離子交換樹脂技術(shù)及分類有哪些

1、離子交換樹脂技術(shù)及分類有哪些？ 弱酸性陽離子樹 這類樹脂含弱酸性基團，如羧基-COOH，能在水中離解出H+而呈酸性。樹脂離解后余下的負(fù)電基團，如R-COO-(R為碳?xì)浠鶊F)，能與溶液中的其他陽離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH514)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生)。 一離子交換樹脂分類 強酸性陽離子樹脂 這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基-SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解后，本體所含的負(fù)電基團，如SO3-，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽離子。這兩

2、個反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或堿性溶液中均能離解和產(chǎn)生離子交換作用。 樹脂在使用一段時間后，要進行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進行，使樹脂的宮能基團回復(fù)原來狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來的組成。強堿性陰離子樹脂 這類樹脂含有強堿性基團，如季胺基(亦稱四級胺基)-NR3OH(R為碳?xì)浠鶊F)，能在水中離解出OH-而呈強堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。 這種樹脂的離解性很強，在不同pH下都能正常工作。它用強堿(

3、如NaOH)進行再生。弱堿性陰離子樹脂 這類樹脂含有弱堿性基團，如伯胺基(亦稱一級胺基)-NH2、仲胺基(二級胺基)-NHR、或叔胺基(三級胺基)-NR2，它們在水中能離解出OH-而呈弱堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如pH19)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH進行再生。 離子樹脂的轉(zhuǎn)型 以上是樹脂的四種基本類型。在實際使用上，常將這些樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x子型式運行，以適應(yīng)各種需要。例如常將強酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用。工作時鈉型樹脂放出Na+與溶液

4、中的Ca2+Mg2+等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應(yīng)時沒有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產(chǎn)生的副作用(如蔗糖轉(zhuǎn)化和設(shè)備腐蝕等)。這種樹脂以鈉型運行使用后，可用鹽水再生(不用強酸)。又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂?，工作時放出Cl而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?HCO3-)運行。強酸性樹脂及強堿性樹脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和氯型后，就不再具有強酸性及強堿性，但它們?nèi)匀挥羞@些樹脂的其他典型性能，如離解性強和工作的pH范圍寬廣等。二離子交換樹脂的成分離子交換樹脂(ionresin)的基體(matrix)，制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)兩大類，它們分別與交

5、聯(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應(yīng)，形成具有長分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的聚合物。苯乙烯系樹脂是先使用的，丙烯酸系樹脂則用得較后。 這兩類樹脂的吸附性能都很好，但有不同特點。丙烯酸系樹脂能交換吸附大多數(shù)離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠中可用作主要的脫色樹脂。苯乙烯系樹脂擅長吸附芳香族物質(zhì)，善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負(fù)電的或不帶電的)；但在再生時較難洗脫。因此，糖液先用丙烯酸樹脂進行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進行精脫色，可充分發(fā)揮兩者的長處。 樹脂的交聯(lián)度，即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù)，對樹脂的性質(zhì)有很大影響。通常，交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密，堅牢而耐用，密

6、度較高，內(nèi)部空隙較少，對離子的選擇性較強；而交聯(lián)度低的樹脂孔隙較大，脫色能力較強，反應(yīng)速度較快，但在工作時的膨脹性較大，機械強度稍低，比較脆而易碎。工業(yè)應(yīng)用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯(lián)度一般不高于8%；單純用于吸附無機離子的樹脂，其交聯(lián)度可較高。 除上述苯乙烯系和丙烯酸系這兩大系列以外，離子交換樹脂還可由其他有機單體聚合制成。如酚醛系(FP)、環(huán)氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。 離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。 凝膠型樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒有毛細(xì)孔。它在吸水時潤脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔(micro-po

7、re)。濕潤樹脂的平均孔徑為24nm(2106 4106mm)。 這類樹脂較適合用于吸附無機離子，它們的直徑較小，一般為0.30.6nm。這類樹脂不能吸附大分子有機物質(zhì)，因后者的尺寸較大，如蛋白質(zhì)分子直徑為520nm，不能進入這類樹脂的顯微孔隙中。 大孔型樹脂是在聚合反應(yīng)時加入致孔劑，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量永久性的微孔，再導(dǎo)入交換基團制成。它并存有微細(xì)孔和大網(wǎng)孔(macro-pore)，潤濕樹脂的孔徑達(dá)100500nm，其大小和數(shù)量都可以在制造時控制?？椎赖谋砻娣e可以增大到超過1000m2/g。江蘇色可賽思樹脂有限公司整理這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴散的路程

8、，還增加了許多鏈節(jié)活性中心，通過分子間的范德華引力(van de Waals force)產(chǎn)生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質(zhì)，擴大它的功能。一些不帶交換功能團的大孔型樹脂也能夠吸附、分離多種物質(zhì)，例如化工廠廢水中的酚類物。 大孔樹脂內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，離子擴散速度快，離子交換速度也快很多，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時的作用快、效率高，所需處理時間縮短。大孔樹脂還有多種優(yōu)點：耐溶脹，不易碎裂，耐氧化，耐磨損，耐熱及耐溫度變化，以及對有機大分子物質(zhì)較易吸附和交換，因而抗污染力強，并較容易再生。三離子交換樹脂的離子交換容量 離子交換樹脂進行離子交換反應(yīng)的

9、性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，meq/g(干)或 meq/mL(濕)；當(dāng)離子為一價時，毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)(對二價或多價離子，前者為后者乘離子價數(shù))。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。 1、總交換容量，表示每單位數(shù)量(重量或體積)樹脂能進行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團的總量。 2、工作交換容量，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。 3、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學(xué)基

10、團再生復(fù)原的程度。 通常，再生交換容量為總交換容量的5090%(一般控制7080%)，而工作交換容量為再生交換容量的3090%(對再生樹脂而言)，后一比率亦稱為樹脂的利用率。 在實際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異。現(xiàn)仍未能分別進行計算，在具體設(shè)計中，需憑經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行修正，并在實際運行時復(fù)核之。 離子樹脂交換容量的測定一般以無機離子進行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹脂體內(nèi)，與它內(nèi)部的全部交換基團起反應(yīng)。而在實際應(yīng)用時，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進入樹脂的顯微孔中，因而實際的交換容量會低于用無機離子測出的數(shù)值。這種情況與樹脂

11、的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。四離子交換樹脂的吸附選擇性 離子交換樹脂對溶液中的不同離子有不同的親和力，對它們的吸附有選擇性。各種離子受樹脂交換吸附作用的強弱程度有一般的規(guī)律，但不同的樹脂可能略有差異。主要規(guī)律如下：(1) 對陽離子的吸附 高價離子通常被優(yōu)先吸附，而低價離子的吸附較弱。在同價的同類離子中，直徑較大的離子的被吸附較強。一些陽離子被吸附的順序如下： Fe3+ Al3+ Pb2+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ H+(2) 對陰離子的吸附 強堿性陰離子樹脂對無機酸根的吸附的一般順序為： SO42- NO3- Cl- HCO3- OH- 弱堿性陰離子樹脂對陰離子的吸附的一般

12、順序如下： OH- 檸檬酸根3- SO42- 酒石酸根2- 草酸根2- PO43- NO2- Cl- 醋酸根- HCO3- 吸附樹脂(3) 對有色物的吸附 糖液脫色常使用強堿性陰離子樹脂，它對擬黑色素(還原糖與氨基酸反應(yīng)產(chǎn)物)和還原糖的堿性分解產(chǎn)物的吸附較強，而對焦糖色素的吸附較弱。這被認(rèn)為是由于前兩者通常帶負(fù)電，而焦糖的電荷很弱。 通常，交聯(lián)度高的樹脂對離子的選擇性較強，大孔結(jié)構(gòu)樹脂的選擇性小于凝膠型樹脂。這種選擇性在稀溶液中較大，在濃溶液中較小。五 離子交換除鹽 離子交換是一種特殊的固體吸附過程，它是由離子交換劑的電解質(zhì)溶液中進行的。一般的離子交換劑是一種不溶于水的固體顆粒狀物質(zhì)，即離子交

13、換樹脂。它能夠從電解質(zhì)溶液中吸取某種陽離子或者陰離子，而把自身所含的另外一種帶相同電荷符號的離子等量地?fù)Q出來，并釋放到溶液中去，這就是所謂的離子交換。按照所交換離子的種類，離子交換劑可分為陽離子交換劑和陰離子交換劑兩大類。 復(fù)床是用陽、陰兩種不同的離子交換的交換器的串聯(lián)方式，如強酸性陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹脂串聯(lián)的方式。這種陽床和陰床串聯(lián)組成的設(shè)備稱為復(fù)床，水先經(jīng)過陽床除去金屬離子，形成酸性水，然后通過陰床除去酸根離子。通過復(fù)床的水可除去水中大部分的無機鹽。 混合離子交換器，簡稱混床 ，是將陰陽樹脂按一定比例裝置填在同一交換器中，運行前將它們混合均勻。此時被處理水在通過混合離子交換床

14、后，所產(chǎn)生的H + 和OH - 離子立即生成溶解度很低的水，很少形成陽離子或陰離子交換時的反離子。可以使交換反應(yīng)進行很徹底，故水質(zhì)好，所以混合床串聯(lián)在反滲透或一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)后面，用于純水或高純水的制備主要用于深度去除水中幾乎所有的離子（溶解固體）?？偨Y(jié) 離子交換技術(shù)有相當(dāng)長的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現(xiàn)代有機合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂，并開發(fā)了多種新的應(yīng)用方法，離子交換技術(shù)迅速發(fā)展，在許多行業(yè)特別是高新科技產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達(dá)數(shù)百種，年產(chǎn)量數(shù)十萬噸。 在工業(yè)應(yīng)用中，離子

15、交換樹脂的優(yōu)點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復(fù)再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎(chǔ)的多種新技術(shù)，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還在迅速發(fā)展之中。實驗現(xiàn)象 在混床樹脂電再生基本趨勢是隨著通電量的增加，工作交換容量也逐漸增加，并且能夠達(dá)到現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)，即300mmol/L以上。但是，隨著實驗次數(shù)增加，出現(xiàn)了幾個嚴(yán)重的問題。(1)再生時間長 在50V電壓下進行再生，發(fā)現(xiàn)電流增長緩慢，達(dá)到預(yù)定通電量10Ah時，最大電流僅為1.1A

16、，共計再生時間達(dá)10.33h。凈水實驗顯示，樹脂工作交換容量為320.8mmol/L，達(dá)到了現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)。但再生時間過長，不利于生產(chǎn)實踐。(2)重現(xiàn)性差 通過實驗發(fā)現(xiàn)，在相同的實驗條件下，再生效果重現(xiàn)性較差。為了避免離子交換膜滲漏對電再生的影響，每次實驗均采用新的離子交換膜，在電壓50V，通電量10Ah條件下再生樹脂，重復(fù)6次實驗，所測得的樹脂工作交換容量分別為:287.5，320.8，162.5，179.2，204.2，195.8mmol/L?？梢姡瑯渲ぷ鹘粨Q容量的變化并沒有明確的趨勢，忽高忽低。在163.5和320.8mmol/L之間波動，最大值與最小值之間相差近2倍。重現(xiàn)性不好，是電再生中存在的一個嚴(yán)重問題。(3)樹脂