2.按结构特征分类离子交换树脂随制造工艺不同内部可形成各种孔型结构，常见的产品有凝胶型、大孔型和均孔型树脂。......
2023-06-19
离子交换树脂的理化性能优化方法
【摘要】：粒度是表示离子交换树脂的粒径范围和不均匀程度的指标。离子交换反应具有可逆性，这是离子交换树脂可用于水处理的重要性能。离子交换树脂在交换反应中也符合等物质量定律的要求。因此，离子交换树脂的交换能力通常用单位质量或单位体积的树脂所能交换离子的摩尔数来表示，称为交换容量。应该注意的是，在表示交换容量时，还应把离子交换树脂上可交换离子的形态阐述清楚。交换容量是离子交换树脂最重要的性能指标。
离子交换树脂性能分为物理性能和化学性能两个方面，其中包括的项目也较多，这里重点介绍几个指标。
1.物理性能
（1）粒度。
粒度是表示离子交换树脂的粒径范围和不均匀程度的指标。粒度小的树脂交换速度快，但树脂层水流阻力大；粒度大的树脂交换速度慢，树脂水流阻力小。常用颗粒粒度为0.3～1.2mm（相当于50～16目）。树脂颗粒大小不均匀时，反洗流速就难以控制，水流速度过大会冲走小颗粒树脂；流速过小，大颗粒树脂又不能松动。
（2）密度。
①湿真密度指单位真体积（不包括树脂间的空隙）湿态离子交换树脂的质量（g/mL）。
湿真密度与树脂在水中的沉降性有关，是影响其实际应用性能的一个指标。此数值一般在1.04～1.3g/mL。阳树脂的湿真密度通常比阴树脂的大些。
②湿视密度指单位视体积湿态离子交换树脂的质量（g/mL）。
树脂的湿视密度是用来计算离子交换器中湿树脂的装载质量。离子交换树脂的湿视密度一般在0.60～0.85g/mL。
所谓湿态离子交换树脂，指的是吸收了平衡水量并除去外部游离水分后的树脂。
（3）含水率。
为了使交换离子在树脂颗粒内部自由移动，离子交换树脂颗粒的内部必须含有一定的水分。离子交换树脂的骨架空间充满着水，含水量指的是树脂含有的一定数量的化合水。此外，树脂中也有游离水和表面水，但是这种水并非是化合水分，能用离心法、吸干法或抽滤法除掉，这种水分与树脂性能无关。
含水量通常以每克湿树脂（除去表面水分后）所含水的百分数来表示，因此也称为含水率：
树脂含水率与交联度有密切关系，交联度越低，含水率越大。一般树脂交联度在7%左右时，含水率为45%～55%。凝胶型树脂，其含水率可反映树脂的孔隙率，即含水量越大，树脂的孔隙率越大。树脂在使用过程中，如含水率发生变化，说明树脂结构可能遭到破坏。
（4）溶胀性。
干树脂浸泡于水中，或树脂转型时体积都会发生变化，这种现象称为溶胀。离子交换树脂的溶胀现象有两种：一种是绝对溶胀，它是不可逆的，如新树脂经溶胀后，再干燥其体积不能恢复原来的大小。另一种是相对溶胀（体积溶胀），它是可逆的，如湿树脂由钠型转向氢型体积发生的变化。
（5）机械强度。
树脂的机械强度是指树脂在各种机械力作用下，抵抗破坏的能力，包括它的耐磨性、抗渗透冲击性等。在树脂的实际应用中，由于摩擦、挤压以及周期性转型使其体积胀缩等，。都有可能造成树脂颗粒的破裂，而影响树脂的使用寿命。国际上规定采用磨后圆球率和渗磨圆球率来判断树脂的机械强度。此法是按规定称取一定量的湿树脂，放入装有瓷球的滚筒中滚磨，磨后的树脂圆球颗粒占样品总量的百分数即为树脂的磨后圆球率；若将树脂用酸、碱反复转型，然后用前述方法测得树脂的磨后圆球率，称为树脂的渗磨圆球率，该指标表示树脂的耐渗透压能力，目前一般用来评价大孔型树脂的机械强度。
影响树脂强度的因素包括树脂本身的因素和使用中的条件，如树脂的交联度、溶胀性、压力、水温及水中氧化剂等。在生产实践中，上述因素的出现和影响往往是错综复杂的，所以磨后圆球率的测定结果也有相对性。
（6）热稳定性。
各种树脂都有其允许使用温度，超过此温度范围，树脂或者热分解现象严重，或者交换容量受影响。一般盐型树脂比H型或OH型稳定，阳树脂可耐100℃或更高的温度，而对阴树脂来说，强碱性树脂可耐60℃，弱碱性树脂可耐80℃以上，树脂长期使用的温度应以不超过40℃为宜。树脂置于0℃以下时，会由于树脂内部结冰而胀碎。应注意的是，如温度低于或等于0℃时，因孔眼中水分结冰，会使树脂颗粒因体积膨胀而破裂。
2.化学性能
（1）化学稳定性。
离子交换树脂在酸、碱等化学物质的反复作用下，应保持必要的稳定性。不产生破裂、降解等现象，使树脂保持使用效果。一般阳树脂的稳定性优于阴树脂。高交联的树脂优于低交联的树脂。阳树脂中Na型优于H型，阴树脂中Cl型优于OH型。
（2）可逆性。
离子交换反应具有可逆性，这是离子交换树脂可用于水处理的重要性能。例如，氢型树脂在除盐阶段的反应是：
除盐时，由于交换下来的H+不断排走，使反应能不断向右进行。当交换树脂失效后，为了恢复其交换能力，可用酸进行再生，反应是：
再生时，由于H+浓度大，交换出的Ca2+不断排走，使反应不断向右进行。
（3）酸碱性。
离子交换树脂属于高分子电解质，它们在水中能发生电离。例如，H型树脂在水溶液中电离：
OH型树脂在水溶液中电离：
上述电离过程，可使水溶液的酸性或碱性由于离子交换树脂所带交换基团不同而不同。同时，它们酸碱性强弱也有差别。式（5-1）、式（5-3）因其电离程度大，水溶液的酸（碱）性较强，而称为强酸（强碱）性树脂；式（5-2）、式（5-4）因其电离度小，水溶液酸（碱）性较弱，称为弱酸（弱碱）性树脂。由于它们酸（碱）性强弱不同，使得不同类型离子交换树脂有效地进行离子交换反应的pH范围也有所不同，见表5-3。
表5-3 各种类型树脂有效pH范围
（4）离子交换树脂的交换容量。
离子交换树脂在交换反应中也符合等物质量定律的要求。就是离子交换树脂所结合的离子和释放的离子的电化摩尔数（当量数）相等。因此，离子交换树脂的交换能力通常用单位质量或单位体积的树脂所能交换离子的摩尔数来表示，称为交换容量。
很明显，交换容量可有两种表示方法：
①体积交换容量指树脂在湿态下经反洗沉降后，每毫升树脂中能交换的离子的毫摩尔数，其单位用“mmo1/ml”或“mol/m3”表示，它表示了单位体积离子交换树脂的吸着能力。
②质量交换容量指每克干树脂所能交换的离子的毫摩尔数。其单位是“mmol/g”。
应该注意的是，在表示交换容量时，还应把离子交换树脂上可交换离子的形态阐述清楚。因为离子交换树脂的形态不同，其质量和体积也不同，为了统一起见，一般阳离子交换树脂以Na型为准（也有以H型的），阴离子交换树脂以Cl型为准。必要时应标明其离子形态。
交换容量是离子交换树脂最重要的性能指标。树脂的交换容量常随离子交换反应的条件不同而改变。因此，交换容量又分成全交换容量和工作交换容量。
①全交换容量（E）指单位质量的离子交换树脂中全部离子交换基团的数量，此值决定于离子交换树脂内部组成，是一个固定常数。全交换容量可以通过滴定法测定，也可以通过理论计算得到。例如，对于交联度为10%苯乙烯强酸性阳离子交换树脂，其单元结构-CH（C6H4SO3H）CH2-的分子量为184.2，那么每184.2g树脂中含有1mol可以用于交换的H+，其全交换容量为
由于受到运行条件的影响，很难使所有的交换容量都能发挥离子交换作用，所以在实际工作中还会用到工作交换容量的概念。
②工作交换容量（EG）它表示离子交换树脂在一定工作条件下所具有的交换能力。由于离子交换树脂是装在容器内，在湿态下工作，所以工作交换容量通常用体积交换容量表示。
工作交换容量不仅受树脂结构影响，还受溶液的组成、流速、温度、交换终点的控制以及再生剂和再生条件等因素影响。因此，工作交换容量是离子交换树脂实际交换能力的量度，在表示树脂的工作交换容量时，也必须指明工作条件、再生条件和终点控制标准。显然，工作交换容量不是常数，在不同的条件下，其数值可能相差很大，一般为全交换容量的60%～70%。工作交换容量可在模拟离子交换树脂实际工作条件下测定，也可按下式计算：
式中C进、C出——分别为进水离子浓度和出水离子浓度，mmol/L；
V水——周期制水量，m3；
V树脂——交换树脂的体积，m3。
③平衡交换容量（Ep）将离子交换树脂完全再生后，求出它和一定组成的水溶液作用到平衡状态时的交换容量，称为平衡交换容量。此指标表示在某种给定溶液中，离子交换树脂的最大交换容量。它略低于全交换容量，但高于工作交换容量。
（5）选择性。
离子交换反应与溶液中离子浓度和离子种类的关系很大。在稀溶液中离子浓度相同的情况下，对不同种类的离子，树脂的交换能力也不相同，这种性能称为树脂的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。一般优先交换电荷高的离子，相同电荷离子中优先交换原子序数大的、水合半径小的离子。树脂在常温、低浓度水溶液中，对常见离子的选择性交换次序如下：
强酸性阳离子交换树脂Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+
弱酸性阳离子交换树脂H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+
强碱性阴离子交换树脂
弱碱性阴离子交换树脂
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