹脂起破壞作用。 陰樹脂最易遭受侵害的部位是其分子中的的氮。如強堿性陰樹脂受侵害時，季氮逐漸變?yōu)槭?、仲、伯氮，使堿性減弱，最后降為非堿性物質(zhì)。所以，強堿陰樹脂在氧化變質(zhì)過程中，表現(xiàn)出來的是交換基團的總量和強堿性交換基團的數(shù)量逐漸減少，且后者大于前者。這是因為陰樹脂被氧化初期，季胺基團在大多數(shù)情況下，變成能進行陰離子交換的弱堿性基團。 II型強堿性樹脂比I型易受氧化。 運行時提高水溫會使樹脂氧化速度加快。 2.污染原因及處理方法 （1）陽樹脂 陽樹脂會受到進水中的懸浮物、鐵、鋁、油脂類CaSO4等物質(zhì)污染。在除鹽系統(tǒng)中用的陽樹脂受鐵、鋁污染的可能性很小，因為以酸作再生劑能很好地溶解和清除鐵、鋁的沉積物。采用硫酸作再生劑時，可能會有硫酸鈣沉積在樹脂表