离子交换树脂介绍

弱碱阴离子交换树脂的功能
去除矿物酸 保护强碱阴离子交换树脂以免受 有机物污染 利用再生强碱阴离子树脂的废碱 来再生

弱碱阴离子交换树脂的优点 高再生效率 除矿物酸有高交换能力 抗有机物污染 低再生废液 可利用再生强碱阴树脂的废碱来 再生

弱碱阴离子交换树脂的 工作交换容量

措施
延长浸泡在温氢氧化钠溶液 (50 C)中的时 间，可以 有效的除去硅
硅泄漏
硅占总阴离子比例 再生剂水平 再生剂温度 再生剂流速 运行流速 运行温度 阳离子中钠的泄漏量 再生方式

有机物对阴树脂的影响
淋洗时间逐渐延长 电导率逐步增高
PH逐渐降低到
过早的硅泄漏
有效粒径和均一系数
99,9
% 通过塞子的数量
60 50
平均粒径
10
有效粒径
U.C.= c60 / c10
c10 c60
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 0,9 1,5 mm
Amberjet 4200 Cl 体积变化




供货时树脂体积 最初再生用120g/l 100% NaOH 再生后树脂体积 工作交换容量为0.6 eq/l 树脂运行 终点的体积 正常再生树脂运行终点的体积 (approx.) 树脂100% 转为 OH 型的体积 (approx.)
1,000 liters 1,180 liters 1,060 liters
1,180 liters
1,300 liters
离子选择性
–离子交换树脂对不同的离子具有不同 的亲和力 –一般来说对高价离子的选择性较高 –高亲和力的离子优先被交换 –亲和力最差的离子优先泄漏
离子选择性
高
SAC Ca++ Mg++ Na+ H+
再生
(R-COO)2Ca + 2H+---------------> 2R-COOH + Ca++ (R-COO)2Mg + 2H+---------------> 2R-COOH + Mg++
弱酸阳离子交换树脂的特性
氢型状态下最稳定 对pH值低于5的水没有活性 高再生效率 对两价离子具有高亲和力 流速对交换能力影响大 树脂转型膨胀率高
认识离子交换树脂
–离子交换树脂的结构与分类 –离子交换树脂的基本物化性能 –离子交换树脂的化学反应 –水处理中的离子交换树脂系统 –离子交换树脂常见问题分析 –离子交换树脂在医药工业中的 应用简介
离子交换树脂的结构与分类
–以聚合物骨架来区分 » 苯乙烯系(*0*) » 丙烯酸系(*1*) » 酚醛系 (*2*) » 环氧系 (*3*) –以离子性来区分 » 强酸阳离子树脂 (0**) » 弱酸阳离子树脂 (1**) » 强碱阴离子树脂 (2**) » 弱碱阴离子树脂 (3**) –以结构孔隙来区分 » 凝胶 » 大孔 –大孔(D***)
CH
CH3
ClNHCH2CH2N+ CH3 CH3
AMBERLITE IRA67
AMBERLITE IRA458 Cl
化学反应 弱碱阴离子交换树脂
运行
= + 2R-N + 2H + SO4 --------> (R-NH)2 SO4 _ + R-N + H + Cl -------> R-NH. Cl
SO3H SO3H SO3H
AMBERJET 1200 H, AMBERLITE IR120 H
磺化
H2 SO 4
磺酸化聚苯乙烯
= 强酸阳离子交换树脂 (SAC)
SO3 H
SO3 H
SO3 H
SO3 H
化学反应 强酸阳离子交换树脂
运行
+ ++ 2R-SO3H + Ca ------------> (R-SO3)2Ca + 2H ++ +
工作交换容量计算

A = 流量 (吨 / 小时) B = 运行时间 (小时) C = 离子浓度 (克当量/吨 ) 出水量 = A x B 工作交换容量 = 水量 x 离子浓度 工作交换容量 = 流量 x 制水周期 x 离 子浓度
强酸阳离子交换树脂
SO3H
SO3H
SO3H
磺酸基
3
SO3H SO3H SO3H
SO3H
SO3H SO3H SO3H SO H SO3H 3
SO3H
SO3H SO H 3
SO3H SO3H
离子交换树脂是具有 交换或吸附离子功能 基的有机高分子聚合 物
SO3H
SO3H
聚苯乙烯链
磺酸基阳离子交换树脂
凝胶和大孔树脂的结构
GEL 凝胶
MR 大孔
凝胶树脂与大孔树脂
2R-SO3H + Mg ------------> (R-SO3)2Mg + 2H R-SO3H + Na ---------------> R-SO3Na + H
+
+
+
再生
(R-SO3)2Ca + 2H ---------------> 2R-SO3H + Ca
+
++ ++ +
(R-SO3)2Mg + 2H ---------------> 2R-SO3H + Mg R-SO3Na + H ---------------------> R-SO3H + Na
交换层
0 100 失效层 , %
泄漏
典型的工作交换容量
树脂种类 工作交换容量 再生剂用量
(克当量每升 ) %
弱酸树脂 强酸树脂 弱碱树脂 强碱树脂

1.0 - 2.6
0.8 - 1.3
105 - 115
200 - 250
0.9 - 1.1
0.3 - 0.7
120 - 125
200 - 300
磺酸基 羧酸基 季胺基盐 叔胺基
离子交换树脂基本物化性能
–离子形态 –交换容量 » 工作交换容量 » 总交换容量 –含水量 –密度 » 真密度 » 堆积密度 –颗粒 » 有效粒径 » 平均粒径
–均一系数
离子交换树脂在水处理应用
–软化
» 以钠型强酸阳离子树脂去除水中的钙镁离子
–除碱
» 以氢型阳离子树脂去除水中的碱性离子

苯乙烯系强碱I型树脂
CH2 CH CH
CH2
CH
CH2
CH3
CH3
CH2 N+ ClCH3
CH3
CH3
CH2 N+ ClCH3
AMBERLITE IRA 402 Cl, AMBERJET 4200 Cl
化学反应
弱碱阴离子交换树脂
运行
= 2R-N OH + SO4 --------> _ R-N OH + Cl --------> _ (R-N)2 SO4 + 2OH _ R-N Cl + OH
与以下因素有关： 硫酸根与总矿物酸比 二氧化碳浓度 水温 运行时间

离子交换系统
离子交换系统
进水 • • • • 树脂 设计 设备 操作 出水
理想的离子交换系统
交联度 % (DVB)
凝胶强酸
树脂颗粒度

以传统反应釜法生产
–颗粒分布呈钟形曲线分布 –树脂颗粒分布在0.3-1.2mm之间 –均一系数在1.5-1.9之间

以先进的喷射法生产
–树脂颗粒分布很均匀 –均一系数在1.25以下
树脂颗粒大小
Amberjet
Amberlite
300
600
900
1200
祄
交联度与多孔性
高
工作交换容量 离子迁移性(动力学性能)
抗氧化性 离子亲和力差异性
低
DVB
高
总交换容量
进水
总交换容量 (Ex: 2.0 eq/l resin)
出口水
含水量
100 90 80
Moisture content, % H20
70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
因为： 1 离子交换树脂没有百分之一百再生转型 2 失效层不是很平坦
工作交换容量与以下因素有关： • 树脂选择性 •再生转型 •进水水质 •流速 •总交换容量 •温度 •床高 •树脂的状况
工作交换容量
失效层
层高
0 100
交换层
失效层 , %
未失效层
运行终点
失效层
工作交换容量
1.2 eq/l resin

硫酸
0.5 to 0.7%



再生剂流速 : HCl 2 to 8 BV/hr 硫酸 15 to 25 BV/hr 慢洗: 以再生流速 2 BV 快洗: 以运行流速 2 to 12 BV 最少接触时间: 30 分钟
弱酸阳离子交换树脂的 工作交换容量
与以下因素有关 : 水的硬度与碱度比 总阳离子量 流速与水温 离子负荷
Pores
Macropore Macropore
Macropore
凝胶树脂
大孔树脂
聚苯乙烯交联化学结构
Cross-linked polystyrene
交联聚苯乙烯
苯乙烯
二乙烯苯
(DVB)
交换功能基
弱酸阳离子树脂 强酸阳离子树脂 弱碱阴离子树脂 强碱阴离子树脂
羧酸基 磺酸基 叔胺基 季胺基
使用弱酸阳离子交换树脂的优点 高交换能力 高再生效率 低再生废液 可利用再生强酸阳离子树脂的废 酸来再生

弱酸阳离子交换树脂的缺点
只对中性及碱性水有效 交换速度比强酸树脂慢 树脂由氢型转成钠型膨胀率高 树脂不能去除所有阳离子

弱酸阳离子交换树脂的再生
再生剂用量： 过量约 10% 再生剂浓度: 盐酸 2 to 5%
树脂颗粒度

Mean Diameter (平均粒径)
平均粒径是树脂颗粒一半通过一半停留 在筛网上的网目的大小

Effective Size
(有效粒径)
有效粒径是90%树脂停留在筛网上的网 目大小

Uniformity Coefficient (均一系数 )
40％树脂颗粒停留在筛网上时的网目大 小除以有效粒径的商数值
–除盐
» 以阳阴离子树脂去除水中的阳阴离子
–精处理
» 以阳阴离子树脂混床去除水中残留的阳阴离子
离子交换树脂是什么？
SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H HO3S SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H SO3H
再生
_ = (R-NH)2 SO4 + 2OH ------> 2R-N + SO4 + 2H2O _ _ R-NH. Cl + OH ------> R-N + Cl + H2O
弱碱阴离子交换树脂
树脂在盐型时较稳定 仅能去除矿物酸 高再生效率 热稳定性好 抗有机物污染 流速对交换能力影响大
5.4 - 5.7
随着时间交换容量降低
苯乙烯系弱碱树脂
CH2 CH CH
CH2
CH
CH2
CH3
CH3
CH2 N:
CH3
CH3
CH2 N:
AMBERLITE IRA96
丙烯酸系阴树脂
CH2 CH C
O NHCH2CH2N
CH2 CH
CH3 CH3 CH3Cl or (CH3)2SO4 O
CH C
Ca++ ++ Mg + Na H+
强碱阴床
-SO4
ClHCO3 HSiO3 OH
Outlet
Outlet
动力学性能 : 离子交换有多快 ?
Ions
纯溶液
泄漏
时间
Total capacity
Operating capacity
0%
100 %
树脂 100 % 再生
开始失效
运行终点
工作交换容量
工作交换容量永远小于总交换容量
再生
_ = (R-N)2 SO4 + 2OH --------> 2R-N OH + SO4 _ _ --------> R-N OH + Cl R-N Cl + OH
阴离子交换树脂选型准则
抗有机污染能力 工作交换容量 硅泄漏 物理稳定性
热稳定性
硅污染
原因
高硅负荷 PH 低 再生温度低
+
+
弱酸阳离子交换树脂
CH2
CH COOH CH
CH2
CH
CH2
COOH
COOH
AMBERLITE IRC86
化学反应 弱酸阳离子交换树脂
运行
2R-COOH + Ca(HCO3)2 --------> (R-COO)2Ca + H2CO3 2R-COOH + Mg(HCO3)2 --------> (R-COO)2Mg + H2CO3
WAC H+ Ca++ Mg++ Na+
SBA SO4 Cl CO2 SiO2 OH
WBA OH H2SO4 HCl CO2
低
离子交换平衡
R- H + + Na +
Na ห้องสมุดไป่ตู้H
R- Na +
+ H+
=
[R-Na+ ] [H +] [R-H + ] [Na + ] 选择性系数
Na KH
=
离子选择性
强酸阳床