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一、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)品標準外觀指標見表4-1。

表4-1 水處理用離子交換樹脂外觀

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。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0.2mm～1.5mm范圍內(nèi)（經(jīng)篩分取0.3mm～1.2mm的顆粒用于制造樹脂），其中0.3mm～0.6mm的占60%左右，0.6mm～1.0mm的占30%左右。未經(jīng)篩分的樣品中，各種粒徑的白球所占體積百分數(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0.3mm～1.2mm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0.3mm～0.6mm，也可能為0.6mm～1.0mm，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，應該用4個指標：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)設備，結(jié)果導致樹脂層高下降、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。當恢復成原來的離子型態(tài)時，樹脂的體積也恢復為原來的值。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

（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Ⅰ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：

① 樹脂長期使用的允許溫度；

② 不同離子型態(tài)時樹脂耐熱性的差別；

③ 樹脂結(jié)構(gòu)和耐熱性關(guān)系；

④ 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，反映在實際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)磺化反應而得，反應后苯環(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)水解反應而得，反應后聚合物上酯基變?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

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）

4．離子交換的選擇性順序

在離子交換水處理的實際應用中，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，愈易被吸取；當離子所帶電荷量相同時，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)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；

q′v——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。