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(biāo)準(zhǔn)外觀指標(biāo)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(shí)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(qiáng)酸性陽離子交換樹脂。一般只要有幾天時(shí)間，浸泡樹脂的水就呈棕色，時(shí)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(qiáng)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(qiáng)酸性陽離子交換樹脂水溶性浸出物的危害，并要求對其進(jìn)行定量測定。因此，在新樹脂投入使用初期，最好先進(jìn)行1至2周期的試運(yùn)行，盡量清洗樹脂中的水溶性浸出物，在使用一段時(shí)間后，可取出陽樹脂，進(jìn)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?jǐn)?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?jǐn)?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(shí)間后，其吸收的水量達(dá)到穩(wěn)定值，此時(shí)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(shí)的機(jī)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(yùn)動的速度，另外樹脂顆粒之間的空隙也會夾帶水分。但是當(dāng)樹脂的水膜不斷蒸發(fā)，水膜的完整性遭破壞時(shí)，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(qiáng)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(yīng)時(shí)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(qiáng)堿性陰離子交換樹脂的含水量可達(dá)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(kuò)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(tuán)帶有不同離子時(shí)，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(shí)，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(shí)都應(yīng)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?jǐn)?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(biāo)紙上作圖，其粒徑和體積累計(jì)百分?jǐn)?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(biāo)紙上，其粒徑和體積累積百分?jǐn)?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(gè)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?yàn)樵谶@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(yuǎn)。

為了正確說明商品用離子交換樹脂的顆粒大小，應(yīng)該用4個(gè)指標(biāo)：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(jī)械性能

離子交換樹脂的機(jī)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(shí)排出、細(xì)末漏過通流部分進(jìn)入后續(xù)設(shè)備，結(jié)果導(dǎo)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(shè)備中的樹脂、系統(tǒng)出水水質(zhì)下降、進(jìn)入高溫系統(tǒng)污染水汽品質(zhì)等。所以應(yīng)對樹脂的機(jī)械性能或物理強(qiáng)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(shí)間短，高分子鏈的纏結(jié)，所以未能充分膨脹，經(jīng)過幾個(gè)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(gè)期后會增加。因?yàn)檫@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(shí)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(dāng)樹脂從一種離子型態(tài)變?yōu)榱硪环N離子型態(tài)時(shí)，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(dāng)恢復(fù)成原來的離子型態(tài)時(shí)，樹脂的體積也恢復(fù)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(tuán)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(shí)，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(shí)保持其理化性能的能力。如Ⅰ型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂耐熱性差，說明其受熱后的強(qiáng)堿基團(tuán)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(shí)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(shí)是比較穩(wěn)定的。強(qiáng)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(shí)，損失62%；在交聯(lián)2%時(shí)，損失46%；在交聯(lián)為8%時(shí)，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(qiáng)酸性陽離子交換樹脂氧化產(chǎn)生的低分子有機(jī)磺酸（水溶性的），可以從樹脂中溶出，隨水而進(jìn)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(jìn)入除鹽系統(tǒng)的水中含氯量有所規(guī)定。強(qiáng)堿性陰樹脂也易遭受氧化，但進(jìn)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(xué)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(tuán)的數(shù)量。它是離子交換樹脂固有性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，反映在實(shí)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(shí)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(tuán)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(tuán)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(tuán)，它們各有不同的特性?；鶊F(tuán)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(tuán)的量（如磺酸基團(tuán)容量、羧酸基團(tuán)容量、季胺基團(tuán)容量、仲胺基團(tuán)容量等）。

(4) 平衡交換容量

平衡交換容量用于表示達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)單位質(zhì)量或單位體積的樹脂中參于反應(yīng)的交換基團(tuán)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(gè)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(xué)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(gè)單元交換基團(tuán)的質(zhì)量也不相同。例如1摩爾的離子交換基團(tuán)RSO3Na的質(zhì)量為x（約為222g），則當(dāng)它變?yōu)镽SO3H時(shí)，即交換基團(tuán)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(jì)算單位質(zhì)量（如1000g）樹脂中交換基團(tuán)的量時(shí)，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(jì)算樹脂交換基團(tuán)時(shí)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(qiáng)酸性陽離子交換樹脂是聚苯乙烯骨架經(jīng)磺化反應(yīng)而得，反應(yīng)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(yīng)而得，反應(yīng)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(qiáng)酸陽樹脂交換容量測定包括測定全交換容量及基團(tuán)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(tuán)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(yīng)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(qiáng)堿性和弱堿性兩種陰樹脂的全交換容量、強(qiáng)堿基團(tuán)及弱堿基團(tuán)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(qiáng)、弱兩種基團(tuán)，新的強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂中含有約10%的弱堿基團(tuán)，而弱堿陰樹脂中可能含有約15%的強(qiáng)堿基團(tuán)；

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(shí)際應(yīng)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(shí)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(gè)規(guī)律：離子所帶電荷量愈大，愈易被吸?。划?dāng)離子所帶電荷量相同時(shí)，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(jià)離子會居于高價(jià)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(fù)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(jìn)水是稀溶液時(shí)，陰子的選擇性順序?yàn)椋?/p>

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(qiáng)弱酸混合的溶液中，OH離子交換樹脂易吸取強(qiáng)酸的陰離子；

2）濃溶液與稀溶液相比，前者利于低價(jià)離子被吸取，后者利于高價(jià)離子；

3）在濃度和價(jià)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(gè)交換周期中單位體積樹脂實(shí)現(xiàn)的離子交換量，即從再生型離子交換基團(tuán)變?yōu)槭突鶊F(tuán)的量。它可以用下式計(jì)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(gè)樹脂層平均初始再生度；

R殘——整個(gè)樹脂層平均殘余再生度。