离子交换树脂在水预处理中的应用

1、. .离子交换树脂在水预处理中的应用摘 要：离子交换树脂(ion exchange resin)是水处理领域新开发的一种新型树脂，由于其在给水预处理中的良好效果，成为研究的热点。文章对Ion Exchange Resin的根本物化性能、工艺性能与其它水处理工艺的联合应用情况作了简要综述。离子交换树脂的良好吸附性，是离子交换树脂有别于传统树脂的最大特点,并且这两个特点使此种树脂在给水预处理中得以有效应用。离子交换树脂在水处理领域已经得到了广泛应用，文章介绍了离子交换树脂以及其在废水处理中的一些应用实例。比方其在含汞废水，含铜废水，有机废水等的处理中的应用。离子交换树脂法处理废水具有可深度净化、处

2、理效率高和能实现多种金属综合回收的优点，在水处理领域必将得到更为深入的应用。关键词：离子交换树脂，联合应用，经济性，废水处理，环境工程- 优选. .一、离子交换树脂的理化性能和工艺性能一离子交换树脂1子交换树脂的根本介绍离子交换树脂 ion exchange resin是一种在交联聚合物构造中含有离子交换基团的功能高分子材料。不溶于酸、碱溶液及各种有机溶剂，构造上属于既不溶解、也不熔融的多孔性固体高分子物质。在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进展交换，按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。2离子交换树脂的根本分类依据离子交换树脂所带活性基团的性质，

3、离子交换树脂课分为阳离子交换树脂( cation exchange resin)和阴离子交换树脂(anion exchange resin)两大类。能与水中阳离子进展交换反响的称为阳离子交换树脂;能与水中的阴离子进展交换反响的称为阴离子交换树脂。根据活性基团上H和OH电离的强弱程度，又可以分为强酸性阳离子交换树脂strongly acidic cation exchange resin和弱酸性阳离子交换树脂weakly acidic action exchange resin，以及强碱性阴离子交换树脂strongly basic anion exchange resin和弱碱性阴离子交换树脂w

4、eakly basic anion exchange resin。1强酸性阳离子交换树脂其功能基大都含有磺酸基SO3H2弱酸性阳离子交换树脂其功能基团为：羧基COOH、苯酚基C6H4OH和磷酸基CHPO(OH) 2等酸性基团，其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进展交换有时也称为中等酸性阳离子交换树脂。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其构造式可简单表示为RSO3H，式中R代表树脂母体，其交换原理为2RSO3HCa2+RSO32Ca2H+ 。这也是硬水软化的原理。3强碱性阴离子交换树脂有两种功能基：型强碱基团-CH 2NCH33OH季铵基；型强碱基团-CH

5、 2NCH32(C2H4OH)OH(季铵基)。它们在水中能生成OH-离子，可与各种阴离子起交换作用，其交换原理为 RNCH33OHCl- RNCH33ClOH-4弱碱性阴离子交换树脂 其功能基分为：伯氨基CH2NH2、仲氨基CH2NHR、叔氨基CH2NR2等碱性基团。常用产品中R为CH3此外，按活性基团性质还可以分为螯合、两性和氧化复原性等树脂。按合成离子交换树脂的单体种类不同可分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。如苯乙烯系离子交换树脂是由苯乙烯聚合成球状聚苯乙烯后，再引入交换基团而成。苯乙烯系树脂以苯乙烯作为主要原料生产的各种树脂。丙烯酸系树脂以丙烯酸衍生物为主要原料生产的各种树脂。酚醛系以苯酚

6、和醛为主要原料生产的树脂。环氧系树脂以环氧氯丙烷和各种铵为主要原料生产的各种树脂。乙烯吡啶系树脂以乙烯基吡啶为主要原料生产的树脂。3按离子交换树脂孔构造和外状分类1凝胶型树脂这种树脂呈透明的凝胶状构造，所以称为凝胶型树脂gelresin。凝胶型树脂的网孔通常很小，平均孔径为12nm，且大小不一，在干的状态下，这些网孔并不存在，只有在浸入水中时显现出来。2大孔型树脂由于在整个树脂内部无论干或湿、收缩或溶胀状态都存在着比凝胶型树脂更大、更多的孔孔径一般在20100nm以上，故称其为大孔型树脂macroporosityresin3孔型树脂均孔型树脂的网孔较均匀，孔径约数十纳米。4凝胶均粒树脂在树脂骨

7、架聚合时，采用新型复合分散体系，使形成的树脂粒径比较均匀，这种树脂就称为超凝胶均粒树脂，其机械强度可与大孔型树脂相比，交换容量等化学性能与凝胶型树脂相当，所以，这种树脂特别适用于运行压力、流速较高的中压凝结水处理系统。4按用途分类1业级指供一般工业用的树脂2食品级指供食品工业用的树脂，这种树脂必须经过一定处理，以防止食品受到污染3析级指供化学分析用的树脂。这种树脂要经过一定处理，使杂质含量符合分析要求4核等级指供核工业用的树脂。这种树脂也要经特定处理，尽量降低树脂中残存的金属杂质和某些侵蚀性阴离子的含量，以提高树脂的耐辐射性能和减少树脂浸出物对核系统设备的腐蚀影响。5层床专用指用于双层床、三层

8、床的树脂，有时也包括浮床的树脂。其密度和粒度均有特殊要求。6床专用指用于混床的树脂，其粒径的配合有特殊5离子交换树脂的命名方式离子交换树脂产品的型号是根据国家标准GB 163179"离子交换产品分类、命名及型号"而制定的。现介绍如下：（1） 全称行业标准"离子交换树脂产品分类命名及型号"HG 2-884-76中规定的命名原那么为：离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架或基因名称、根本名称依次排列组成。根本名称为离子交换树脂。孔隙构造分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔构造的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔。分类属酸性的应在名称前加“阳，分类属碱性的在名称前加

9、“阴。如：大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。2型号离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号，用以区别活性基因、交联剂等的差异。代号数字的意义见下表：表1分类代号第一位数字代号0123456分类名称强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化复原性表2骨架代号第二位数字代号0123456骨架名称苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系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。如D011×7，表示大孔强酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，其交联度为7。 国外一些产品用字母

10、C代表阳离子树脂C为cation的第一个字母，A代表阴离子树脂A为Anion的第一个字母，如Amberlite的IRC和IRA分别为阳树脂和阴树脂，亦分别代表阳树脂和阴树脂。 专用树脂一般附有说明，在树脂型号后加设备要求的符号。例如：在水处理中浮床、层床、混床等专用树脂，在其型号后面分别加FC、SC、MB等符号。6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3。表3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

11、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，反响速度较大，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7

12、0目)以下，会明显增大流体通过的阻力，降低流量和生产能力。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：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盐。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

13、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。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、构造、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等因素有关。由于树脂颗粒内外水分无法别离，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。常用凝胶型强酸性阳离子交换树脂的含水量波动较小，各地产品大致一样，工艺较稳定。国产苯乙烯系阴离子交换

14、树脂201×4、201×7含水量的差异比较大，这是各厂产品交换容量相差较大、反响时形成的副交联程度不同等原因所致。大孔树脂含水量要比一样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异。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。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

15、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*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严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

16、粒径并不一致，大体上处在0.2mm1.5mm范围内经筛分取0.3mm1.2mm的颗粒用于制造树脂，其中0.3mm0.6mm的占60%左右，0.6mm1.0mm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0.3mm1.2mm的颗粒体积占全部体积的95%以上是不合理的。因为在这

17、样粒径范围内可能有大局部树脂的颗粒粒径为0.3mm0.6mm，也可能为0.6mm1.0mm，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。(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

18、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，那么不可逆膨胀就比较小。树脂的离子型态不同，其体积也不一样。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耐热性与抗氧化性耐热性离子交换树脂的耐热性表示其

19、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。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。7离子交换树脂的化学性能(1)交换容量质量全交换容量 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

20、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。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：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。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

21、衡交换容量平衡交换容量用于表示到达平衡状态时单位质量或单位体积的树脂中参于反响的交换基团的量。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。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一样。例如：1摩尔的离子交换基团RSO3Na的质量为x约为222g，那么当它变为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 - 23-1g约为200g。在计算单位质量如1000g树脂中交换基团

22、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响而得，反响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响而得，反响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。如表4所示：表4 阳树脂交换容量测定结果mmol/ g树脂牌号全交换容量强酸基团容量弱酸

23、基团容量001×75.094.990.10001×104.944.830.11001×14.54.734.560.17D001×164.364.640.22D11311.3611.3611.36数据说明，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大孔树脂磺化反响温度较其它树脂高，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5列举了一些阴树脂测定结果，可以看

24、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5常用阴树脂交换容量测定结果mmol/g干树脂牌号全交换容量强碱基团容量弱碱基团容量201×7 1201×7 23.933.453.803.250.130.20D3011D30144.595.100.620.533.974.57D2014.303.730.57AmberliteIRA4024.34.240.06AmberliteIRA4103.633.150.48AmberliteIRA-934.760.234.53Btrata

25、bedIRA-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；当离子所带电荷量一样时，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

26、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：SO42-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：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；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；在浓度和价数等条件一样的情况下，选择性系数大的易被吸取。8离子交换树脂工艺性能1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

27、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=qv(R初R残)式中 q工树脂工作交换容量，mmol/L；qv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残整个树脂层平均剩余再生度。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。工作条件包括以下内容：树脂开场工作的状态，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

28、备构造的合理性等。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；强型树脂那么相反，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；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；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；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；再生液流速，为了保证树脂和再生液有足够的接触时间，

29、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；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；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。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

30、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。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。树脂的性质

31、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，而各因素又互相穿插影响。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，那么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。标准条件下测定结果根据以上所述，

32、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6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6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>1350ASTM1782D001>1200ASTM1782201×7>500ASTM3087201×4>600ASTM3087D201>450ASTM3087202>850ASTM3087D202>650ASTM3087D301&g

33、t;1050ASTM3087D111>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/LHClD113>1600同D111、再生用酸量250g/LHCl3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响容易进展，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

34、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

35、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，假设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)，那么耗用再生剂量(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到达稳定工况，即一周期交换量和前后

36、两周期交换量相等时，那么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：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/

37、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7所示。表7各种离子交换树脂的再生剂耗和比耗树脂再生工艺再生剂耗g/mol比耗强酸性阳离子交换树脂顺流NaCl 100200HCl 73H2SO4 100150NaCl 2HCl 2H2SO4 23对流NaCl 180100HCl 5055H2SO4 70NaCl 1.4HCl 1.41.5H2SO4

38、1.9弱酸性阳树脂HCl 3844HCl 1.051.2强碱性阴树脂顺流8012023对流液碱6065固碱4860液碱1.51.6固碱1.21.4弱碱性阴离子交换树脂44481.11.24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12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。

39、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构造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：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：W2=VR×nW3=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，m3R再生剂耗，g/mol；c1再生液质量百分浓

40、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展反洗，那么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、

41、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。5离子交换树脂基体的组成离子交换树脂(ion exchange resin)的基体(matrix)，制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)两大类，它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反响，形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架构造的聚合物。苯乙烯系树脂是先使用的，丙烯酸系树脂那么用得较后。 这两类树脂的吸附性能都很好，但有不同特点。丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素，脱色容量大，而且吸附物较易洗脱，便于再生，在糖厂中可用作主要的脱色树脂。苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族物质，善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带

42、电的)；但在再生时较难洗脱。因此，糖液先用丙烯酸树脂进展粗脱色，再用苯乙烯树脂进展精脱色，可充分发挥两者的长处。树脂的交联度，即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数，对树脂的性质有很大影响。通常，交联度高的树脂聚合得比较严密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较少，对离子的选择性较强；而交联度低的树脂孔隙较大，脱色能力较强，反响速度较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低，比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%；用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%；单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联度可较高。 除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外，离子交换树脂还可由其他有机单体聚合成。如酚醛系(

43、FP)、环氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。二离子交换树脂的吸附选择性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。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。主要规律如下： 1对阳离子的吸附 高价离子通常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱。在同价的同类离子中，直径较大的离子的被吸附较强。一些阳离子被吸附的顺序如下：Fe3+ >Al3+>Pb2+ >Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+2对阴离子的吸附强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为：SO42> NO3 >

44、 Cl > HCO3 > OH弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附的一般顺序如下： OH>柠檬酸根3> SO42 > 酒石酸根2 >草酸根2> PO43 >NO2 > Cl >醋酸根 > HCO33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(复原糖与氨基酸反响产物)和复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。这被认为是由于前两者通常带负电，而焦糖的电荷很弱。通常，交联度高的树脂对离子的选择性较强，大孔构造树脂的选择性小于凝胶型树脂。这种选择性在稀溶液中较大，在浓溶液中较小。 三离子交换树脂的应用领域1水处

45、理 水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。2食品工业离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反响，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。3制药行业制药工业离子交换树脂对开展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。 4合成化学和石油化学工

46、业在有机合成中常用酸和碱作催化剂进展酯化、水解、酯交换、水合等反响。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进展上述反响，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易别离，反响器不会被腐蚀，不污染环境，反响容易控制等。甲基叔丁基醚MTBE的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反响而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。5环境保护离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进展回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。6湿法冶金及其他 离子交换树脂可以从贫铀矿里别离、浓缩、提纯

47、铀及提取稀土元素和贵金属。四离子树脂的转型在实际使用上，常将各种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。反响时没有放出H+，可防止溶液pH下降和由此产生的副作用如蔗糖转化和设备腐蚀等。这种树脂以钠型运行使用后，可用盐水再生不用强酸。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出Cl而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然

48、有这些树脂的其他典型性能，如离解性强和工作的pH范围宽广等。二、离子交换树脂在水预处理中的应用水的预处理是在水精制处理之前，预先进展的初步处理，以便在水的精处理时取得良好效果，提高水质。因为自然界的水都有大量的杂质，如泥沙、粘土、有机物、微生物、机械杂质等。这些杂质的存在，严重影响精制水的水质与处理效果，因此必须在精处理之前将一些杂质降低或除去，这就需要预处理，有时也称前处理。预处理的方法很多，主要有预沉、混凝、澄清、过滤、软化、消毒等。用这些方法预处理之后，可以使水的悬浮物浊度、色度、胶体物、有机物、铁、锰、暂时硬度、微生物、挥发性物质、溶解的气体等杂质除去或降低到一定的程度。 离子交换树脂

49、是目前水预处理中使用最多的一种。氢型阳离子交换树脂有时简称氢型树脂是一种人造有机聚合物产品。最常用的原料是：苯乙烯或丙烯酸酯，先经过聚合反响生成具有三度空间立体网状构造的聚合物骨架树脂母体，再于骨架上导入不同的化学活性基而成。由于它的活性基，如磺酸基-SOH、羧基-COOH等，都含有活性氢离子，可在水中解离出来，用于与其它阳离子进展交换，所以特别在阳离子树脂名称之前再冠上“氢型两字，以与同一系统的“钠型种类有所区别。氢型阳离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。和其它离子交换树脂一般，常被制成颗粒状，外观看起来有些像鱼卵，粒径大约在0.3-1.2mm之间，但大局部在0.4-0.6mm范围内。化学性质相

50、当稳定，摸起来硬而有弹性，机械强度也足够承受相当压力，颜色由白色至近乎黑色都有，颜色浅时呈透明状，深时呈半透明状，都有光鲜亮丽的树脂光泽。氢型阳离子交换树脂最常应用的地方，就是硬水的软化，即让硬水流过树脂层，把硬水中的硬度离子，如钙、镁等离子吸收在树脂中，就变成不带硬度离子的软水了，这也是阳离子交换树脂最初被制造的主要目的，但它在工业上应用没有钠型来的多，因为在软化过程中，它会直接释出氢离子，使水质呈酸性，可能会因此腐蚀相关金属设备。依需要的不同，它也可以应用到水质预处理工艺中，用作软化水质及降低pH值之用。一离子交换树脂的工作原理离子交换就是水中的离子和离子交换树脂上的离子所进展的等电荷摩尔

51、量的反响，通俗的说是通过阴、阳离子交换树脂对水中的各种阴、阳离子进展置换的一种传统水处理工艺。采用离子交换方法，可以把水中呈离子态的阳、阴离子去除，以氯化钠(NaCl)代表水中无机盐类，水质除盐的根本反响可以用以下方程式表达：1、阳离子交换树脂：RH+Na+ RNa+H+2、阴离子交换树脂：ROH+Cl- RCl+OH-阳、阴离子交换树脂总的反响式即可写成：RH+ROH+NaClRNa+RCL+H2O由此可看出，水中的NaCl已分别被树脂上的H+和OH-所取代，而反响生成物只有H2O，故到达了去除水中盐的作用。1离子交换树脂的制备流程二离子交换树脂在废水处理中的应用研究1处理含汞废水含汞废水是

52、危害最大的工业废水之一，离子交换树脂法适用于处理浓度低而排放量大、含有毒金属的废水。配合硫化钠明矾化学凝聚沉淀法作为二级处理，对低浓度含汞废水可到达排放标准。*省洞山县铜山制药厂原先采用硫化钠。明矾化学凝聚沉淀法处理红汞生产中产生的含汞废水。由于含汞废水成分复杂，存在多种形态的汞化合物(有机汞、无机汞)、金属汞以及其他有机物和离子，对酸化pH值和硫化钠量不易控制，会使硫化汞形成整合物溶解，处理后废水中汞浓度仍达0.050.5mg/L，很难到达排放标准。为了探索技术上先进、经济上合理的治理途径，叶一芳等通过屡次实验，并选用了离子交换树脂法。经过近两年来的运行说明：(1)用树脂交换法除汞作为化学法

53、的二级处理系统，能保证到达排放标准，且能实现封闭循环、连续稳定的运行，排放的废水可作为冷却水加以回用；(2)提高了生产能力，单位产品的本钱降低，节约了治理费用；(3)应用树脂交换法还能对废水起到脱色作用，处理的水清晰透明。失效后的树脂不再回收，作为汞废渣回收汞，防止了二次污染。因此，应用离子交换法处理低浓度含汞废水，有明显的社会效益和经济效益。 2处理含铜废水 工业排放废水如有色冶炼、电镀、化工、印染等行业的废水中常含有铜。利用离子交换树脂可以有效地除去废水中的Cu2+，以到达高度净化,并有利于资源的再生。X剑波等选用多种大孔强酸型离子交换树脂用于吸附浓集含有机物废水中的铜离子。通过测定各种树

54、脂对铜离子的去除率、不同铜离子浓度和溶液pH值对去除率的影响，以及各树脂再生性能的比较，说明“争光树脂、“强酸1号树脂与PK208树脂有最为突出的性能，效果明显优于其它几种树脂；其离子交换性能稳定,有良好的再生性。同时，对Cu2+的吸附去除能力完全可到达要求，净化后的水中Cu2+浓度低于0.1mg/L，可用于含铜废水的净化处理。3处理含钼废水 上世纪60年代末期就有关于采用离子交换法从工业废水中回收钼的报导。迄今为止,离子交换法仍然是治理含钼废水的最主要方法。X建国在研究低价钼酸聚合物的201×7强碱阴离子交换树脂上的吸附机理后指出：低价钼酸聚合物与树脂的交换速度较钼酸盐慢得多。究其原因，认为低价钼酸聚合物主要以六聚合物与树脂交换，而钼酸盐以四聚合物被吸附。且凝胶型树脂的孔径很小，故低价钼酸聚合物在树脂中的扩散阻力较大，导致交换速度较低。尽管低价钼酸聚合物在树脂上的吸附速度较慢，但钼盐占据着树脂上的交换位置，与树脂键合得更结实，比吸附有钼酸盐的树脂更难解吸。只有用氧化剂(如1mol/LHNO3)氧化后才能较快地解吸。由于在酸性条件下，Mo(VI)易被复原剂复原为低价钼，而低价钼酸聚合物不仅不易与树脂进展交换，而且洗脱也比较麻烦。因此，应