第八章離子交換樹脂

1、第七章第七章 離子交換基本知識(shí)離子交換基本知識(shí)v第一節(jié)第一節(jié) 離子交換樹脂和離子交換原理離子交換樹脂和離子交換原理v第二節(jié)第二節(jié) 離子交換速度離子交換速度v第三節(jié)第三節(jié) 動(dòng)態(tài)離子交換的層內(nèi)過程動(dòng)態(tài)離子交換的層內(nèi)過程第一節(jié)第一節(jié) 離子交換樹脂和離子交換原理離子交換樹脂和離子交換原理一、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)一、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)v 一類帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子化合物。一類帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子化合物。v 結(jié)構(gòu)分為結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分兩個(gè)部分：v 骨架骨架：高分子化合物所組成的基體，具有龐大的空間結(jié)構(gòu)；高分子化合物所組成的基體，具有龐大的空間結(jié)構(gòu)；v 可交換離子的可交換離子的活性基團(tuán)活性基團(tuán)：通

2、過化學(xué)鍵結(jié)合在高分子骨架上，通過化學(xué)鍵結(jié)合在高分子骨架上，起提供可交換離子的作用。起提供可交換離子的作用。v 活性基團(tuán)：一是活性基團(tuán)：一是固定部分固定部分，與骨架牢固結(jié)合，不能自由移動(dòng)，與骨架牢固結(jié)合，不能自由移動(dòng)，故稱固定離子；二是故稱固定離子；二是活動(dòng)部分活動(dòng)部分，遇水可以離解，并能在一定，遇水可以離解，并能在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)，可與周圍水中的其他帶有同種電荷的離子范圍內(nèi)自由移動(dòng)，可與周圍水中的其他帶有同種電荷的離子進(jìn)行交換反應(yīng)，故稱可交換離子進(jìn)行交換反應(yīng)，故稱可交換離子。二、離子交換樹脂的合成二、離子交換樹脂的合成v 第一階段為高分子聚合物骨架的制備第一階段為高分子聚合物骨架的制備，即將

3、單體制備成球，即將單體制備成球狀的高分子聚合物。其制備方法通常是將聚合物單體和分狀的高分子聚合物。其制備方法通常是將聚合物單體和分散劑等放入水溶液中，通過攪拌使其在懸浮狀態(tài)下聚合成散劑等放入水溶液中，通過攪拌使其在懸浮狀態(tài)下聚合成球狀物。此時(shí)的球狀物還沒有可交換基團(tuán)，故也稱為白球球狀物。此時(shí)的球狀物還沒有可交換基團(tuán)，故也稱為白球或惰性樹脂?；蚨栊詷渲?。v 第二階段是在這種高分子聚合物上進(jìn)行有機(jī)高分子反應(yīng)，第二階段是在這種高分子聚合物上進(jìn)行有機(jī)高分子反應(yīng)，引入活性基團(tuán)，引入活性基團(tuán)，成為反應(yīng)性高分子材料，即離子交換樹脂。成為反應(yīng)性高分子材料，即離子交換樹脂。v 也有些離子交換樹脂是由已具備活性基

4、團(tuán)的單體經(jīng)過聚合，也有些離子交換樹脂是由已具備活性基團(tuán)的單體經(jīng)過聚合，或在聚合過程中同步引入活性基團(tuán)，或在聚合過程中同步引入活性基團(tuán)，直接一步制得的，如直接一步制得的，如丙烯酸系樹脂。丙烯酸系樹脂。1 1、苯乙烯系離子交換樹脂、苯乙烯系離子交換樹脂v 應(yīng)用最廣泛的一種離子交換劑。應(yīng)用最廣泛的一種離子交換劑。（1 1）第一階段：它是以苯乙烯和二乙烯苯聚合成的高分子化合物）第一階段：它是以苯乙烯和二乙烯苯聚合成的高分子化合物為骨架。為骨架。v 二乙烯苯為交聯(lián)劑二乙烯苯為交聯(lián)劑，可以把兩個(gè)苯乙烯聚合成的線性高分子交，可以把兩個(gè)苯乙烯聚合成的線性高分子交聯(lián)起來，使之成為體型高分子化合物。在聚合物中起交

5、聯(lián)作用聯(lián)起來，使之成為體型高分子化合物。在聚合物中起交聯(lián)作用的二乙烯苯的質(zhì)量百分率稱為樹脂的交聯(lián)度，常用的二乙烯苯的質(zhì)量百分率稱為樹脂的交聯(lián)度，常用DVBDVB表示。表示。（2 2）第二階段：引入活性基團(tuán)，可以制得陽(yáng)離子交換樹脂，）第二階段：引入活性基團(tuán)，可以制得陽(yáng)離子交換樹脂，也可以制得陰離子交換樹脂。也可以制得陰離子交換樹脂。v 1 1）磺酸型苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂）磺酸型苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂v 2 2）苯乙烯系陰離子交換樹脂）苯乙烯系陰離子交換樹脂v 制造方法是先將聚苯乙烯氯甲基化，然后胺化。叔胺得強(qiáng)堿制造方法是先將聚苯乙烯氯甲基化，然后胺化。叔胺得強(qiáng)堿型。型。2 2、丙烯酸系離子交換

6、樹脂、丙烯酸系離子交換樹脂（1 1）第一階段：它是以丙烯酸甲酯（甲基丙烯酸甲酯）與二）第一階段：它是以丙烯酸甲酯（甲基丙烯酸甲酯）與二乙烯苯交聯(lián)劑共聚而成。乙烯苯交聯(lián)劑共聚而成。v 或?qū)懗苫驅(qū)懗蒖COOCH3RCOOCH3v 此聚合物上已帶有活性基團(tuán)，采用以下方法就可轉(zhuǎn)化為陽(yáng)此聚合物上已帶有活性基團(tuán)，采用以下方法就可轉(zhuǎn)化為陽(yáng)樹脂或陰樹脂樹脂或陰樹脂v 1 1）丙烯酸系羧酸型陽(yáng)離子交換樹脂）丙烯酸系羧酸型陽(yáng)離子交換樹脂v 2 2）丙烯酸系陰離子交換樹脂）丙烯酸系陰離子交換樹脂v 將將RCOOCH3RCOOCH3胺化。胺化。3RCOOCHRCOOH 2濃KOHH Ov 書寫書寫: :把樹脂骨架和固

7、定離子用把樹脂骨架和固定離子用R R表示，酸性樹脂表示成表示，酸性樹脂表示成RHRH，堿性表示成堿性表示成ROHROH；但這種方法不能反映出樹脂酸堿性強(qiáng)弱，；但這種方法不能反映出樹脂酸堿性強(qiáng)弱，v 有時(shí)寫出固定離子，如：有時(shí)寫出固定離子，如：v R-SOR-SO3 3H H，RCOOHRCOOH。v R-NR-N（CHCH3 3）3 3OHOH（I I），）， R-NR-N（CHCH3 3）2 2（C C2 2H H4 4OHOH）OHOH（IIII）。）。v RNHOHRNHOH（叔胺型），（叔胺型），RNHRNH2 2OHOH（仲胺型），（仲胺型）， RNHRNH3 3OHOH（伯胺型）（

8、伯胺型）。三、離子交換樹脂的分類三、離子交換樹脂的分類1 1、按、按活性基團(tuán)的性質(zhì)活性基團(tuán)的性質(zhì)分類分類v 陽(yáng)離子交換樹脂陽(yáng)離子交換樹脂：能與水中陽(yáng)離子進(jìn)行交換反應(yīng)的稱為陽(yáng)離：能與水中陽(yáng)離子進(jìn)行交換反應(yīng)的稱為陽(yáng)離子交換樹脂；根據(jù)子交換樹脂；根據(jù)H H離子電離的強(qiáng)弱程度分為：強(qiáng)酸性和弱離子電離的強(qiáng)弱程度分為：強(qiáng)酸性和弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂酸性陽(yáng)離子交換樹脂v 陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂：能與水中陰離子進(jìn)行交換反應(yīng)的稱為陰離：能與水中陰離子進(jìn)行交換反應(yīng)的稱為陰離子交換樹脂。根據(jù)子交換樹脂。根據(jù)OHOH根離子電離的強(qiáng)弱程度分為：強(qiáng)堿性和根離子電離的強(qiáng)弱程度分為：強(qiáng)堿性和弱堿性陰離子交換樹脂弱堿性陰離

9、子交換樹脂v 另外，按活性基團(tuán)性質(zhì)還可以分為螯合、兩性和氧化還原等另外，按活性基團(tuán)性質(zhì)還可以分為螯合、兩性和氧化還原等樹脂。樹脂。2 2、按、按樹脂單體的種類樹脂單體的種類分類分類v 有苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等有苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等3 3、按離子交換樹脂孔結(jié)構(gòu)分類、按離子交換樹脂孔結(jié)構(gòu)分類1 1）凝膠型樹脂）凝膠型樹脂v 許多不規(guī)則的網(wǎng)狀高分子構(gòu)成的，類似凝膠。許多不規(guī)則的網(wǎng)狀高分子構(gòu)成的，類似凝膠。v 孔徑平均為孔徑平均為12nm12nm，凝膠型樹脂的孔眼由高分子鏈和交聯(lián)劑，凝膠型樹脂的孔眼由高分子鏈和交聯(lián)劑相鍵合而形成，這些孔眼不是其原有的，而是當(dāng)它浸入水中相鍵合而形成，這些孔

10、眼不是其原有的，而是當(dāng)它浸入水中時(shí)，由于活性基團(tuán)發(fā)生水化而顯示出來的。時(shí)，由于活性基團(tuán)發(fā)生水化而顯示出來的。v 缺點(diǎn)：孔徑小，交換速度較慢，易堵塞，易受有機(jī)物污染；缺點(diǎn)：孔徑小，交換速度較慢，易堵塞，易受有機(jī)物污染；聚合反應(yīng)總是二乙烯苯先反應(yīng)完，所以機(jī)械強(qiáng)度較差。聚合反應(yīng)總是二乙烯苯先反應(yīng)完，所以機(jī)械強(qiáng)度較差。2 2）大孔型樹脂）大孔型樹脂(MR(MR型樹脂型樹脂) )v 2020一一100nm100nm以上。以上。v 大孔型樹脂在制備高分子骨架時(shí)加入致孔劑，反應(yīng)完成后再大孔型樹脂在制備高分子骨架時(shí)加入致孔劑，反應(yīng)完成后再抽取出來，這樣就留下了永久網(wǎng)孔。不論是干的或濕的樹脂，抽取出來，這樣就留

11、下了永久網(wǎng)孔。不論是干的或濕的樹脂，這些孔眼都可用電子顯微鏡看到。這些孔眼都可用電子顯微鏡看到。v 大孔型樹脂的優(yōu)點(diǎn)：孔徑大，交換速度加快，能抗有機(jī)物的大孔型樹脂的優(yōu)點(diǎn)：孔徑大，交換速度加快，能抗有機(jī)物的污染；交聯(lián)度大，抗氧化性好和機(jī)械強(qiáng)度高。污染；交聯(lián)度大，抗氧化性好和機(jī)械強(qiáng)度高。 v 缺點(diǎn)：是交換容量較低。缺點(diǎn)：是交換容量較低。第二代大孔型樹脂第二代大孔型樹脂1 1一一2020，四、離子交換樹脂的命名四、離子交換樹脂的命名v 根據(jù)國(guó)標(biāo)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 163179GB 163179離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號(hào)離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號(hào)制定。制定。v 1 1、全稱、全稱v 離子交換樹脂

12、的全稱由分類名稱、骨架名稱、基本名稱依次離子交換樹脂的全稱由分類名稱、骨架名稱、基本名稱依次排列組成?；久Q為離子交換樹脂。大孔型樹脂在全稱前排列組成?；久Q為離子交換樹脂。大孔型樹脂在全稱前加加“大孔大孔”兩字。分類屬酸性的在基本名稱前加兩字。分類屬酸性的在基本名稱前加“陽(yáng)陽(yáng)”字，字，分類屬堿性的在基本名稱前加分類屬堿性的在基本名稱前加“陰陰”字。字。v 2 2、型號(hào)、型號(hào)v 離子交換樹脂產(chǎn)品的型號(hào)由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)離子交換樹脂產(chǎn)品的型號(hào)由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品分類，第二位數(shù)字表示骨架組成，第三位數(shù)字為字代表產(chǎn)品分類，第二位數(shù)字表示骨架組成，第三位數(shù)字為順序號(hào)

13、，用以區(qū)別活性基團(tuán)或交聯(lián)劑的差異。順序號(hào)，用以區(qū)別活性基團(tuán)或交聯(lián)劑的差異。代號(hào)代號(hào)0 01 12 23 34 45 56 6分類名稱分類名稱強(qiáng)酸性強(qiáng)酸性弱酸性弱酸性強(qiáng)堿性強(qiáng)堿性弱堿性弱堿性螯合性螯合性兩性兩性氧化還原氧化還原性性骨架名稱骨架名稱苯乙烯苯乙烯系系丙烯酸丙烯酸系系酚醛系酚醛系環(huán)氧系環(huán)氧系乙烯吡啶乙烯吡啶系系脲醛系脲醛系氯乙烯系氯乙烯系第四位數(shù)字代表交聯(lián)度（第四位數(shù)字代表交聯(lián)度（% %）聯(lián)結(jié)符號(hào)聯(lián)結(jié)符號(hào)第三位數(shù)字代表順序代號(hào)第三位數(shù)字代表順序代號(hào)第二位數(shù)字代表骨架代號(hào)第二位數(shù)字代表骨架代號(hào)第一位數(shù)字代表分類（活第一位數(shù)字代表分類（活性基團(tuán)）代號(hào)性基團(tuán)）代號(hào)第三位數(shù)字代表順序代號(hào)第三位

14、數(shù)字代表順序代號(hào)第二位數(shù)字代表骨架代號(hào)第二位數(shù)字代表骨架代號(hào)第一位數(shù)字代表分類（活性基團(tuán)）第一位數(shù)字代表分類（活性基團(tuán)）代號(hào)代號(hào)大孔型代號(hào)大孔型代號(hào)凝膠型凝膠型大孔型大孔型0010017 7D301D301v 目前常用的四種交換樹脂全稱和型號(hào)分別為：目前常用的四種交換樹脂全稱和型號(hào)分別為：v 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂，型號(hào)為強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂，型號(hào)為0010017 7；v 強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，型號(hào)為強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，型號(hào)為2012017 7；v 大孔型弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹脂，型號(hào)為大孔型弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹脂，型號(hào)為D113D113；v 大孔型弱

15、堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，型號(hào)為大孔型弱堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，型號(hào)為D301D301。 v GB/T1631-2008GB/T1631-2008離子交換樹脂命名系統(tǒng)和基本規(guī)范離子交換樹脂命名系統(tǒng)和基本規(guī)范增加增加了專用符號(hào)：了專用符號(hào)：R-R-軟化器、軟化器、MB-MB-混床、混床、FC-FC-浮床、浮床、SC-SC-雙層床、雙層床、MBP-MBP-凝結(jié)水混床、凝結(jié)水混床、P-P-凝結(jié)水單床、凝結(jié)水單床、TR-TR-三層混床用樹脂。三層混床用樹脂。五、離子交換樹脂性能五、離子交換樹脂性能1 1、物理性能、物理性能1 1）外觀）外觀v 顏色顏色。離子交換樹脂是一種。離子交換樹脂是一種透明

16、或半透明的物質(zhì)透明或半透明的物質(zhì)，依其組成，依其組成的不同，呈現(xiàn)的顏色也各異：的不同，呈現(xiàn)的顏色也各異：苯乙烯系均呈黃色苯乙烯系均呈黃色，其他也有，其他也有黑及赤褐色的。樹脂的顏色和它的性能關(guān)系不大。一般地，黑及赤褐色的。樹脂的顏色和它的性能關(guān)系不大。一般地，交聯(lián)劑多的，原料中雜質(zhì)多的，制出的樹脂顏色稍深交聯(lián)劑多的，原料中雜質(zhì)多的，制出的樹脂顏色稍深。樹脂。樹脂在使用中，由于可交換離子的轉(zhuǎn)換或受雜質(zhì)的污染等原因，在使用中，由于可交換離子的轉(zhuǎn)換或受雜質(zhì)的污染等原因，其顏色會(huì)發(fā)生變化，但這種變化不能確切表明它發(fā)生了什么其顏色會(huì)發(fā)生變化，但這種變化不能確切表明它發(fā)生了什么改變，所以只可以作為參考。改

17、變，所以只可以作為參考。v 形狀形狀。離子交換樹脂一般均呈球形。樹脂呈球狀顆粒數(shù)占顆。離子交換樹脂一般均呈球形。樹脂呈球狀顆粒數(shù)占顆粒總數(shù)的百分率，稱為圓球率。對(duì)于交換柱水處理工藝來說，粒總數(shù)的百分率，稱為圓球率。對(duì)于交換柱水處理工藝來說，圓球率愈大愈好，有利于樹脂層中水流分布均勻和減小水流圓球率愈大愈好，有利于樹脂層中水流分布均勻和減小水流阻力，它一般應(yīng)達(dá)阻力，它一般應(yīng)達(dá)9090以上。以上。2 2）粒度）粒度 樹脂顆粒大小樹脂顆粒大小v 樹脂顆粒的大小對(duì)水處理的工藝過程有較大的影響。樹脂顆粒的大小對(duì)水處理的工藝過程有較大的影響。顆粒大，顆粒大，交換速度就慢；交換速度就慢；顆粒小，顆粒小，水通

18、過樹脂層的壓力損失就大。水通過樹脂層的壓力損失就大。 樹脂顆粒均勻性樹脂顆粒均勻性v 顆粒不均勻?qū)λ幚淼墓に囘^程是不利的。顆粒不均勻?qū)λ幚淼墓に囘^程是不利的。首先首先是因?yàn)樾☆w是因?yàn)樾☆w粒堵塞了大顆粒間的孔隙，水流不勻和阻力增大；粒堵塞了大顆粒間的孔隙，水流不勻和阻力增大；其次其次在反在反洗時(shí)流速過大會(huì)沖走小顆粒樹脂，而流速過小，又不能松動(dòng)洗時(shí)流速過大會(huì)沖走小顆粒樹脂，而流速過小，又不能松動(dòng)大顆粒。大顆粒。 樹脂的粒度樹脂的粒度v 表示樹脂粒度的指標(biāo)有：表示樹脂粒度的指標(biāo)有：有效粒徑、均一系數(shù)、粒徑范圍有效粒徑、均一系數(shù)、粒徑范圍。 v 有效粒徑有效粒徑是指有是指有90%90%樹脂樹脂體積

19、體積未能通過未能通過的篩孔孔徑（的篩孔孔徑（mmmm），用），用d d9090表示。表示。v 均一系數(shù)均一系數(shù)是指有是指有40%40%樹脂樹脂體積體積未能通過未能通過的篩孔孔徑（用的篩孔孔徑（用d d4040表示）表示）與與d d9090之比值，用之比值，用K K4040表示。表示。v 均一系數(shù)越小，樹脂顆粒也越均勻。均一系數(shù)越小，樹脂顆粒也越均勻。v 粒徑范圍粒徑范圍一般為一般為0.3151.250mm0.3151.250mm。 v 注：樹脂通常是濕態(tài)下使用，所以在進(jìn)行樹脂粒度分布測(cè)定時(shí)，注：樹脂通常是濕態(tài)下使用，所以在進(jìn)行樹脂粒度分布測(cè)定時(shí)，是將完全水化的樹脂在濕態(tài)下進(jìn)行篩分測(cè)定。是將完全

20、水化的樹脂在濕態(tài)下進(jìn)行篩分測(cè)定。3 3）密度）密度v 離子交換樹脂的密度是水處理工藝中的實(shí)用數(shù)據(jù)。離子交換離子交換樹脂的密度是水處理工藝中的實(shí)用數(shù)據(jù)。離子交換樹脂的密度有以下幾種表示法：樹脂的密度有以下幾種表示法：v (1)(1)干真密度。干真密度即在干燥狀態(tài)下樹脂本身的密度：干真密度。干真密度即在干燥狀態(tài)下樹脂本身的密度：v 真體積是指樹脂的排液體積，不包括顆粒內(nèi)的孔隙和顆粒間真體積是指樹脂的排液體積，不包括顆粒內(nèi)的孔隙和顆粒間的空隙。求真體積時(shí)，用不會(huì)使樹脂溶脹的溶劑，如甲苯。的空隙。求真體積時(shí)，用不會(huì)使樹脂溶脹的溶劑，如甲苯。v 此值一般為此值一般為1.61.6左右，在實(shí)用上意義不大，常

21、用在研究樹脂性左右，在實(shí)用上意義不大，常用在研究樹脂性能方面。能方面。g/ml干樹脂質(zhì)量干真密度樹脂的真體積(2)濕真密度。是指樹脂在水中經(jīng)充分膨脹后的真密度： 這里的濕樹脂真體積，是指顆粒在濕狀態(tài)下的體積，即包括這里的濕樹脂真體積，是指顆粒在濕狀態(tài)下的體積，即包括顆粒網(wǎng)孔的體積，但顆粒和顆粒間的孔隙不應(yīng)算入。顆粒網(wǎng)孔的體積，但顆粒和顆粒間的孔隙不應(yīng)算入。 濕真密度和樹脂在水中的沉降性能有關(guān)，它是影響其實(shí)際應(yīng)濕真密度和樹脂在水中的沉降性能有關(guān)，它是影響其實(shí)際應(yīng)用性能的一個(gè)指標(biāo)。此數(shù)值一般在用性能的一個(gè)指標(biāo)。此數(shù)值一般在1.04-1.31.04-1.3之間。之間。陽(yáng)樹脂常陽(yáng)樹脂常比陰樹脂的濕真密

22、度大。比陰樹脂的濕真密度大。(3)(3)濕視密度。是指樹脂在水中經(jīng)充分膨脹后的堆積密度：濕視密度。是指樹脂在水中經(jīng)充分膨脹后的堆積密度： 濕視密度用來計(jì)算交換器中裝載樹脂時(shí)所需濕樹脂的質(zhì)量，濕視密度用來計(jì)算交換器中裝載樹脂時(shí)所需濕樹脂的質(zhì)量，此值一般在此值一般在0.600.850.600.85之間。密度與骨架及交換基團(tuán)性質(zhì)、之間。密度與骨架及交換基團(tuán)性質(zhì)、交聯(lián)度等有關(guān)。交聯(lián)度等有關(guān)。g/ml濕樹脂質(zhì)量濕真密度濕樹脂的真體積g/ml濕樹脂質(zhì)量濕視密度濕樹脂的堆體積4 4）含水率）含水率v樹脂的含水率通常是把濕樹脂表面的游離水除樹脂的含水率通常是把濕樹脂表面的游離水除去后，用單位質(zhì)量濕樹脂顆粒網(wǎng)孔

23、內(nèi)，所含水去后，用單位質(zhì)量濕樹脂顆粒網(wǎng)孔內(nèi)，所含水分的百分率來表示，一般在分的百分率來表示，一般在50%50%左右。左右。v它可以反映交聯(lián)度和網(wǎng)眼中的孔隙率。樹脂的它可以反映交聯(lián)度和網(wǎng)眼中的孔隙率。樹脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交聯(lián)度愈含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交聯(lián)度愈小。小。5 5）溶脹性）溶脹性v 當(dāng)干的離子交換樹脂浸入水中時(shí)，其體積會(huì)膨脹，這種現(xiàn)當(dāng)干的離子交換樹脂浸入水中時(shí)，其體積會(huì)膨脹，這種現(xiàn)象稱為象稱為溶脹溶脹。溶脹是高分子材料在某些溶劑中常表現(xiàn)出的。溶脹是高分子材料在某些溶劑中常表現(xiàn)出的現(xiàn)象。一是現(xiàn)象。一是不可逆不可逆的，即新樹脂經(jīng)溶脹后，如重新干燥，的，即新樹脂經(jīng)溶

24、脹后，如重新干燥，它不再恢復(fù)到原來的大??；另一種是它不再恢復(fù)到原來的大??；另一種是可逆可逆的，即當(dāng)樹脂浸的，即當(dāng)樹脂浸入水時(shí)就會(huì)溶脹，干燥時(shí)又會(huì)恢復(fù)。影響溶脹的因素有：入水時(shí)就會(huì)溶脹，干燥時(shí)又會(huì)恢復(fù)。影響溶脹的因素有：交聯(lián)度交聯(lián)度，交聯(lián)度越大，溶脹性越小。，交聯(lián)度越大，溶脹性越小。活性基團(tuán)，此基團(tuán)越容易電離，樹脂溶脹性越強(qiáng)；此基團(tuán)活性基團(tuán)，此基團(tuán)越容易電離，樹脂溶脹性越強(qiáng)；此基團(tuán)越多，交換容量越大，吸水性越強(qiáng)，溶脹性越強(qiáng)。越多，交換容量越大，吸水性越強(qiáng)，溶脹性越強(qiáng)。溶液濃度，溶液中離子濃度越大，樹脂溶脹性越小。溶液濃度，溶液中離子濃度越大，樹脂溶脹性越小?？山粨Q離子，可交換離子價(jià)可交換離子，可

25、交換離子價(jià)數(shù)越高，溶脹性越差數(shù)越高，溶脹性越差；水；水合合能力越強(qiáng)，溶脹性越強(qiáng)能力越強(qiáng)，溶脹性越強(qiáng)，對(duì)于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性離子交換樹，對(duì)于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性離子交換樹脂，溶脹率大小的次序?yàn)椋褐?，溶脹率大小的次序?yàn)椋簐 H H+ +NaNa+ +NHNH4 4+ +K K+ +AgAg+ +v OHOH- -HCOHCO3 3- -COCO3 32-2-SOSO4 42-2-C1C1- -v 當(dāng)樹脂當(dāng)樹脂由一種離子型轉(zhuǎn)為另一種離子型時(shí)由一種離子型轉(zhuǎn)為另一種離子型時(shí)，其體積就會(huì)，其體積就會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)樹脂體積改變的百分?jǐn)?shù)稱為發(fā)生變化，此時(shí)樹脂體積改變的百分?jǐn)?shù)稱為樹脂轉(zhuǎn)型體樹脂轉(zhuǎn)型體積改變率。積改變率。v 由

26、于離子交換樹脂具有這樣的性能，因而在其交換相再由于離子交換樹脂具有這樣的性能，因而在其交換相再生的過程中會(huì)發(fā)生脹縮現(xiàn)象，多次的脹縮就容易促使樹生的過程中會(huì)發(fā)生脹縮現(xiàn)象，多次的脹縮就容易促使樹脂顆粒碎裂脂顆粒碎裂。6 6）機(jī)械強(qiáng)度）機(jī)械強(qiáng)度v 樹脂在使用過程中，由于相互摩擦、擠壓及周期性的轉(zhuǎn)型使樹脂在使用過程中，由于相互摩擦、擠壓及周期性的轉(zhuǎn)型使其體積脹縮等，都可能致使樹脂顆粒的破裂，影響樹脂的正其體積脹縮等，都可能致使樹脂顆粒的破裂，影響樹脂的正常使用。因此，離子交換樹脂必須具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。常使用。因此，離子交換樹脂必須具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。v 樹脂機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樹脂機(jī)械

27、強(qiáng)度的指標(biāo)，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的磨后圓球率磨后圓球率和和滲滲磨圓球率磨圓球率。v 磨后圓球率：按規(guī)定稱取一定量的磨后圓球率：按規(guī)定稱取一定量的濕樹脂濕樹脂，放入裝有瓷球的，放入裝有瓷球的滾筒中滾磨，磨后的滾筒中滾磨，磨后的樹脂圓球顆粒占樣品總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)樹脂圓球顆粒占樣品總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。v 滲磨圓球率：將樹脂用滲磨圓球率：將樹脂用酸堿反復(fù)轉(zhuǎn)型酸堿反復(fù)轉(zhuǎn)型，然后用前述方法測(cè)得，然后用前述方法測(cè)得的樹脂磨后圓球率。表示的樹脂磨后圓球率。表示樹脂耐滲透壓能力樹脂耐滲透壓能力。新標(biāo)準(zhǔn)用新標(biāo)準(zhǔn)用此法表示凝膠和大孔樹脂機(jī)械強(qiáng)度。此法表示凝膠和大孔樹脂機(jī)械強(qiáng)度。7 7）耐熱性）耐熱性v 各種樹脂所能承受的

28、溫度都有限度，超過此溫度，各種樹脂所能承受的溫度都有限度，超過此溫度，樹脂熱樹脂熱分解的現(xiàn)象就很嚴(yán)重。分解的現(xiàn)象就很嚴(yán)重。由于各種樹脂的耐熱性能不一，所由于各種樹脂的耐熱性能不一，所以對(duì)每種樹脂能承受的最高溫度，應(yīng)由鑒定試驗(yàn)來確定。以對(duì)每種樹脂能承受的最高溫度，應(yīng)由鑒定試驗(yàn)來確定。v 一般規(guī)律是：一般規(guī)律是：陽(yáng)樹脂陽(yáng)樹脂比陰樹脂耐熱性強(qiáng)。比陰樹脂耐熱性強(qiáng)。鹽型樹脂鹽型樹脂要比游離酸或堿型樹脂耐熱性強(qiáng)。要比游離酸或堿型樹脂耐熱性強(qiáng)。I I型型強(qiáng)堿樹脂比強(qiáng)堿樹脂比IIII型強(qiáng)堿樹脂耐熱性強(qiáng)。型強(qiáng)堿樹脂耐熱性強(qiáng)。弱堿性基團(tuán)弱堿性基團(tuán)比強(qiáng)堿性基團(tuán)耐熱性強(qiáng)。比強(qiáng)堿性基團(tuán)耐熱性強(qiáng)。苯乙烯系苯乙烯系強(qiáng)堿性樹

29、脂比丙烯酸性強(qiáng)堿性樹脂耐熱性強(qiáng)。強(qiáng)堿性樹脂比丙烯酸性強(qiáng)堿性樹脂耐熱性強(qiáng)。v 一般苯乙烯系磺酸型陽(yáng)樹脂可耐一般苯乙烯系磺酸型陽(yáng)樹脂可耐100100或更高的溫度；苯乙或更高的溫度；苯乙烯系陰樹脂，強(qiáng)堿性的約可耐烯系陰樹脂，強(qiáng)堿性的約可耐6060，弱堿性的可耐，弱堿性的可耐8080以以上，丙烯酸系強(qiáng)堿陰樹脂的使用溫度應(yīng)低于上，丙烯酸系強(qiáng)堿陰樹脂的使用溫度應(yīng)低于38 38 。8 8）導(dǎo)電性）導(dǎo)電性v干燥的離子交換樹脂不導(dǎo)電，濕樹脂因有離解干燥的離子交換樹脂不導(dǎo)電，濕樹脂因有離解的離子可以導(dǎo)電，陽(yáng)樹脂的導(dǎo)電率比陰樹脂大，的離子可以導(dǎo)電，陽(yáng)樹脂的導(dǎo)電率比陰樹脂大，這一點(diǎn)可用在混合樹脂分離的檢測(cè)上。樹脂的這

30、一點(diǎn)可用在混合樹脂分離的檢測(cè)上。樹脂的導(dǎo)電性在離子交換膜的應(yīng)用上也很重要。導(dǎo)電性在離子交換膜的應(yīng)用上也很重要。2 2、化學(xué)性能、化學(xué)性能1 1）可逆性）可逆性v 離子交換反應(yīng)是可逆的，例如當(dāng)以含有硬度的水通過離子交換反應(yīng)是可逆的，例如當(dāng)以含有硬度的水通過H H型離型離子交換樹脂時(shí)，其反應(yīng)如下式：子交換樹脂時(shí)，其反應(yīng)如下式：2RH+Ca2RH+Ca2+2+RR2 2Ca+2HCa+2H+ + v 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到失效后，為了恢復(fù)離子交換樹脂交換能力，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到失效后，為了恢復(fù)離子交換樹脂交換能力，就可以利用離子交換反應(yīng)的可逆性，用硫酸或鹽酸溶液通就可以利用離子交換反應(yīng)的可逆性，用硫酸或鹽酸溶液通過

31、此失效的離子交換樹脂，以恢復(fù)其交換能力，其反應(yīng)如過此失效的離子交換樹脂，以恢復(fù)其交換能力，其反應(yīng)如下式：下式：R R2 2Ca+2HCa+2H+ + 2RH+Ca 2RH+Ca2+2+ v 離子交換反應(yīng)的可逆性，是離子交換樹脂可以反復(fù)使用的離子交換反應(yīng)的可逆性，是離子交換樹脂可以反復(fù)使用的重要性質(zhì)。重要性質(zhì)。2 2）酸、堿性）酸、堿性v H H型陽(yáng)離子交換樹脂和型陽(yáng)離子交換樹脂和OHOH型陰離子交換樹脂的性能與電解質(zhì)型陰離子交換樹脂的性能與電解質(zhì)酸、堿相同。在水中有電離出酸、堿相同。在水中有電離出H H+ +和和OHOH- -的能力。因此，根據(jù)此的能力。因此，根據(jù)此能力的大小可以有強(qiáng)弱之分。例

32、如：能力的大小可以有強(qiáng)弱之分。例如：v 強(qiáng)酸性陽(yáng)樹脂：磺酸型強(qiáng)酸性陽(yáng)樹脂：磺酸型RSORSO3 3H H；v 弱酸性陽(yáng)樹脂：羧酸型弱酸性陽(yáng)樹脂：羧酸型RCOOHRCOOH；v 強(qiáng)堿性陰樹脂：季銨型強(qiáng)堿性陰樹脂：季銨型RNOHRNOH；v 弱堿性陰樹脂：伯胺型弱堿性陰樹脂：伯胺型R-NHR-NH3 3OHOH，仲胺型，仲胺型R RNHNH2 2OHOH， 叔胺型叔胺型RNHOHRNHOH。v 也有些離子交換樹脂介于上述強(qiáng)弱之間，例如也有些離子交換樹脂介于上述強(qiáng)弱之間，例如RPORPO3 3H H2 2（膦酸（膦酸基）型離子交換樹脂就是中等酸性的。基）型離子交換樹脂就是中等酸性的。3 3）中和與水

33、解）中和與水解v 離子交換樹脂的中和與水解的性能和通常的電解質(zhì)一樣。離子交換樹脂的中和與水解的性能和通常的電解質(zhì)一樣。H H型離子交換樹脂和堿溶液會(huì)進(jìn)行中和反應(yīng)，如下式：型離子交換樹脂和堿溶液會(huì)進(jìn)行中和反應(yīng)，如下式：RSORSO3 3H+NaOHRSOH+NaOHRSO3 3Na+HNa+H2 2O Ov 因此，因此，H H型離子交換樹脂酸性的強(qiáng)弱，和一種化合物酸性的型離子交換樹脂酸性的強(qiáng)弱，和一種化合物酸性的強(qiáng)弱一樣?？捎脺y(cè)定滴定曲線的辦法來求得。強(qiáng)弱一樣?？捎脺y(cè)定滴定曲線的辦法來求得。v 它的水解反應(yīng)也和通常電解質(zhì)的水解反應(yīng)一樣，當(dāng)水解產(chǎn)物它的水解反應(yīng)也和通常電解質(zhì)的水解反應(yīng)一樣，當(dāng)水解產(chǎn)

34、物有弱酸或弱堿時(shí)，水解度就較大如下式：有弱酸或弱堿時(shí)，水解度就較大如下式：RCOONaRCOONa + H + H2 2ORCOOH+NaOHORCOOH+NaOHRNHRNH3 3Cl+HCl+H2 2ORNHORNH3 3OH+HCl OH+HCl v 所以，具有弱酸性基團(tuán)和弱堿性基團(tuán)的離子交換樹脂的鹽型，所以，具有弱酸性基團(tuán)和弱堿性基團(tuán)的離子交換樹脂的鹽型，容易水解。容易水解。4 4）選擇性）選擇性v 離子交換樹脂吸著各種離子的能力不一，有些離子易被交換離子交換樹脂吸著各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸著，但吸著后要把它置換下來就比較困難；而另一些樹脂吸著，但吸著后要把它置換下來

35、就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的離子交換的選擇性選擇性。選擇性會(huì)影響到離子交換樹樹的。選擇性會(huì)影響到離子交換樹樹的交換和交換和再生再生過程，故在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)很重要的問題。過程，故在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)很重要的問題。v 離子交換樹脂的選擇性主要取決于離子交換樹脂的選擇性主要取決于被交換離子的結(jié)構(gòu)被交換離子的結(jié)構(gòu)。v 一是離子帶的電荷數(shù)，離子所一是離子帶的電荷數(shù)，離子所帶電荷數(shù)越多，則越易被吸著帶電荷數(shù)越多，則越易被吸著，這是因?yàn)殡x子電荷數(shù)越多，與活性基團(tuán)固定離子間的靜電引這是因?yàn)殡x子電荷數(shù)越多，

36、與活性基團(tuán)固定離子間的靜電引力越大，因而親和力也越大；力越大，因而親和力也越大；v 二是對(duì)于帶有相同電荷的離子，二是對(duì)于帶有相同電荷的離子，原子序數(shù)大者較易于被吸著原子序數(shù)大者較易于被吸著，這是因?yàn)樵有驍?shù)大者，形成的水合離子半徑小，與活性基這是因?yàn)樵有驍?shù)大者，形成的水合離子半徑小，與活性基團(tuán)固定離子間的引力大。團(tuán)固定離子間的引力大。v 此外離子交換樹脂的選擇性還與樹脂的交聯(lián)度、活性基團(tuán)、此外離子交換樹脂的選擇性還與樹脂的交聯(lián)度、活性基團(tuán)、可交換離子的性質(zhì)、水中離子濃度等因素有關(guān)可交換離子的性質(zhì)、水中離子濃度等因素有關(guān)。樹脂在常溫、稀溶液中對(duì)常見離子的選擇性順序如下：樹脂在常溫、稀溶液中對(duì)常

37、見離子的選擇性順序如下：v 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂：強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂：v 弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂：弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂：v 強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：v 弱堿性陰離子交換樹脂：弱堿性陰離子交換樹脂：33224FeAlCaMgKNHNaH33224HFeAlCaMgKNHNa24333SONOClOHHCOHSiO2433OHSONOClHCO5 5）交換容量）交換容量v 離子交換樹脂的交換容量表示離子交換樹脂交換能力大小離子交換樹脂的交換容量表示離子交換樹脂交換能力大小的一項(xiàng)性能指標(biāo)，指的是單位質(zhì)量或體積的離子交換樹脂的一項(xiàng)性能指標(biāo)，指的是單位質(zhì)量或體積的離子交換樹脂所具有的

38、（或發(fā)揮作用的）離子交換基團(tuán)的數(shù)量。所具有的（或發(fā)揮作用的）離子交換基團(tuán)的數(shù)量。v 其表示單位有以下兩種：其表示單位有以下兩種：v 一種是一種是質(zhì)量表示法質(zhì)量表示法，通常用，通常用mmolmmolg g表示；表示；v 另一種是另一種是體積表示法體積表示法，通常用，通常用mmolmmolL L表示，這里的體積指表示，這里的體積指濕狀態(tài)下樹脂的堆體積。濕狀態(tài)下樹脂的堆體積。v 今將常用的全交換容量、工作交換容量敘述如下。今將常用的全交換容量、工作交換容量敘述如下。（1 1）全交換容量）全交換容量v 此指標(biāo)表示離子交換樹脂中所有此指標(biāo)表示離子交換樹脂中所有活性基團(tuán)上可交換離子活性基團(tuán)上可交換離子的總

39、量的總量，對(duì)于同一種離子交換樹脂來說，它是常數(shù)。這，對(duì)于同一種離子交換樹脂來說，它是常數(shù)。這種交換容量主要用于離子交換樹脂的研究方面。種交換容量主要用于離子交換樹脂的研究方面。v 交換容量的質(zhì)量表示法和體積表示法之間的關(guān)系如下：交換容量的質(zhì)量表示法和體積表示法之間的關(guān)系如下：v 式中式中q qv v為體積交換容量，為體積交換容量，mmolmmol/L(/L(濕樹脂濕樹脂) )；q qm m為質(zhì)量交為質(zhì)量交換容量，換容量，mmol/gmmol/g( (干樹脂干樹脂) )；W W為含水率；為含水率；s s為濕視密度。為濕視密度。(1)vmsqqW（2 2）工作交換容量）工作交換容量v 表示樹脂在給

40、定的工作條件下，表示樹脂在給定的工作條件下，實(shí)際發(fā)揮的交換容量，單實(shí)際發(fā)揮的交換容量，單位用體積表示法位用體積表示法。所謂工作條件一般指在柱式交換中，一。所謂工作條件一般指在柱式交換中，一定濃度溶液以一定速度通過一定高度的樹脂層，至流出液定濃度溶液以一定速度通過一定高度的樹脂層，至流出液中被去除離子泄漏量得到一定值時(shí)，樹脂所表現(xiàn)出來的交中被去除離子泄漏量得到一定值時(shí)，樹脂所表現(xiàn)出來的交換能力。所以工作交換容量是一種工藝指標(biāo)。換能力。所以工作交換容量是一種工藝指標(biāo)。v 樹脂工作交換容量除了與樹脂本身性能有關(guān)外，還與工作樹脂工作交換容量除了與樹脂本身性能有關(guān)外，還與工作條件有關(guān)，工作條件通常包括進(jìn)

41、水水質(zhì)，終點(diǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)、條件有關(guān)，工作條件通常包括進(jìn)水水質(zhì)，終點(diǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)、樹脂層高、再生劑種類、再生劑用量、再生方式等。樹脂層高、再生劑種類、再生劑用量、再生方式等。6 6）化學(xué)穩(wěn)定性）化學(xué)穩(wěn)定性v 樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性主要是樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性主要是指活性基團(tuán)的穩(wěn)定性指活性基團(tuán)的穩(wěn)定性，以及，以及它的它的抗氧化性能抗氧化性能和和抗輻射性能抗輻射性能。v 各種氧化劑對(duì)樹脂都有氧化作用，會(huì)破壞樹脂的交聯(lián)各種氧化劑對(duì)樹脂都有氧化作用，會(huì)破壞樹脂的交聯(lián)及活性基團(tuán)。樹脂耐氧化性能差別很大。通常，聚苯及活性基團(tuán)。樹脂耐氧化性能差別很大。通常，聚苯乙烯系樹脂比酚醛系樹脂耐氧化性好；乙烯系樹脂比酚醛系樹脂耐氧化性好；

42、大孔型樹脂比大孔型樹脂比凝膠型樹脂抗氧化性好；交聯(lián)度高的樹脂抗氧化性好凝膠型樹脂抗氧化性好；交聯(lián)度高的樹脂抗氧化性好。交聯(lián)度增加，陽(yáng)樹脂抗氧化能力明顯增加，但對(duì)陰樹交聯(lián)度增加，陽(yáng)樹脂抗氧化能力明顯增加，但對(duì)陰樹脂不明顯。脂不明顯。六、離子交換樹脂的交換原理六、離子交換樹脂的交換原理v 離子交換樹脂具有凝膠狀結(jié)構(gòu)，其離子交換過程可用離子交換樹脂具有凝膠狀結(jié)構(gòu)，其離子交換過程可用雙雙電層理論電層理論解釋。解釋。v 雙電層理論認(rèn)為，樹脂分子上的可交換離子在水溶液中雙電層理論認(rèn)為，樹脂分子上的可交換離子在水溶液中能發(fā)生電離，從而使樹脂活性基團(tuán)上留有與可交換離子能發(fā)生電離，從而使樹脂活性基團(tuán)上留有與可交

43、換離子符號(hào)相反的電荷，形成符號(hào)相反的電荷，形成正電場(chǎng)或負(fù)電場(chǎng)正電場(chǎng)或負(fù)電場(chǎng)，在，在靜電引力和靜電引力和濃差擴(kuò)散推動(dòng)力濃差擴(kuò)散推動(dòng)力兩種相反力的作用下，形成雙電層結(jié)構(gòu)，兩種相反力的作用下，形成雙電層結(jié)構(gòu)，其情形與膠體的雙電層結(jié)構(gòu)相同。離子交換作用發(fā)生在其情形與膠體的雙電層結(jié)構(gòu)相同。離子交換作用發(fā)生在水溶液中的離子和雙電層中的反離子之間。水溶液中的離子和雙電層中的反離子之間。 如磺酸型陽(yáng)樹脂能離解出可如磺酸型陽(yáng)樹脂能離解出可交換離子，這種離子可在較大交換離子，這種離子可在較大的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，擴(kuò)散到溶的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，擴(kuò)散到溶液中，同時(shí)，在溶液中的同類液中，同時(shí)，在溶液中的同類電荷離子也能從溶液中

44、擴(kuò)散到電荷離子也能從溶液中擴(kuò)散到整個(gè)樹脂的網(wǎng)孔內(nèi)，在兩種離整個(gè)樹脂的網(wǎng)孔內(nèi)，在兩種離子之間的濃度差推動(dòng)力作用下，子之間的濃度差推動(dòng)力作用下，它們進(jìn)行擴(kuò)散和相互交換。改它們進(jìn)行擴(kuò)散和相互交換。改變離子交換環(huán)境條件，使樹脂變離子交換環(huán)境條件，使樹脂上的可交換離子發(fā)生可逆反應(yīng)上的可交換離子發(fā)生可逆反應(yīng)。v 、離子交換過程、離子交換過程v 離子交換過程不單是離子間交換位置，還包括離子在水溶液和離子交換過程不單是離子間交換位置，還包括離子在水溶液和樹脂顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散過程。以水溶液中離子與樹脂中離子樹脂顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散過程。以水溶液中離子與樹脂中離子的交換反應(yīng)過程為例，實(shí)際包括個(gè)步驟，具體步驟如下：的交換反

45、應(yīng)過程為例，實(shí)際包括個(gè)步驟，具體步驟如下： 主體水溶液中離子向樹脂表面擴(kuò)散；主體水溶液中離子向樹脂表面擴(kuò)散； 離子擴(kuò)散通過樹脂表面邊界水膜；離子擴(kuò)散通過樹脂表面邊界水膜； 離子在樹脂顆?？籽壑袛U(kuò)散到達(dá)有效位置；離子在樹脂顆?？籽壑袛U(kuò)散到達(dá)有效位置； 在交換位置上離子與離子進(jìn)行交換反應(yīng)；在交換位置上離子與離子進(jìn)行交換反應(yīng)； 被交換下來的離子在樹脂顆粒網(wǎng)孔中向顆粒表面擴(kuò)散；被交換下來的離子在樹脂顆粒網(wǎng)孔中向顆粒表面擴(kuò)散； 離子擴(kuò)散通過樹脂表面邊界水膜；離子擴(kuò)散通過樹脂表面邊界水膜； 離子從樹脂表面擴(kuò)散進(jìn)入主體溶液。離子從樹脂表面擴(kuò)散進(jìn)入主體溶液。第二節(jié)離子交換速度第二節(jié)離子交換速度v 、均是離子的

46、擴(kuò)散過程，均是離子的擴(kuò)散過程，其中、步是離子在其中、步是離子在邊界水膜中的擴(kuò)散，稱邊界水膜中的擴(kuò)散，稱為膜擴(kuò)散；為膜擴(kuò)散；v 、步是離子在樹脂、步是離子在樹脂顆粒內(nèi)網(wǎng)孔中的擴(kuò)散，顆粒內(nèi)網(wǎng)孔中的擴(kuò)散，稱為顆粒內(nèi)擴(kuò)散或內(nèi)擴(kuò)稱為顆粒內(nèi)擴(kuò)散或內(nèi)擴(kuò)散。散。、速度控制步驟、速度控制步驟v 由于水不斷在樹脂顆粒間流動(dòng)，起到了一種混合或攪由于水不斷在樹脂顆粒間流動(dòng)，起到了一種混合或攪拌的作用，這就使上述、兩個(gè)過程很快地完成而拌的作用，這就使上述、兩個(gè)過程很快地完成而不至影響交換速度。第步屬于離子間的化學(xué)反應(yīng)，不至影響交換速度。第步屬于離子間的化學(xué)反應(yīng)，通常是很快完成的。所以，控制離子交換速度的步驟通常是很快完

47、成的。所以，控制離子交換速度的步驟通常是膜擴(kuò)散或顆粒內(nèi)擴(kuò)散過程。當(dāng)然，也有可能是通常是膜擴(kuò)散或顆粒內(nèi)擴(kuò)散過程。當(dāng)然，也有可能是兩種過程都影響交換速度的中間狀態(tài)。兩種過程都影響交換速度的中間狀態(tài)。、影響離子交換速度的工藝條件、影響離子交換速度的工藝條件v 離子交換速度受許多工藝條件的影響，如果速度控制離子交換速度受許多工藝條件的影響，如果速度控制步驟不同，則各種工藝條件對(duì)離子交換速度影響的差步驟不同，則各種工藝條件對(duì)離子交換速度影響的差別也是很明顯的。下面討論離子交換柱運(yùn)行工況對(duì)離別也是很明顯的。下面討論離子交換柱運(yùn)行工況對(duì)離子交換速度的影響。子交換速度的影響。）溶液濃度）溶液濃度v 濃度梯度是

48、離子擴(kuò)散的推動(dòng)力，所以溶液濃度是影響濃度梯度是離子擴(kuò)散的推動(dòng)力，所以溶液濃度是影響擴(kuò)散速度的重要因素，濃度越大，擴(kuò)散速度越快。水?dāng)U散速度的重要因素，濃度越大，擴(kuò)散速度越快。水溶液中離子濃度對(duì)溶液中離子濃度對(duì)內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散有不同程度的影響。有不同程度的影響。v 當(dāng)水溶液中離子濃度較大，在當(dāng)水溶液中離子濃度較大，在0.1mol/L0.1mol/L以上時(shí)，膜擴(kuò)散以上時(shí)，膜擴(kuò)散的速度已較快，此時(shí)交換速度主要受內(nèi)擴(kuò)散的支配，即的速度已較快，此時(shí)交換速度主要受內(nèi)擴(kuò)散的支配，即內(nèi)擴(kuò)散是決定性階段內(nèi)擴(kuò)散是決定性階段，這相當(dāng)于水處理工藝中樹脂，這相當(dāng)于水處理工藝中樹脂再生再生時(shí)的情況。若水溶液中電

49、解質(zhì)的濃度較小，在時(shí)的情況。若水溶液中電解質(zhì)的濃度較小，在0.003 0.003 mol/Lmol/L以下時(shí)，膜擴(kuò)散的速度就變得非常慢，故以下時(shí)，膜擴(kuò)散的速度就變得非常慢，故交換速交換速度受膜擴(kuò)散支配度受膜擴(kuò)散支配，這相當(dāng)于離子交換除鹽時(shí)的情況。當(dāng)，這相當(dāng)于離子交換除鹽時(shí)的情況。當(dāng)然，溶液中離子然，溶液中離子濃度變化濃度變化時(shí)，樹脂時(shí)，樹脂因膨脹或收縮也會(huì)影因膨脹或收縮也會(huì)影響到內(nèi)擴(kuò)散響到內(nèi)擴(kuò)散。1nIn1nIn）流速和攪拌速率）流速和攪拌速率v 交換過程中的攪拌或提高水的流速，只能加快交換過程中的攪拌或提高水的流速，只能加快膜擴(kuò)散膜擴(kuò)散，但但不能影響內(nèi)擴(kuò)散不能影響內(nèi)擴(kuò)散。這是由于。這是由于邊

50、界水膜厚度反比與流邊界水膜厚度反比與流速或攪拌速度速或攪拌速度，而顆粒，而顆粒內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散過程基本上過程基本上不受流速或不受流速或攪拌速度變化影響。攪拌速度變化影響。v 在離子交換設(shè)備運(yùn)行中，提高水的流速不僅可以提高在離子交換設(shè)備運(yùn)行中，提高水的流速不僅可以提高設(shè)備出力還可以加快離子交換速度。當(dāng)然，水流速度設(shè)備出力還可以加快離子交換速度。當(dāng)然，水流速度也不是越快越好，也不是越快越好，流速太大時(shí)流速太大時(shí)，水流，水流阻力阻力也會(huì)迅速也會(huì)迅速增增加，加，出水水質(zhì)可能惡化。通常，出水水質(zhì)可能惡化。通常，再生過程受顆粒內(nèi)擴(kuò)再生過程受顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制散控制，因此，再生液流速的提高，因此，再生液流速的提高并

51、不能加快交換速并不能加快交換速度，卻減少了再生液與樹脂的接觸時(shí)間，影響再生效度，卻減少了再生液與樹脂的接觸時(shí)間，影響再生效果，所以再生過程流速較低。果，所以再生過程流速較低。）水溫）水溫v 提高水溫能同時(shí)加快內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散，所以離子交換設(shè)提高水溫能同時(shí)加快內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散，所以離子交換設(shè)備運(yùn)行時(shí)，一般將水溫保持在備運(yùn)行時(shí)，一般將水溫保持在20-4020-40。但也不能過高，。但也不能過高，因?yàn)樗疁剡^高會(huì)影響到交換劑的熱穩(wěn)定性，特別是強(qiáng)堿因?yàn)樗疁剡^高會(huì)影響到交換劑的熱穩(wěn)定性，特別是強(qiáng)堿性陰樹脂，不耐高溫。性陰樹脂，不耐高溫。）樹脂顆粒大小）樹脂顆粒大小v 由于膜擴(kuò)散過程中，離子交換速度與樹脂顆粒粒

52、徑成反由于膜擴(kuò)散過程中，離子交換速度與樹脂顆粒粒徑成反比，而顆粒內(nèi)擴(kuò)散過程中，離子交換速度則與樹脂顆粒比，而顆粒內(nèi)擴(kuò)散過程中，離子交換速度則與樹脂顆粒粒徑的二次方成反比，所以樹脂顆粒越小，交換速度越粒徑的二次方成反比，所以樹脂顆粒越小，交換速度越快。但樹脂顆粒也不宜太小，因?yàn)樘?huì)增大水流通過快。但樹脂顆粒也不宜太小，因?yàn)樘?huì)增大水流通過樹脂層的阻力，且在反洗運(yùn)行時(shí)容易流失。樹脂層的阻力，且在反洗運(yùn)行時(shí)容易流失。）樹脂的交聯(lián)度）樹脂的交聯(lián)度v 樹脂的交聯(lián)度越大，則其顆粒內(nèi)擴(kuò)散越慢，交換速度樹脂的交聯(lián)度越大，則其顆粒內(nèi)擴(kuò)散越慢，交換速度就越慢。當(dāng)水中有粒徑較大的離子存在時(shí)，對(duì)交換速就越慢。當(dāng)水

53、中有粒徑較大的離子存在時(shí)，對(duì)交換速度的影響就更為顯著。度的影響就更為顯著。第三節(jié)第三節(jié) 動(dòng)態(tài)離子交換的層內(nèi)過程動(dòng)態(tài)離子交換的層內(nèi)過程v 離子交換通常是在動(dòng)態(tài)的條件下進(jìn)行，即將交換劑裝入圓柱形離子交換通常是在動(dòng)態(tài)的條件下進(jìn)行，即將交換劑裝入圓柱形的離子交換柱，水在流動(dòng)的狀態(tài)下完成離子交換過程，由于動(dòng)的離子交換柱，水在流動(dòng)的狀態(tài)下完成離子交換過程，由于動(dòng)態(tài)離子交換處理水時(shí)交換反應(yīng)的生成物不斷被排出，因此交換態(tài)離子交換處理水時(shí)交換反應(yīng)的生成物不斷被排出，因此交換反應(yīng)能進(jìn)行得較完全，出水水質(zhì)得以提高。反應(yīng)能進(jìn)行得較完全，出水水質(zhì)得以提高。v 、RNaRNa與水中與水中CaCa2+2+的交換的交換v 這

54、里研究的是只含有一種離子（這里研究的是只含有一種離子（CaCa2+2+）的被處理水通過裝有）的被處理水通過裝有RNaRNa樹脂交換柱時(shí)的交換過程。樹脂交換柱時(shí)的交換過程。v 水通過交換柱時(shí)水通過交換柱時(shí)v 1 1）初期，水中）初期，水中CaCa2+2+首先與上層樹脂中首先與上層樹脂中NaNa+ +進(jìn)行交換，水中的一進(jìn)行交換，水中的一部分部分CaCa2+2+轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上一部分轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上一部分NaNa+ +轉(zhuǎn)移到水中。轉(zhuǎn)移到水中。v 2 2）隨著水繼續(xù)往下流動(dòng)，這種交換不斷進(jìn)行著，當(dāng)水流經(jīng)一）隨著水繼續(xù)往下流動(dòng)，這種交換不斷進(jìn)行著，當(dāng)水流經(jīng)一定距離時(shí)，水中原有的定距離時(shí)，水中

55、原有的CaCa2+2+全部交換成全部交換成NaNa+ +。v 3 3）之后，繼續(xù)下流的水及其經(jīng)過的樹脂的組成均不再發(fā)生變）之后，繼續(xù)下流的水及其經(jīng)過的樹脂的組成均不再發(fā)生變化。交換柱出水中全為化。交換柱出水中全為Na+Na+，而，而CaCa2+2+含量為零，含量為零，如圖如圖如圖如圖如圖如圖a a。 v 4 4）隨著水不斷流過交換柱，上部樹脂很快全部轉(zhuǎn)變成）隨著水不斷流過交換柱，上部樹脂很快全部轉(zhuǎn)變成R R2 2CaCa，失去了交換能力。這時(shí)在交換柱中形成三個(gè)層區(qū)，失去了交換能力。這時(shí)在交換柱中形成三個(gè)層區(qū)，如圖如圖如圖如圖如圖如圖b b。v 上部上部ABAB層區(qū)為失效層，樹脂全為層區(qū)為失效層

56、，樹脂全為R R2 2CaCa，水流經(jīng)這一層區(qū)時(shí)，水流經(jīng)這一層區(qū)時(shí)，其中的其中的CaCa2+2+含量不變；含量不變；v 中部中部BCBC層區(qū)為交換帶（或稱工作層），在這一層區(qū)中，從層區(qū)為交換帶（或稱工作層），在這一層區(qū)中，從B B到到C C，R R2 2CaCa樹脂逐漸減少至零，樹脂逐漸減少至零，RNaRNa樹脂則逐漸增加到樹脂則逐漸增加到100%100%。交。交換反應(yīng)就在這一層區(qū)中進(jìn)行，水流經(jīng)交換帶后，其中換反應(yīng)就在這一層區(qū)中進(jìn)行，水流經(jīng)交換帶后，其中CaCa2+2+全全部被交換除去；部被交換除去；v 下部下部CDCD層區(qū)為未交換層。層區(qū)為未交換層。v5 5）隨著交換過程的進(jìn)行，失效層逐漸增

57、厚，交）隨著交換過程的進(jìn)行，失效層逐漸增厚，交換帶不斷下移，未交換層逐漸縮小。換帶不斷下移，未交換層逐漸縮小。v當(dāng)未交換帶縮小為零，即交換帶移到最下部的出當(dāng)未交換帶縮小為零，即交換帶移到最下部的出水端時(shí)，水端時(shí)，如圖如圖如圖如圖如圖如圖c c，出水中便開始有，出水中便開始有CaCa2+2+泄露，這稱泄露，這稱為為“穿透穿透”。v6 6）如交換柱繼續(xù)工作下去，出水中）如交換柱繼續(xù)工作下去，出水中CaCa2+2+會(huì)迅速增會(huì)迅速增加，直到與進(jìn)水中加，直到與進(jìn)水中CaCa2+2+含量相等，此時(shí)交換柱中含量相等，此時(shí)交換柱中樹脂全部為樹脂全部為R R2 2CaCa，如圖如圖如圖如圖如圖如圖d d。v至此

58、，樹脂不再具有交換能力。至此，樹脂不再具有交換能力。ABCDABCABCa2+Ca2+Ca2+Ca2+Na+Ca2+Na+Na+Ca2+a ab bc cd d青色青色R R2 2CaCa；黃色；黃色R R2 2Ca+RNaCa+RNa；白色；白色RNaRNa動(dòng)態(tài)離子交換過程中樹脂層的變化動(dòng)態(tài)離子交換過程中樹脂層的變化v 隨著交換柱中樹脂層態(tài)的變化，隨著交換柱中樹脂層態(tài)的變化，其出水水質(zhì)也相應(yīng)發(fā)生改變，如其出水水質(zhì)也相應(yīng)發(fā)生改變，如圖圖e e，此曲線通常稱為流出曲線。，此曲線通常稱為流出曲線。v 當(dāng)當(dāng)CaCa2+2+開始泄露時(shí)，即圖中開始泄露時(shí)，即圖中B B點(diǎn)，點(diǎn)，稱為稱為穿透點(diǎn)穿透點(diǎn)。進(jìn)出水中。進(jìn)出水中CaCa2+2+含量含量相等時(shí)，即圖中相等時(shí)，即圖中C C點(diǎn)，稱為點(diǎn)，稱為平衡平衡點(diǎn)點(diǎn)。v 工業(yè)上為了保證出水水質(zhì)，離子工業(yè)上為了保證出水水質(zhì)，離子交換柱是運(yùn)行至交換柱是運(yùn)行至B B點(diǎn)，而不是運(yùn)點(diǎn)