离子交换树脂的理化性能及使用指南

一 离子交换树脂的物理性能一 离子交换树脂的物理性能 1 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 目前各种产品标准外观指标见表 4 1 表表 4 14 1 水处理用离子交换树脂外观水处理用离子交换树脂外观 树脂类别常 见 外 观树脂类别常 见 外 观 001 7 棕黄色至棕褐色透明球状颗粒 D201 乳白色或浅灰色不透明球状颗 粒 002 棕黄色至棕褐色透明球状颗粒 D202 乳白色或浅灰色不透明球状颗 粒 D001 浅棕色不透明球状颗粒 D301 乳白色或浅黄色不透明球状颗 粒 D111 乳白色或浅黄色不透明球状颗粒 FB 乳白色不透明球状颗粒 D113 乳白色或浅黄色不透明球状颗粒 YB 无色透明球状颗粒 201 4 浅黄色或金黄色透明球状颗粒 S TR 黄色或浅褐色球状颗粒 201 7 浅黄色或金黄色透明球状颗粒 2 水溶性浸出物 将新树脂样品浸泡在水中 经过一定时间以后 可以在水中发现从树脂中浸出许多水 溶性杂质 最明显的是聚苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂 一般只要有几天时间 浸泡树 脂的水就呈棕色 时间越长颜色越深 水的颜色一般是由生产中残留的低聚物和化工原料 形成 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 其中主要有胺类和钠 水溶性浸出物 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 食品工业 核工业等对树脂的水溶性浸出物有一定的限制 随着人们对水质的不断提 高 对一般工业所使用的树脂的水溶性浸出物允许量也会有所限制 近年来 人们愈来愈重视强酸性阳离子交换树脂水溶性浸出物的危害 并要求对其进行定 量测定 因此 在新树脂投入使用初期 最好先进行 1 至 2 周期的试运行 尽量清洗树脂 中的水溶性浸出物 在使用一段时间后 可取出阳树脂 进行水溶性浸出物的测定 以了 解对阴树脂的污染状况 3 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 一定离子型的离子交换树脂颗粒内的含水量是树脂产品固有的性质之一 它用单位质 量的 经一定方法除去外部水分后的湿树脂颗粒内所含水分的百分数来表示 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 将干态的离子交换树脂颗粒放在水中 它就会不断地汲取水分 一定时间后 其吸收 的水量达到稳定值 此时的含水量称为平衡含水量 平衡含水量和树脂本身的状态有关 通常称平衡含水量为 含水量 吸收了平衡含水量的树脂颗粒离开水环境置于空气中 颗 粒表面还会附有一薄层水膜 树脂颗粒内仍含平衡水量 显然 水膜是树脂颗粒离开水环 境时的机械携带 其厚度主要取决于树脂表面性质 水的粘度 颗粒和水相对运动的速度 另外树脂颗粒之间的空隙也会夹带水分 但是当树脂的水膜不断蒸发 水膜的完整性遭破 坏时 内部水分就要逸出 久之就变为干树脂 由于树脂颗粒内外水分无法分离 如何除 去膜外水及水膜水 而又能保持内部水分不损失是测定树脂含水量的关键 1 常用凝胶型强酸性阳离子交换树脂的含水量波动较小 各地产品大致相同 工艺较 稳定 2 国产苯乙烯系阴离子交换树脂 201 4 201 7 含水量的差别比较大 这是各厂产 品交换容量相差较大 反应时形成的副交联程度不同等原因所致 3 大孔树脂含水量要比相同交联度凝胶型树脂的含水量高 大孔树脂的孔隙度没有明 确规定 因此含水量有较大的差别 如特大孔的 Amberlite IRA 938 强碱性阴离子交换树 脂的含水量可达 80 氢氧型 左右 而同类的凝胶型树脂含水量为 56 左右 含水量越高 越有利于离子扩散 含水量越低 体积全交换容量越高 4 同种树脂含水量随离子型态的不同而不同 一种基团带有不同离子时 其结合水的 能力不同 树脂含水量就不同 因此在表示树脂含水量时 必须指明离子型态 4 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 所谓湿态离子交换树脂 是指吸收了平衡水量并除去外部游离水分后的树脂 为使各 种密度的测定结果有可比性 在测定样品时都应使之处于这种湿状态 真体积是指离子交 换树脂颗粒本身的固有体积 它不包括颗粒间的空隙体积 视体积是指离子交换树脂以紧 密的无规律排列方式在量器中占有的体积 它包括颗粒间的空隙体积和树脂颗粒本身的固 有体积 5 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 未经筛分的样品中 各种粒径的白球所占体积百分数一般呈 正态分布函数关系 分布曲线是对称的 如果在正态概率座标纸上作图 其粒径和体积累 计百分数的关系是一直线 经过筛分的树脂 其粒径分布就不呈正态函数形式 在正态概 率座标纸上 其粒径和体积累积百分数的关系就不是直线 在一般情况下 树脂颗粒的粒径是连续分布的 不能用一个简单的数来描述这种粒径 的大小 仅规定粒径范围 如 0 3mm 1 2mm 的颗粒体积占全部体积的 95 以上 是不合理 的 因为在这样粒径范围内可能有大部分树脂的颗粒粒径为 0 3mm 0 6mm 也可能为 0 6mm 1 0mm 这两种情况都符合规定的范围 但颗粒大小相差甚远 为了正确说明商品用离子交换树脂的颗粒大小 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 6 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 7 不可逆膨胀和转型膨胀 新离子交换树脂的体积是不稳定的 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 影响树脂不可逆膨胀的因素 主要是树脂制造工艺的后处理 如后处理时间较长 转 型和清洗又比较充分 则不可逆膨胀就比较小 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是引起树脂转型体积变化的原因 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 8 耐热性与抗氧化性 1 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 如 型强碱性阴离子 交换树脂耐热性差 说明其受热后的强碱基团易降解或脱落 使交换容量下降 碱性降低 影响使用效果 通过对耐热性的研究 可以确定 树脂长期使用的允许温度 不同离子型态时树脂耐热性的差别 树脂结构和耐热性关系 热分解产物 2 抗氧化性 由苯乙烯和二乙烯苯交联的共聚物受氧化剂作用时是比较稳定的 强酸性阳离子交换 树脂在 3 H2O 内 含 Fe3 加热至 70 经 24h 后发现质量有所损失 损失的量和交联度 有关 在交联 1 时 损失 62 在交联 2 时 损失 46 在交联为 8 时 损失 11 6 这 说明了交联度对树脂抗氧化性能有很大的关系 即交联度越高 树脂的抗氧化性越好 水中的重金属离子是氧化降解的催化剂 尤其是铁和铜 强酸性阳离子交换树脂氧化产生的低分子有机磺酸 水溶性的 可以从树脂中溶出 随水而进入后续阴床 污染阴树脂 在水处理系统中 最容易遭受氧化的是第一级阳离子 交换树脂 因此对进入除盐系统的水中含氯量有所规定 强碱性阴树脂也易遭受氧化 但 进水中游离氯主要在第一级阳树脂交换器中即被吸收 因而它受氧化的现象较小 二 离子交换树脂的化学性能二 离子交换树脂的化学性能 1 交换容量 1 质量全交换容量 通常称质量全交换容量为全交换容量 它表示的是单位质量树脂所具有的全部交换基 团的数量 它是离子交换树脂固有性质的一个重要指标 反映在实际使用中可交换离子量 的极限值 质量全交换容量是指干基交换容量 单位为 mmol g 离子交换树脂质量全交换容量是由其本身结构决定的 和外界条件无关 2 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 湿态体积全交换容量和干基质量全交换容量有如下关系 sv dxqq 1 式中 qv 体积全交换容量 湿态 q 质量全交换容量 干基 x 含水量 ds 湿视密度 3 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 4 平衡交换容量 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 平衡交换容量和平衡条件有关 它不是一个恒定值 平衡条件不同 平衡交换容量就 不同 在同一条件下 不同树脂的平衡交换容量也不同 它反映了树脂化学性能的不同 5 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 例如 1 摩尔的离子交换基 团 RSO3Na 的质量为 x 约为 222g 则当它变为 RSO3H 时 即交换基团中的钠离子被氢离 子所取代 质量减少为 x 23 1 g 约为 200g 在计算单位质量 如 1000g 树脂中 交换基团的量时 显然由于反离子不同 其交换容量不同 前者约为 4 5mmol g 钠型 后者约为 5 0mmol g 氢型 在计算树脂交换基团时必须注意其离子型态 2 阳离子交换树脂交换容量 常用的强酸性阳离子交换树脂是聚苯乙烯骨架经磺化反应而得 反应后苯环上接上磺 酸基 SO3H 可能含有少量的弱酸基 COOH 常用的弱酸树脂是聚丙稀酸甲酯经水解反应而 得 反应后聚合物上酯基变为羧酸基 COOH 但不会带有磺酸基 因此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 按上述原理制订的方法测定了一些阳树脂的交换容量 结果见表 4 2 表表 4 24 2 阳树脂交换容量测定结果阳树脂交换容量测定结果 mmol mmol g g 树脂牌号全交换容量强酸基团容 量 弱酸基团容量 001 75 094 990 10 001 104 944 830 11 001 14 54 734 560 17 D001 164 364 640 22 D11311 36 11 36 表 3 13 数据表明 同类树脂 001 7 001 10 001 14 5 的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 3 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 表 4 3 列举了一些阴树脂测定结果 可以看出 1 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 表表 4 34 3 常用阴树脂交换容量测定结果常用阴树脂交换容量测定结果 mmol gmmol g 干 干 树脂牌号全交换容量 强碱基团容 量 弱碱基团容量 201 7 1 201 7 2 3 93 3 45 3 80 3 25 0 13 0 20 D301 1 D301 4 4 59 5 10 0 62 0 53 3 97 4 57 D201 4 303 730 57 AmberliteIRA4024 34 240 06 AmberliteIRA4103 633 150 48 AmberliteIRA 934 760 234 53 BtratabedIRA 935 210 394 82 4 离子交换的选择性顺序 在离子交换水处理的实际应用中 我们常常需要知道在许多离子的混合液中哪一种离 子易被吸取 哪一种离子较难被吸取的次序 即所谓选择性顺序 此种性能与它们呈离子 交换平衡时的相对量有关 对于阳离子交换来说 此种顺序的规律性比较明显 在稀溶液中 常见阳离子的选择 性顺序如下 Fe3 Al3 Ca2 Mg2 K NH4 Na H 这可归纳为两个规律 离子所带电荷量愈大 愈易被吸取 当离子所带电荷量相同时 离子水合半径较小的易被吸取 H 的位置向前移动 例如羧酸型树脂对 H 的选择性 居于 Fe3 之前 对于弱酸性阳树脂 在浓溶液中 选择性顺序有一些不同 某些低价离子会居于高价 离子前 至于阴离子交换的选择性顺序 情况要比阳子交换复杂 通过研究得知 在淡水的离 子交换除盐处理系统中 即进水是稀溶液时 阴子的选择性顺序为 SO43 HSO4 Cl HCO3 HSiO3 据此 可以推知 OH 离子交换树脂对于水中常见阴离子的选择性顺序 遵循以下三条 规律 1 在强弱酸混合的溶液中 OH 离子交换树脂易吸取强酸的阴离子 2 浓溶液与稀溶液相比 前者利于低价离子被吸取 后者利于高价离子 3 在浓度和价数等条件相同的情况下 选择性系数大的易被吸取 三 离子交换树脂工艺性能三 离子交换树脂工艺性能 1 工作交换容量 1 基本概念 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 树脂的工作交换容量除了和树脂本身的性能有关以外 还和工作条件有关 工作条件 包括下列内容 树脂开始工作的状态 即树脂的再生度 对给定的树脂层 再生度与再生前树脂层的 离子成分及分布情况有关 也与再生条件 再生剂种类 浓度 用量 再生液温度 流速 配制再生液用水质量等 有关 2 影响工作交换容量的因素 1 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 a 树脂的酸碱性 弱型树脂对氢离子或氢氧根离子的亲和力最大 所以它的再生度比 较高 强型树脂则相反 再生度较低 型强碱树脂的碱性比 型强碱树脂的弱 所以在 一般再生状况下 它的再生度较高 初始容量也较高 b 再生剂用量 再生剂用量越大 树脂的再生度越高 但随着再生剂用量的增大 再 生度增加的幅度越来越小 最后趋于平稳 c 再生剂纯度 树脂再生度与再生剂的纯度有关 从离子交换平衡可知 再生剂纯度越 高 再生度也越高 d 再生液温度 再生液的温度会影响选择性系数和离子交换的速度 从而影响再生度 强碱树脂的再生温度还会影响硅的聚结程度 从而影响其再生程度 e 再生液流速 为了保证树脂和再生液有足够的接触时间 必须限制再生液流速 为 了防止在再生过程析出硫酸钙沉淀和产生胶体硅 又必须保证足够的再生液流速 为此 往往降低再生液浓度 以保证足够的再生时间和再生流速 f 再生液浓度 在保证足够的再生时间 且不会析出沉淀和形成胶硅的情况下 较浓 的再生液对树脂获得较高的再生度是有利的 g 失效树脂的离子组成 不同离子的选择性不同 在同样再生条件下 失效树脂的离 子组成不同 再生度也不同 2 影响 R 残的因素 水中离子总量 水中欲被去除的离子总量越大 工作层高度越高 残留再生度也越 高 水中离子组成 欲被去除的离子和树脂的亲和力越大 树脂残留容量就越低 这对 再生不利 因此 对于一定的工艺 如逆流 顺流 和一定的再生工况 水中反离子的组 成在某一比例下有最大的交换容量 同名离子 和欲被去除离子电荷相反的离子 中能和 树脂上取代下来离子形成解离物质的离子 如 HCO3 H 比例越大 越有利于交换 残留 容量就越小 运行流速 根据离子交换速度可知 运行流速对弱型树脂的离子交换过程影响较大 其工作层高度随流速的提高而增加 因而残留容量也随着增加 强型树脂的残留容量受流 速影响较小 运行水温 和运行流速一样 温度对弱型树脂的离子交换影响较大 运行水温越高 残留容量就越低 3 树脂层高度 从整个树脂层看 残留容量的分布是不均匀的 出水端处工作层内树脂的残留容量最 多 在一定条件下运行时 工作层高度和树脂层高度有关 因此 树脂层高度越大 工作 交换容量就越大 4 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 仅就一对离子的交换而言 树脂的工作交换容量就受到上述诸因素的影响 其中有些影响 尚不能用一个简单的数学关系表示 而各因素又互相交叉影响 当有几种离子同时发生离 子交换 以及交换结果形成难解离物质 则离子交换现象变得很复杂 在实际运行中 离 子交换设备还会出现水流分布不均的现象 同一层面上各点的树脂再生度和失效度也不同 树脂在使用一段时间后 其性能会发生一定的变化或受到一定程度的污染 这些都使得很 难对离子交换树脂的工作交换容量作定量的描述 5 标准条件下测定结果 根据以上所述 在不同条件下测定的工作交换容量没有可比性 只有在一个统一标准 条件下 如 ASTM 所规定的统一条件 测定的工作交换容量才具有可比性 才能用于比较 不同生产厂的产品 表 4 4 介绍某些树脂在标准工作条件下测得的工作交换容量值 表表 4 44 4 离子交换树脂工作交换容量参考指标离子交换树脂工作交换容量参考指标 树脂牌号工作交换容量 mmol L测定方法 001 7 1350ASTM1782 D001 1200ASTM1782 201 7 500ASTM3087 201 4 600ASTM3087 D201 450ASTM3087 202 850ASTM3087 D202 650ASTM3087 D301 1050ASTM3087 D111 2000 进水硬度与碱度比 1 运行终点漏过 碱度 10 再生用酸量 200g LHCl D113 1600 同 D111 再生用酸量 250g LHCl 2 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 再生离子交换过程也受树脂对各种离子的选择性和它的动力学性能影响 容易再生和 再生速度快的树脂耗用的再生剂量较小 根据离子交换的选择性可知 用酸或碱再生弱型 树脂时反应容易进行 耗用的再生剂少 强型树脂的再生效果 和再生工艺关系很大 和 失效树脂中高价离子比例有关 这些情况都可以从再生剂耗或比耗反映出来 在失效的树脂中再生每摩尔交换基团所耗用的再生剂质量 g 称为再生剂耗 单位为 g mol 在树脂中再生每摩尔交换基团所耗用的 HCl 或 NaOH 的摩尔数称为比耗 单位是 mol mol 通常以无量纲形式表示 理论上再生 1 mol 的失效型交换基团应耗用 1 mol 的 NaOH HCl 因此 比耗表示了再生剂实际用量是理论用量的倍数 显然 在用 HCl 和 NaOH 再生时 比耗越接近于 1 再生效率越高 当采用多元酸 H2SO4 或多元碱来分别再生有离子交换树脂或阴离子交换树脂时 由 于再生液浓度较高 她们不能按理论值离解出全部 H 或 OH 来 如 1molH2SO4并不一定解离 出 2mol 的 H 实际解离出来的 H 量是一个变值 随再生工况而变 通常将 H2SO4作二级 解离来计算 结果硫酸再生的比耗往往高于盐酸再生的比耗 但这并不能说明硫酸再生能 力低于盐酸 根据以上原因 一元酸 碱与多元酸 碱的比耗是不能类比的 再生时耗用的再生剂量是很容易计算的 如以采用酸 碱计量箱的再生系统为例 若 计量箱中再生液的浓度为 c 每次再生用再生液的体积为 V m3 则耗用再生剂量 M 为 M c V d 式中 d 再生剂溶液密度 Kg m3 但要计算再生的交换基团量是十分困难的 直接测定再生时从交换基团上再生下来的 离子量也是困难而复杂的 如果树脂的再生和交换过程达到稳定工况 即一周期交换量和 前后两周期交换量相等时 则树脂在一周期中吸收的离子必定被全部排代交换下来 下周 期吸收的离子量 必定是上周期被取代下来的离子量 此时 单位体积中得到再生的交换 基团量必等于工作交换容量 这样不用测定再生排代量就可以求出再生基团量 显然 当 离子交换过程处于不稳定工况时 不能采用这种方法 而不稳定工况的再生剂耗比耗是没 什么实用意义的 根据以上所述 计算再生剂耗的公式为 R Vq M R 工 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 1 63 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 所谓再生剂摩尔质量数是指能生成 1 摩尔的 H OH Na 等的再生剂质量 根据上述 对多元酸或多元碱 按其全部解离计算 硫酸再生剂摩尔质量数是 49 g mol 不是硫酸 摩尔质量数 盐酸 氢氧化钠的再生剂摩尔质量数分别为 36 5 和 40 g mol 其余类推 在一般情况下 各种树脂的再生剂耗 比耗如表 4 5 所示 表表 4 54 5 各种离子交换树脂的再生剂耗和比耗 供参考 各种离子交换树脂的再生剂耗和比耗 供参考 树脂再生工艺再生剂耗 g mol比耗 顺流 NaCl 100 200 HCl 73 H2SO4 100 150 NaCl 2 HCl 2 H2SO4 2 3强酸性阳离子交换树 脂 对流 NaCl 180 100 HCl 50 55 H2SO4 70 NaCl 1 4 HCl 1 4 1 5 H2SO4 1 9 弱酸性阳树脂HCl 38 44HCl 1 05 1 2 顺流80 1202 3 强碱性阴树脂 对流 液碱 60 65 固碱 48 60 液碱 1 5 1 6 固碱 1 2 1 4 弱碱性阴离子交换树 脂 44 481 1 1 2 3 自用水率 整个离子交换周期包括反洗 再生 清洗和交换等过程 根据床层干净程度 定期或 不定期的反洗 要耗用一定量的水 再生时要耗用一定量的水来配再生剂溶液 置换时也 要耗用相当于床层 1 2 倍体积的水 清洗时还要耗用更多的水 每周期耗用的这些水量的 和与周期制水量的比 称为离子交换设备的自用水率 其中清洗用水量最大 它和树脂的 性能有直接的关系 所以自用水率也表示了树脂的一种性能 新品种树脂在投入使用前 必须测定自用水率 自用水中再生和置换用水量是比较小 的 一般可计算而得 但清洗用水量和树脂结构及树脂污染情况等有关 是一个变值 需 实际测定 一般说来 阳离子交换树脂清洗用水量较少 清洗时间约为 20min 阴树脂清 洗用水量较大 清洗时间约为 40min 自用水率计算公式如下 100 4321 T W Q WWWW R 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 各种用水量计算公式为 6 21 1 10 11 d CC RVQW R工 W2 VR n W3 Q工 t1 W4 Q2 t2 式中 Q工 树脂工作交换容量 mol m3 VR 树脂体积 m3 R 再生剂耗 g mol c1 再生液质量百分浓度 c2 浓再生液的百分含量 以质量百分数计 d 水的密度 g mL n 设计置换水倍率 Q1 清洗水流量 m3 h Q2 反洗水流量 m3 h t1 清洗时间 h t2 反洗时间 h 如果不是每周期都进行反洗 则每次反洗用水量按周期数平均分配计算 当离子交换设备完好时 如发现清洗水用量逐渐增大 这是树脂性能劣化的一种反映 它表示树脂受到污染或有其它树脂的混杂 通常以清洗时间长短来判断清洗水用量的情 况 在设计水处理系统时 必须考虑各级设备的自用水量 从考虑整个水处理系统时 前 级设备总制水量不但包括阳床本身用水 还包括后级设备用水 计算设备制水量时必须考 虑自用水量 各种设备自用水的种类 如清水 氢交换水 除盐水 和离子交换工艺有关 系统的各种自用水率的定义及计算方法可从有关水处理书籍查找 四 离子交换树脂的使用方法四 离子交换树脂的使用方法 1 存放 离子交换树脂不能露天存放 存放处的温度为 0 40 当存放处温度稍低于 0 时 应向包装内加入澄清的饱和食盐水 浸泡树脂 此外 当存放处温度过高时 树脂容易脱 水 还会加速阴树脂的降解 一旦树脂失水 使用时不能直接加水 这会引起树脂破裂 尤其是凝脱型树脂 可用澄清的饱和食盐水浸泡 然后再逐步加水稀释 洗去盐分 贮存 期间应使其保持湿润 长时期存放的树脂 应定期检查其是否失水 强碱阴树脂不宜长期存放 即使贮存处温度低于 40 也会有所降解 有胺释放出来 存放处应有通风设施 离子交换树脂应分类存放 并有明显的标志 一种树脂不能改装在另一类树脂的包装容器 内 否则应清除原有标志 增添永久性的新标志 一旦标志模糊或失落 必须进行鉴别 重新标志 2 装填 在向离子交换设备内装树脂前 必须做好下列准备工作 1 彻底清扫设备 2 各通流部位经过检查 确认安装可靠 不跑漏树脂 3 水压试验合格 4 测定正常流速下设备的压差 为测定树脂层压差作好准备 5 计算应装树脂数量时 应考虑到树脂离子型及可逆膨胀 一般装填量宁少勿多 因为少装可补装 多装的树脂取出后 往往因无法抽滤除去多余水分而难以贮存 当用水力装卸器装填树脂时 事先要仔细清洗装卸器 防止异类树脂混入 用澄清水 装填阳树脂 用除盐水装填阴树脂 在装入树脂前先往交换器内装入 1m 左右的水层 树脂 从上进脂口进入设备时就不会直接冲击底部装置和垫层 按设计数量装完树脂后 测量层高 在符合要求后封闭设备 对树脂层进行反洗 沉 降 排水 打开设备 平整树脂层 将漂至树脂层上的细颗粒树脂刮去 对于大孔树脂 尤其是弱酸树脂 还应检查有否软球和透明球 它们易粘在通流部位上 即使数量很少 也会影响正常使用 必须在使用前除去 经除去细颗粒和异样颗粒以后 还应补入相应数 量的树脂 保证层高符合设备要求 3 投运前的处理 在正式投运前应对树脂进行预处理 最好的办法是用酸碱反复处理两次 即按树脂床 层体积的 5 倍量通过 1mol l 的酸和碱 要注意转型膨胀对设备的损害 当用硫酸时要加大 流量 防止结硫酸钙 在进酸碱之间 必须用水洗至中性 若设备和系统不能进行酸碱处理时 可将树脂再生两次 清洗干净后投入使用 如果 处理不彻底 初期运行的几个周期出水水质较差 以后才达到正常的出水指标 五 树脂使用中可能出现问题五 树脂使用中可能出现问题 1 反洗流失 反洗流量过大或反洗操作失常 会发生树脂流失 在地沟及废水池中常发现有大量树 脂 2 通流部位损坏 树脂从设备中漏出 进入后级设备或供水系统 造成后级设备运行困难 出水水质恶 化 3 树脂分层不清 双层床和混床都要求两种树脂能很好地分层 否则会降低双层床的制水量和出水水质 严重时 使出水大不到要求的指标 发生混脂现象的原因很多 主要有下列几种情况 1 操作和设备问题 当水流不均匀发生偏流 可能由于局部通流面积的损坏或污堵 和反洗操作不当时 树脂分层不佳 应该检查设备或重新操作 2 上层树脂受污染 使其密度增大 弱酸树脂层被铁污染 结钙垢等 弱碱阴树脂 双层床 和强碱阴树脂 混床 被有机物污染等都会是阴树脂密度增大 影响分层效果 3 下层树脂破碎 碎块树脂不易和上层树脂分层 此时应通过盐水使他们分离 并 除去碎块树脂 4 必须在装入新树脂前经过小型试验和测定颗粒沉降速度 验证选用树脂的粒度和 密度是否适于水力分层 并在装树脂时除去细颗粒树脂 4 浊度对阳树脂的污染 进水浊度超出要求或直流凝聚发生沉淀现象 有较多的悬浮物进入第一级离子交换器 时 会发生污染树脂现象 这些悬浮物往往含有凝聚剂 一般是高价金属离子的盐 这些 悬浮物较难在再生和反洗时除去 往往要用大流量水反洗 但应防止树脂流失 空气擦洗 和热浓盐酸溶液溶解等方法清除 5 结硫酸钙沉淀 当用硫酸再生阳树脂时 如果硫酸浓度过高和流速过慢 会发生硫酸钙沉积在树脂颗 粒表面上 导致出水有硬度 此时可用盐酸再生一次 将沉积的硫酸溶解 或及时用大量 的水冲洗 6 热降解 正常一级除盐水处理系统中的水温是不高的 即使我国南放地区夏季水温最高也不超 过 40 原则上不会引起 型强碱阴树脂的严重降解 但由于冷却效果不佳 凝结水温 可高达 60 左右 这对混床阴树脂很不利 强碱树脂长时间在较高温度下工作 会发生降 解 强碱基团损失使基除硅能力下降 同时其除硅能力也比低水温时的差 结果出水含硅 量增加 型强碱阴树脂容量易发生热降解 实际使用情况证明 型强碱树脂强碱基团损失 情况仅占 20 而 型强碱树脂这种情况却高达 50 左右 这说明 虽然在低于 40 的水 温下使用 由于 型强碱树脂的热稳定性差 其降解问题也不容忽视 六 离子交换树脂在设备停运六 离子交换树脂在设备停运期间的保护期间的保护 在设备停运期间要保护离子交换树脂免受损坏 在水处理设备重新启动时 要对树脂 作适当处理 使设备能正常投入使用 一般来说 短期停运的离子交换设备 不需要采取特别措施 设备正常的几天停运 不会对离子交换树脂有损害 但以失效态停运为好 强碱树脂以再生态停运还容易引起降 解 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 树脂及吸附的有机物是细菌繁殖的良好环境 应该定期地用水冲洗来保护树脂的 清洁 也可用 1 左右的甲醛溶液浸泡树脂 以避免细菌繁殖 在启用前必须进行清洗 当 用离子交换水供食用时 要特别小心清洗 长期停运的树脂都应采用失效状态备用 并将 设备压力释放 当发现树脂发霉长菌时 可先用空气擦洗和水清洗方法除去一部分污物 然后再生 1 左右的甲醛溶液杀菌 甲醛溶液浸泡时间为 5 10h 用清水洗至出水中甲醛含量小于 0 1mg L 清洗水量约为 10 15 床层体积 清洗流量为每小时 5 倍的床层体积 七 离子交换树脂的性能定期检查七 离子交换树脂的性能定期检查 离子交换树脂的性能是逐渐下降的 如果周期水量突然下降和出水水质突然恶化 一 般不应是树脂的问题 主要应从设备 操作 进水水质及再生剂方面找原因 由于设备损 坏和反洗操作不当使树脂突然大量损失的情况也有发生 这很容易从树脂层高度明显降低 检查出来 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 出水水质 变差的原因 还可以预测树脂的寿命 确定树脂是否须要复苏的方法 从离子交换树脂性 能下降趋势 还可以验证树脂品种和质量选择得是否合理 所以 离子交换树脂定期检查 工作是水处理化验工作的一个重要组成部分 离子交换树脂的分析项目较多 分析周期比较长 也由于树脂质量是渐变的 因此不 需要经常性地监测 取样分析树脂的周期 一般半年或一年一次 从逐年积累的分析数据 中找出树脂性能变化的规律 新树脂必须进行全面分析并留样 分析结果要和产品说明书对照 并存档保存 定期 取样的树脂也应留样 八 离子交换树脂的补充八 离子交换树脂的补充 设备中离子交换树脂的数量是会发生变化的 经常碰到的是设备内树脂减少 但也曾 有过在使用一段时间后树脂积增多情况 这可能是因为 1 前级树脂漏入后级设备 2 树脂氧化断链 使之含水量增加 体积膨胀 发现这种情况时 应立即采取相应措施 查出原因给予消除和补救 补充的树脂一般要和原树脂的性能相同 同一牌号的 性能更加好的树脂 如果多台 设备要补充树脂时 最好将其中一台设备的树脂分别补充到别的设备中 在该台设备中全 部装填新树脂 这样 只有这台设备出水有一个稳定质量的过程 并可继续定期监视原用 树脂性能下降情况 一般不要将不同牌号 不同制造厂的树脂装在一个交换器内 九 树脂的变质和污染九 树脂的变质和污染 在离子交换水处理系统的运行过程中 各种离子交换树脂常常会渐渐改变其性能 原 因有二 一是树脂的本质改变了 即其化学结构受到破坏 二是外来杂质的污染 由前一 种情况造成的树脂性能的改变 是无法恢复的 由后一种情况所造成的树脂性能的改变 则可以采取适当的措施消除这些污物 从而使树脂性能复原或改进 1 变质 1 阳树脂 阳树脂在应用中变质的主要原因是由于水中的氧化剂 如游离氯 硝酸根等 当温度 高时 树脂受氧化剂的侵蚀更为严重 若水中有重金属离子 则能起催化作用 关于阳树脂氧化过程 现尚不完全清楚 一般认为树脂氧化结果 使苯环间碳链断开 并形成羧酸和酮 阳树脂氧化后发生的现象为 颜色变浅 树脂体积变大 因此易碎和体积交换容量降 低 但质量交换容量变化不大 实践证明 强酸 H 树脂受侵害程度最为强烈 如当进水中含有 0 5mg LCl2时 只要运 行 4 6 个月 树脂就有显著变化 磺酸基阳树脂的碳链氧化产物 由树脂上脱落下来变为可溶性物质 还含有弱酸基 当它进入阴离子交换器 会首先被阴树脂吸附 使水质降低 除去水中游离氯常用两种方法 一是用活性碳过滤器 另一种是加亚硫酸钠 2 阴树脂 总的来说 阴树脂的化学稳定性比阳树脂差 所以它对氧化剂和高温的抵抗力也较差 但由于在除盐系统中 阴离子设在阳离子交换器之后 故受害较轻 一般只是溶于水中的 氧对阴树脂起破坏作用 阴树脂最易遭受侵害的部位是其分子中的的氮 如强碱性阴树脂受侵害时 季氮逐渐 变为叔 仲 伯氮 使碱性减弱 最后降为非碱性物质 所以 强碱阴树脂在氧化变质过 程中 表现出来的是交换基团的总量和强碱性交换基团的数量逐渐减少 且后者大于前者 这是因为阴树脂被氧化初期 季胺基团在大多数情况下 变成能进行阴离子交换的弱碱性 基团 II 型强碱性树脂比 I 型易受氧化 运行时提高水温会使树脂氧化速度加快 2 污染原因及处理方法 1 阳树脂 阳树脂会受到进水中的悬浮物 铁 铝 油脂类 CaSO4等物质污染 在除盐系统中用 的阳树脂受铁 铝污染的可能性很小 因为以酸作再生