离子交换树脂使用性能评价Word格式.docx
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1.3按聚合物单体分类
1.3.1苯乙烯系树脂
以苯乙烯作为主要原料生产的各种树脂。
1.3.2丙烯酸系树脂
以丙烯酸衍生物为主要原料生产的各种树脂。
1.3.3酚醛系
以苯酚和醛为主要原料生产的树脂。
1.3.4环氧系树脂
以环氧氯丙烷和各种胺为主要原料生产的树脂。
1.3.5乙烯吡啶系树脂
以乙烯基吡啶为主要原料生产的树脂。
1.4按用途分类
1.4.1工业级
指供一般工业用的树脂。
1.4.2食品级
指供食品工业用的树脂。
这种树脂必须经过一定处理，以防止食品受到污染。
1.4.3分析级
指供化学分析用的树脂。
这种树脂要经一定处理，使杂质含量符合分析要求。
1.4.4核等级
指供核工业用的树脂。
这种树脂也要经特定处理，尽量降低树脂中残存的金属杂质和某些浸蚀性阴离子的含量，以提高树脂的耐辐射性能和树脂浸出物对核系统设备的腐蚀影响。
1.4.5层床专用
指用于双层床、三层床的树脂，有时也包括浮床的树脂。
其密度和粒度均有特殊要求。
1.4.6混床专用
指用于混床的树脂。
其粒径的配合有特殊要求。
2.离子交换树脂的命名法则及型号
1976年化工部颁布了《离子交换树脂产品分类命名及型号》（HG2-884-76），该标准的命名原则为：
离子交换树脂的全名称是由分类名称、骨架（或基团）名称、基本名称排列组成的。
离子交换树脂主要分为凝胶型和大孔型两种。
凡具有物理孔结构的树脂称为大孔型树脂，在全名称前加“大孔”两字以示区别。
其命名原则为分类名称、基团名称、骨架名称和树脂两字排列组成。
基本名称：
离子交换树脂。
分类属酸性的，应在基本名称前加一“阳”字；
分类属碱性的，在基本名称前加一“阴”字。
根据以上原则来称谓四种基本离子交换树脂全名称为：
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。
为了区别同一类离子交换树脂的不同品种，在全名称前必须有型号。
这种型号主要以三位阿拉伯数字组成。
左第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表产品的骨架（代号见表1.1和1.2），第三位数字为顺序号，用于区别基团、交联剂等的差异。
表1.1分类代号（左第一位数字）
代号
分类名称
强酸性
1
弱酸性
2
强碱性
3
弱碱性
4
螯合性
5
两性
6
氧化还原
表1.2骨架代号（左第二位数字）
苯乙烯系
丙烯酸系
酚醛系
环氧系
乙烯吡啶系
脲醛系
氯乙烯系
大孔型离子交换树脂，采用在型号前加“D”（大写的汉字拼音首位字母）来表示。
凝胶型离子交换树脂的交联度值，采用在型号后加“×
”号联接阿拉伯数字表示，如201×
7表示其交联度为7。
如遇到二次交联或交联度不清楚时，可采用近似值表示或不予表示。
对于专用树脂一般附有说明，采用在树脂型号后加设备要求的符号表示。
例如：
在水处理中浮床、层床、混床等专选用树脂，采用在其型号后分别加FC、SC、MB等符号表示。
详见表1.3和表1.4所示。
表1.3树脂专用符号
用途
Amberlite标号
Lewatit标号
电力部标准
核工业用
IRN前置
KR后置
药用
IRP前置
试制品
XE前置
色层分析
CG前置
液体树脂
LA前置
吸附剂
XAD前置
非水溶液用
Amberlyst前置
层床用
Stratebed前置
ST后置
SC
混床用
MB前置
MB后置
MB
高流速
C
浮动床
FC
三层床
TR
表1.4不同用途的同型号树脂的牌号
牌号
举例
通用
型号
001×
7，002，D001，D113，201×
7，201×
4，D202，D201，D301
双层床
型号+SC
002SC，D001SC，D113SC，201×
7SC，D201SC，D202SC，D301SC
浮动床*
型号+FC
7FC，D001FC，D113FC，201×
7FC，D201FC，D202FC，D301FC
混合床
型号+MB
7MB，201×
7MB，D001MB，D201MB
凝结水混床
型号+MBP
7MBP，201×
7MBP，D001MBP，D201MBP
凝结水单床
型号+P
001P，201P，D001P，D201P
三层床混床
型号+TR
D001TR，D201TR
惰性树脂
FB（浮床白球），YB（压脂层白球），S-TR（三层床隔离层惰性白球）
注：
*.浮动床技术指标适应于双室床。
离子交换树脂的取样
1.离子交换树脂包装件内的取样
为了检验离子交换树脂的性能，首先要从被检验的树脂产品中取得具有代表性的样品。
离子交换树脂商品，一般采用20kg至50kg作为一个包装件，外部包装有铁桶、板桶、纸箱、纤维编织袋等，包装上注明树脂牌号、名称、制造厂、生产日期、附有合格证。
用户购得的各种数量包装件的树脂，它们可能是同一批产品，也可能不是一批产品。
每一包装件内的产品一般是同一批产品或连续批次的产品，也可能不是这样。
因此，确定在众多的包装件内的取样方法时，应考虑以下因素。
1.1取样工具
经研究，利用颗粒状物质在不干不湿状况下流动性最差的特性，采用一定内径的、侧面开了一定宽度和长度的圆管，基本上可以达到从包装间内取样的目的。
但是对于过湿或过干的树脂，不能用这种取样管。
因为此时的树脂流动性较大，这时一般可用真空法抽样或使树脂恢复至不干不湿状态后再取样。
1.2取样方法
用合适的取样工具在一个包装件内的指定点上可取得所需样品的大部分。
因为离子交换树脂是颗粒状物质，经粗略地除去外部水分后呈不干不湿状态包装，包装件内的树脂层高为0.2m至0.5m不等，要在一点上能从上到下取出能代表全部树脂的样品是比较困难的，但这又是取得能代表包装件内各层次树脂所需要的。
所以，在每个包装件中取样时，为了使取得的样品具有良好的代表性，除了在一点上取得上下不同层次的样品外，一般还要在几个点上同步取样。
经研究，对于三件以下产品，应在每个包装件内不同的三个点上取样并混合，对于三件以上产品，由于取样件数增加，可将每件中取样点确定为二个。
1.3取样件数
在同一批号的产品中取样，根据该批号产品的件数来决定。
经研究，对同一批号的几件产品，当n<
3时，每件都取，当n>
3时，在
件中取样。
1.4试样的混合
将所有取得的样品汇在一起，混合均匀。
由于离子交换树脂是颗粒状固体物质，不能自行混匀，可用多次翻动搅拌方法来混合。
1.5试样的缩分
采用十字缩分法，从混匀的试样中分出取得所需的样品。
2.交换柱或交换器内树脂的取样
在试验用的交换柱或工业离子交换器内取样时，除了取平均样外，往往希望在指定位置上取样，以考察树脂状态和寻找生产中的问题。
这种取样对研究工作十分重要。
例如，为了检验混床树脂混合效果，就需要从不同的树脂层取样，还要在同一层的不同点上取样，通过对在各点上采取的样品分别进行测定，就可以了解树脂的混合效果。
2.1试验用交换柱内取样
试验用有机玻璃交换柱的内径一般为25mm，当要了解各层树脂状态，如再生度、失效度等，就要按层高取样，由于这种交换柱太细，安置取样器比较困难，一般可采用下列方法取样。
当需要取得某一层高度上树脂样品时，可用真空法吸出该层以上样品，放置在一烧杯中，然后再用玻璃管吸出15毫升左右样品留待分析使用。
取样后，可补回予先准备好的相同数量的离子型态与取出样大体相同的树脂，再倒回最初吸出的上层树脂，以保持树脂床的总层高不变，试验可继续进行。
用这种方法可由上至下取出多点样品，以了解各层树脂的状况。
如果试验用的交换柱直径（如内径为100毫米以上）较大时，则可在交换柱壁上开设取样孔、安装取样管。
为了安装取样管，应在交换柱取样点处加固增加壁厚。
取样管位置可任意指定，可在一条垂线上，也可不在一条垂线上。
在取样管内放置一根直径略小于取样管内径的玻璃棒，当拨出玻璃棒时，依靠树脂层上水层压力，树脂样品即可流出，取得所需样品后再将玻棒塞回，捆好胶管。
此取样器还可在试验中取出水样。
或者排干设备内水，取出玻棒，用玻管伸入取样。
这种设备较为复杂，取出样后，树脂层高度稍有降低，但是取样后树脂层搅动不大。
2.2离子交换器内树脂的取样方法
为了正确了解离子交换器内树脂性能的变化情况，所取树脂样品必须具有代表性。
对于水处理设备中树脂的采样，一般按一台设备为一个取样单元。
取样器可以采用外径25mm左右、总长度不小于2000mm、下端有一45°
坡口的塑料管。
总取样量应不小于500mL。
具体取样可以按以下步骤进行：
（1）按大反洗操作，对需取样的设备进行大反洗，反洗结束后排水至水位在树脂层下10cm～20cm后停止排水。
（2）打开顶部人孔盖，至少选择均匀分布的6个以上点取样。
取样点尽可能在床层的三分之二圆上。
（3）在选定的取样点上将取样器垂直向下插入树脂层底部，排干设备内的水，在不断转动下慢慢取出取样管。
（4）倒出树脂样品，均匀混合后装入样品瓶，贴上标志。
标志应尽量包括如下内容：
样品生产厂名、样品名称、样品的牌号及离子型态、设备名称和设备编号、取样日期、使用年限和使用方式、运行周期数、总制水量、取样原因、取样人签名。
（5）采集的样品在贮存过程中应避免受冻，并注意不使树脂失去内部水份，并至少保存至下一次采样后。
离子交换树脂样品预处理
为了准确地测定离子交换树脂的各项理化性能，必须使待测样品处在已知的和稳定的状态。
一方面，新树脂的结构尚不稳定，在反复转型后其结构才稳定下来；
另一方面，树脂样品中往往含有机械杂质，其干湿状况因保存状况不同而不同，其离子型态也因制造厂后处理用水及其工艺不同而不同，因此，从包装件内取得的样品不能直接用于分析测定，在测定前必须经过一定的处理，使样品处在已知的和稳定的状态。
这一过程称为样品预处理。
使用过的树脂，由于污染物质的存在，使测定结果不能反映树脂内在性能，故也应在测定之前，除去污染物质，只有经过预处理的样品才能测得有价值的数据。
1.新树脂样品的预处理
新树脂会存在一些杂质。
一方面由于生产设备腐蚀、包装容器的损坏、外界物的混入等带来的机械杂质，如铁锈、沙粒、包装材料碎片等。
另一方面，生产过程中可能残留一些化工原料，如不能聚合的或低分子聚合的有机物、各种有机反应未除尽的化工原料等。
新树脂处在不稳定状态。
离子交换树脂生产过程中，聚合物骨架随基团的引入，逐渐膨胀。
如果外界电解质浓度较大，后处理时间较短，聚合物链的缠结，新树脂未经过收缩和膨胀的交替过程，使其体积未达到应有的大小，或者说骨架没有完全松开。
此时，离子交换树脂颗粒的体积是不稳定的，随着后续的处理过程，体积逐渐达到极限状态。
从不稳定态到稳定态的体积膨胀，称为不可逆膨胀。
在这一过程中，树脂样品的含水量、密度等性能都在发生变化。
新树脂离子型态不纯。
为了除去树脂中残留的有机化工原料，树脂生产的最后一步工序一般用自来水洗涤树脂，显然在洗涤过程中也发生了离子交换反应。
树脂基团中所带的离子和自来水的成分有关，各厂自来水水质不同，因此各厂产品树脂的离子型态就不同。
因此，在测定前，新树脂样品必须经过下述预处理：
水力反洗除去杂质、酸减交替处理、除去残留化工原料并使树脂结构稳定，最后使树脂处在已知的离子型态。
2.旧树脂样品的预处理
从设备中取出使用过的树脂样品进行分析是了解树脂性能变化状况、树脂是否受到污染及其寻找污染源、分析污染程度的一个基本手段。
旧树脂样品和新树脂样品不同，由于长期工作，已经消除了不稳定状态，但由于和工作介质长时间接触，树脂可能被各种物质污染。
它们可能是：
1）机械杂质：
由于设备、管道等部件的腐蚀带来的杂质；
2）污泥：
进水中带入的污浊物质（尤其在预处理系统工作不正常时）会积存在树脂层表面，有的会深入到树脂层内部，这时，交换器起过滤器作用，在反洗和再生时不能完全除去这些污泥，就会造成污浊物质的积累。
3）铁污染：
由进水和再生液中带入的铁离子、氢氧化铁、细微颗粒铁等既能在阳树脂层中，又能在阴树脂中累积，用一般的再生方法尚不能除去。
4）钙污染：
用硫酸再生阳树脂时，若操作不当，会产生硫酸钙沉淀，这种问题只发生在阳树脂上。
5）硅污染：
主要发生在阴树脂上。
吸收了硅的阴树脂，在再生时，取代下的硅，由于再生液PH的降低，可能形成胶体硅而污染树脂。
如果进水中含有胶体硅，在再生时不能完成洗脱出来，也会形成硅的污染。
6）有机物污染：
阴树脂吸收了难以用一般方法再生的有机物，往往和铁，硅等物质在一起造成树脂污染。
7）其它树脂的污染：
如阴床中漏入阳树脂，混床中两种树脂交叉污染等。
受污染的树脂样品不经过处理而直接用于测定，会由于污染物可能与反应物发生作用或者影响离子交换基团的交换作用等使测定结果不准确，还会导致测定结果重现性很差，所以在测定之前必须进行预处理消除污染的影响。
分析新树脂时采用的预处理方法比较简单，一般不能完全消除旧树脂中污染物的影响，所以新旧两种树脂样品的预处理方法是不同的。
旧树脂样品的预处理应该根据污染的情况不同进行不同的处理，一般应包括：
1）如果发现其它树脂混入，可用不同浓度的盐水或碱溶液，酸溶液使其分层除去。
2）酸处理：
用加温的浓盐酸（如10%）侵泡，主要用以除钙，铁和重金属。
3）碱盐液处理，用碱性的氯化钠溶液体侵泡，主要用于除去有机物
4）氧化剂处理，用于除有机物。
5）热碱液处理，主要用于除胶硅。
6）除油，一般用碱性洗涤剂。
7）彻底转型。
离子交换树脂结构概述
1.化学结构
组成离子交换树脂的元素，一般是碳、氢、氧、氮、硫。
其组成单元是高聚物骨架、连接在骨架上的功能基和功能基中可交换的离子。
离子交换树脂是一种不溶于酸、碱溶液、有机溶剂的高分子化合物。
它有高度的物理、化学稳定性。
其高聚物骨架是一种具有立体的多维网状结构，高分子链之间相互联结并缠结，在高分子链上接有各种功能基，这种功能基或者带有电荷、或者带有自由电子对。
带电荷的功能基结合有带相反电荷的离子，这种离子称为反离子，它可以和外界带有同种电荷的离子相互交换。
不带电荷仅有自由电子对的功能基通过自由电子对结合极性分子、离子和离子化合物。
功能基连接在骨架上不能自由移动，反离子和功能基之间的连结类似于电解质内部的连结或极性分子与电解质之间的连接，因此在一定条件下可以发生解离或解吸。
这一结构决定了树脂的离子交换性能。
2.物理结构
离子交换树脂的物理结构由下列三部分组成：
交联的高分子链（带功能基和反离子），凝胶相中高分子链之间的空隙（在含水时，空隙中充满结合水），凝胶相间的孔穴（只有大孔树脂有这种空穴）。
交联的高分子链，在不带功能基时是不亲水的。
因此在干态和浸于水中时，其内部都不含水，链间的空隙很小。
当它浸于有机溶液中时，由于其亲油性，链间会渗入有机溶剂，使空隙增加。
但由于交联结构限制了有机溶剂的渗入量，故空隙增加是有限的。
当干态的离子交换树脂浸于水中时，骨架的亲油性不会使它吸收水分，而亲水的功能基却能大量地结合水。
当水被结合到树脂结构内部时，使链间的空隙增加，也使树脂发生一定程度的膨胀。
同样，由于交联结构限制了树脂结合的水量，使链间的空隙也只有一定程度的增加。
交联结构中链间空隙增加形成的分子和离子的通道，一般都小至50Å
，均称为化学孔。
凝胶相间的孔穴是物理孔。
这种孔的大小和数量是可以人为控制的，一般都大于100Å
，也可以达到几万Å
或更大。
这有利于大分子进出离子交换树脂，这种树脂称大孔离子交换树脂。
大孔树脂内部的孔是有许许多多大小不等、形状各异的孔道组成的。
它们相互交叉并相通，构成了一个通道网状结构（所以也称大孔网状结构树脂）。
要描述这种孔结构是十分困难的。
由于这些孔十分微小，在一般显微镜下观察不到，只有用电子显微镜才可以观察到。
通常用三个孔结构参数来描述离子交换树脂孔结构状况，它们是比表面积、孔容（或孔度）、孔径（平均孔径或孔径分布）。
从性能上讲，对大孔树脂一般有三种描述：
1）孔径在200Å
以上。
2）有永久性孔穴，其特点是在干态时用电子显微镜透视能看到明显的孔穴，而在相同条件下，凝胶树脂是不显孔穴的；
3）符合下列四个条件：
湿态树脂不透明，表面积大于5m2/g，孔径大于50Å
，树脂其密度和视密度之差大于0.5g/ml。
离子交换树脂的物理性能
1.外观
离子交换树脂的外观包括：
颗粒的形状、颜色、完整性以及树脂中的异样颗粒和杂质等。
目前各种产品标准外观指标见表1.5。
表1.5水处理用离子交换树脂外观
树脂类别
常见外观
7
棕黄色至棕褐色透明球状颗粒
D201
乳白色或浅灰色不透明球状颗粒
002
D202
D001
浅棕色不透明球状颗粒
D301
乳白色或浅黄色不透明球状颗粒
D111
FB
乳白色不透明球状颗粒
D113
YB
无色透明球状颗粒
201×
浅黄色或金黄色透明球状颗粒
S-TR
黄色或浅褐色球状颗粒
一般情况下，树脂产品的外观应该保持：
1）整齐的圆球形，无破裂的颗粒；
凝胶型树脂颗粒应光滑透亮。
2）颜色均一。
若有杂色颗粒，说明混入了其它品种树脂或质量不一的树脂。
当树脂发生霉变时，可能表现出青绿色和红色。
3）无异样颗粒（如不定形颗粒和“软球”）。
软球是低聚物颗粒或未聚合好的颗粒。
一般弱酸性阳树脂中易出现“软球”。
软球较轻，且容易粘夹在树脂层中，会给运行带来困难。
4）无杂质。
杂质包括金属腐蚀产物、橡胶老化后的碎块和包装材料的碎片等。
使用前应将杂质除去。
注意，不能单从树脂的颜色来判断树脂的型号和类别。
如001×
7、001×
10强酸性阳离子交换树脂和DuoliteCC3弱酸性阳树脂都是棕色，尤其是大孔树脂，如大孔强碱性阴树脂、大孔弱碱性阴离子交换树脂和大孔弱酸性阳树脂都可能是乳白色的。
2.水溶性浸出物
将新树脂样品浸泡在水中，经过一定时间以后，可以在水中发现从树脂中浸出许多水溶性杂质，最明显的是聚苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂。
一般只要有几天时间，浸泡树脂的水就呈棕色，时间越长颜色越深。
水的颜色一般是由生产中残留的低聚物和化工原料形成。
浸出物的性质一般表现如下：
（1）阴离子交换树脂的浸出物呈阳离子性质，其中主要有胺类和钠。
（2）强酸性阳离子交换树脂的浸出物为低分子磺酸盐，这已为色谱法测定（浸出物的氧化物是硫酸根）所证明。
低分子硫酸盐可溶于水中，不断从阳树脂中释放出来，它会污染阴树脂，因此必须控制浸出物的含量。
食品工业、核工业等对树脂的水溶性浸出物有一定的限制。
随着人们对水质的不断提高，对一般工业所使用的树脂的水溶性浸出物允许量也会有所限制。
近年来，人们愈来愈重视强酸性阳离子交换树脂水溶性浸出物的危害，并要求对其进行定量测定。
因此，在新树脂投入使用初期，最好先进行1至2周期的试运行，尽量清洗树脂中的水溶性浸出物，在使用一段时间后，可取出阳树脂，进行水溶性浸出物的测定，以了解对阴树脂的污染状况。
3.含水量
指单位质量树脂所含的非游离水分的多少，一般用百分数表示。
一定离子型的离子交换树脂颗粒内的含水量是树脂产品固有的性质之一。
它用单位质量的、经一定方法除去外部水分后的湿树脂颗粒内所含水分的百分数来表示。
离子交换树脂的含水量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等因素有关。
树脂在使用中如果发生链的断裂、孔结构的变化、交换容量的下降等现象，其含水量也会随之发生变化。
因此，从树脂含水量的变化也可以反映出树脂内在质量的变化。
将干态的离子交换树脂颗粒放在水中，它就会不断地汲取水分，一定时间后，其吸收的水量达到稳定值，此时的含水量称为平衡含水量。
平衡含水量和树脂本身的状态有关，通常称平衡含水量为“含水量”。
吸收了平衡含水量的树脂颗粒离开水环境置于空气中，颗粒表面还会附有一薄层水膜，树脂颗粒内仍含平衡水量。
显然，水膜是树脂颗粒离开水环境时的机械携带，其厚度主要取决于树脂表面性质、水的粘度、颗粒和水相对运动的速度，另外树脂颗粒之间的空隙也会夹带水分。
但是当树脂的水膜不断蒸发，水膜的完整性遭破坏时，内部水分就要逸出，久之就变为干树脂。
由于树脂颗粒内外水分无法分离，如何除去膜外水及水膜水，而又能保持内部水分不损失是测定树脂含水量的关键。
（1）常用凝胶型强酸性阳离子交换树脂的含水量波动较小，各地产品大致相同，工艺较稳定。
（2）国产苯乙烯系阴离子交换树脂201×
4、201×
7含水量的差别比较大，这是各厂产品交换容量相差较大、反应时形成的副交联程度不同等原因所致。
（3）大孔树脂含水量要比相同交联度凝胶型树脂的含水量高。
大孔树脂的孔隙度没有明确规定，因此含水量有较大的差别。
如特大孔的Ambe
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