阴阳离子交换器

弱酸性阳离子树脂

这类树脂含弱酸性基团，如羧基－COOH，能在水中离解出H+
而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO－（R为碳氢基
团），能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。
这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，
只能在碱性、中性或微酸性溶液中（如pH5～14）起作用。这类树
用强碱（如NaOH）进行再生。
弱碱性阴离子树脂

这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基（亦称一级胺基）-NH2、
仲胺基（二级胺基）-NHR、或叔胺基（三级胺基）-NR2，它们在
水中能离解出OH－而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液 离
子交换树脂中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树
脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或
（2）大孔型树脂。这类树脂的制备方法与凝胶型树脂的 不同不同点在于制备大孔结构高分子聚合物骨架时加入了 致孔剂，待聚合反应完成后，再将致孔剂抽提出来，这样 便留下了永久性网孔
大孔型树脂的特点是在整个树脂内部无论干或湿、 收缩或膨胀都存在比凝胶型树脂更大更多的孔 （孔径一般在20~100nm)，因此比表面积大， 所以它具有抗有机物污染的能力，被截留在网孔 中的有机物容易在再生过程中洗脱下来。大孔型 树脂占据一定的空间，离子交换基团含量相对减 少，所以交换容量比凝胶型树脂低一些。
离子交换树脂的性能
一物理性能
①外观 树脂是一种透明或半透明的物质，因其组成不同，颜色各异， 如苯乙烯树脂呈黄色，也有呈黑色和赤褐色的，但对性能影响不大。 一般情况下，原料杂质多或交联剂多，树脂的颜色稍深（但树脂在运 行过程中，因为各种原因有时颜色也会变化）。树脂外形呈球状，要 求圆球率达到90%以上。 ②粒度 树脂颗粒的大小将影响交换速 度、压力损失、反洗效果等。颗粒大小不能相差太大。用于水处理的 离子交换树脂的颗粒以0.3~1.2mm目为宜。粒度的表示方法以有效 粒径和不均匀系数来表示。③密度 关系到水处理工艺和树脂装填量。 密度的表示方法有：干真密度（一般1.6g/cm3左右）、湿真密度 （一般1.04～1.30g/cm3之间）、湿视密度（一般在0.60～ 0.80g/cm3之间）。 ④含水率 树脂的含水率越大，表示孔隙率 越大，交联度越小。 ⑤溶胀率 树脂浸水之后要溶胀，它与交联 度、活性基团、交换容量、水中电解质密度、可交换离子的性质等有 关。树脂在交换与再生过程中会发生胀缩现象，多次胀缩树脂易碎裂。 ⑥耐磨性 反映树脂的机械强度。它应保证每年树脂耗量不超过7%。 ⑦溶解性 树脂内含有低聚合物要逐渐溶解，在树脂使用过程中也会 发生胶溶。 ⑧耐热性 阳树脂耐温100℃左右，强碱性阴树脂可耐 60℃，弱碱性阴树脂可耐温80℃。但在低于或等于0℃时，易结冰而 破碎。 ⑨导电性 干树脂不导电，湿树脂可电导。
阳床内外部结构
顺流再生离子交换器的内部结构 1-进水装置；2-再生液分配装置；3-树脂层；4-排水 装置
图3-11 顺流再生离子交换器的外部 结构
进水装置
反洗空间 压脂层 200mm
中间排液装置 树脂层 1600mm
排水装置
逆流再生阳离子交换器结构图
进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的过水断面上。另 一个作用是均匀收集反洗排水。
二、化学性能
离子交换树脂的化学性质有：离子交换、催化、络盐形成等。其中用于电厂 水处理的，主要是利用它的离子交换性质。所以，这里仅介绍离子交换反应 的可逆性、选择性和表示交换能力大小的交换容量。
（一）离子交换反应的可逆性。
当离子交换树脂遇到水中的离子时，能发生离子交换反应。反应结果，树脂 的骨架不变，只是树脂中交换基团上能解离的离子与水中带同种电荷的离子 发生交换。例如，用8%左右的食盐水，通过RH树脂后，出水中的H+浓度 增加，Na+浓度减小。这说明食盐水通过RH树脂时，树脂中的H+进入水中， 食盐水中的Na+交换到树脂上。这一反应为：
（3）按单体种类分类
按合成树脂的交联度种类不同，离子交换树脂还 可以分为苯乙烯系，丙烯酸系等。此外，还有酚 醛系、环氧系、乙烯吡啶系和尿醛系等，但未在 水处理领域中应用。
离子交换树脂的命名方法
离子交换树脂产品的型号是根据国家标准 GB1631—1979《离子交换树脂产品分类、 命名及型号》制定的。
阳床工作特性
交换器不断进水，随离子交换的不断进行，由于水中的Ca2+比Mg2+、Na2+与树 脂的亲合力更大，更易被树脂吸收，所以水中的Ca2+-离子可和已吸收了Mg2+ 的树脂进行交换反应，使Ca型树脂层向下扩展，而被置换下来的Mg2+一起与 Na+型树脂发生交换，使Mg2+型树脂层下移而Na+的交换区域也逐渐下移。在 运行过程中，这三层不同型态的交换剂的高度在不断地向下扩展，如图3.7.2 所示。

RH+NaCl→RNa+HCl
或 RH+Na+→RNa+H+
如果用4%左右的盐酸通过已经变成RNa的树脂后，出水中的Na+浓度增 加，H+浓度减小。说明树脂中的Na+进入水中，而盐酸中的H+交换到树 脂上。这一反应为：

RNa+HCl→RH+NaCl
或 RNa+H+→RH+Na+
对照两个反应我们知道：离子交换反应是可逆的。这种可逆反应，可用可逆 反应式表示：

RH+NaCl ←RNa+HCl
或 RH+Na+ RNa+H+
（二）Leabharlann Baidu子交换反应的选择性。
这种选择性是指树脂对水中某种离子所显示的优先交换或 吸着的性能。
同种交换剂对水中不同离子选择性的大小，与水中离子的
水合半径以及水中离子所带电荷大小有关；不同种的交换
剂由于交换基团不同，对同种离子选择性大小也不一样。
HSiO3-很弱甚至不吸着。因此，弱碱性阴离子交换剂用于除掉水中
强酸根离子。
（三）交换剂的交换容量。
交换容量是离子交换剂的一项重要技术指标。它定量地表示出一种树 脂能交换离子的多少。交换容量分为全交换容量和工作交换容量。
1. 全交换容量。全交换容量是指离子交换剂能交换离子的总数量。 这一指标表示交换剂所有交换基团上可交换离子的总量。同一种离子 交换剂，它的全交换容量是一个常数，常用mmol/g来表示。
离子交换树脂的结构
骨架
酚醛树脂
OH + CH2O
聚乙烯树脂 活性基团
CH=CH2 +
CH=CH2
CH=CH2
酸性基团 —SO3H
碱性基团 —N+R3
交联剂 特殊基团
离子交换树脂的分类
1按活性基团的性质分类 根据离子交换树脂所带活性基团的性质，
可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。 按活性基团上H+和OH-电离的强弱程度， 又可以分为强酸性阳离子交换和弱酸性阳 离子交换树脂，强碱性阴离子树脂和弱碱 性阴离子交换树脂，此外按活性基团的性 质还可分为螯合性、两性以及氧化还原树 脂。
下面介绍四种交换剂对离子选择性的顺序：
1．强酸性阳离子交换剂，对水中阳离子选择顺序：

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+>H+
2. 弱酸性阳离子交换剂，对水中阳离子的选择顺序：

H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>≈Na+
从上述选择顺序来看，强酸性阳离子交换剂对H+的吸着 力不强；而弱酸性阳离子交换剂则容易吸着H+。所以， 实际应用中，用酸再生弱酸性阳离子交换剂比再生强酸性 阳离子交换剂要容易得多。
强酸性阳离子树脂
这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基－SO3H，容易在溶液 中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如 SO3－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个 离子交换树脂反 应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能 力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。
表 3-1 分 类 代 号 （第一位数字）
代号 活性集团
0
1
2
3
4
5
6
强酸 弱酸 强碱 弱碱 螯合 两性 氧化
性性性性性
还原
性
表 3-2 骨 架 代 号 （第二位数字）
代号 骨架类别
0
1
2
3
4
5
6
苯乙 丙烯 酚醛 环氧 乙烯 脲醛 氯乙 烯系 酸系 系 系 吡啶 系 烯系
系
离于交换树脂型号图解如下：
图3-13 逆流再生离子交换器外部结 构
阳床除盐原理
当水通过强酸性H型阳交换器时，水中所有的阳离子都被强酸性H型 树脂吸收，活性基团上的H+被置换到水中，与水中的阴离子组合生 成酸。其反应式：
强酸性阳离子交换树脂交换反应
1/2Ca 1/2Mg Na
1/2SO4 NCOI3 + RH → R HCO3
阴阳离子交换器
交换树脂的组成
离子交换树脂是由以下三部分组成： 1单体。单体是聚合成高分子化合物的低分子有机
物。它是树脂的主要成分，又称母体。 2交联剂。交联剂是固定树脂形状和增强树脂机械
强度的成分。常用的交联剂是二乙烯苯。 3交换集团是由连接在单体上的具有活性离子的基
团。它是通过磺化反应引入磺酸基—SO3H,通过 胺化引入氨基，如季氨基—N+（CH3)3
压脂层的作用过滤掉水中的悬浮物及机械杂质；使进水通过
压脂层均匀作用于树脂层表面；防止树脂在逆流再生中 乱层。
中间排液装置的作用：中间排液装置对逆流再生离子交换器 运行效果有较大影响，其作用是均匀排出再生液，防止树 脂乱层、流失外，还应有足够的强度，安装时应保证在交 换器内呈水平状态，
排水装置的作用是均匀收集处理好的水；另一个作用是均匀分配反洗进 水。
1名称 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架
名称、基本名称依次排列组成。基本名称 为离子交换树脂。大孔型树脂在全名称前 加“大孔”两字。分类属酸性的在基本名 称前加“阳”字，属碱性的在基本名称前 加“阴”字。
2型号
离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数 字组成，第一位数字代表产品分类，第二 位数字代表骨架组成，第三位数字为顺序 号，用来区别活性基团或交联剂的差异。 代号数字的见下表。凡属大孔型树脂，在 树脂前加“大”字的汉语拼音首字母“D”； 凡属于凝胶型树脂在型号前不加任何字母， 交联度可在型号后用“x”符号连接阿拉伯数 字表示。
2. 工作交换容量。工作交换容量就是在实际运行条件下，可利用的 交换容量。在实际离子交换过程中，可能利用的交换容量比全交换容 量小得多，大约只有全交换容量的60-70%。某种树脂的工作交换 容量大小和树脂的具体工作条件有关，如水的pH值、水中离子浓度、 交换终点的控制标准、树脂层的高度和水的流速等条件，都影响树脂 的工作交换容量。工作交换容量常用mol/m3来表示。
1/2Ca 1/2Mg +
Na
1/2H2SO4 HHNCOI 3 1/2H2CO3
阳离子交换器的出水是酸性水。但当交换器运行失效时，其出水中就会 有其它阳离子的泄漏，而在诸多的阳离子中，首先漏出的阳离子是 Na+，故习惯上称之为漏钠。当出水中的Na+超过一个给定的极限 值时，阳离子交换器被判失效，需停运再生后才能投入运行。
3. 强碱性阴离子交换剂，对水中阴离子的选择顺序：
SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3 4. 弱碱性阴离子交换剂，对水中阴离子的选择顺序：
OH- > SO42- > NO3- >Cl->HCO3-

从阴离子交换剂的选择性来看，用碱再生弱碱性阴离子交换剂
比再生强碱性阴离子交换剂容易。但是弱碱性阴离子交换剂吸着
脂亦是用酸进行再生（比强酸性树脂较易再生）。
强碱性阴离子树脂

这类树脂含有强碱性基团，如季胺基（亦称四级胺基）－
NR3OH(R为碳氢基团），能在水中离解出OH－而呈强碱性。这种
树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换
作用。 这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它
酸性条件（如pH1～9）下工作。它可用Na2CO3、NH4OH进行
再生。
2按离子交换树脂的孔型分类
（1）凝胶型树脂。这种树脂是由苯乙烯和二乙烯苯混合 物在引发剂存在下进行悬浮聚合得到的具有交联网状结构 的聚合物，因为这种聚合物呈透明或半透明的凝胶结构， 所以称为凝胶型树脂。凝胶型树脂的网孔通常很小，平均 孔径约1~2nm，且大小不一。在干态下，这种网孔并不 存在，当浸入水中呈湿态时，它们才能显示出来。因为凝 胶型树脂孔径小，不利于离子运动，直径较大的分子通过 时，容易堵塞网孔，再生时也不易洗脱下来，所以凝胶型 树脂易受到有机物污染。