对离子交换树脂的认识

2018-08-11

   离子交换树脂是带有可交换离子的活性基团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物,应用于电力、石油、化工、轻工、冶金、电子医药、食品、研及三废治理等水处理领域,但我们要对对离子交换树脂的认识正确,还要明了离子交换树脂原理、组成、种类、再生、滤芯、作用、功能等知识。
   

离子交换树脂原理
   离子交换树脂原理即是离子交换树把溶液中的盐分脱离出来的过程:离子交换树脂作用环境中的水溶液中,含有的金属阳离子(Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)与阳离子交换树脂(含有的磺酸基(—SO3H)、羧基(—COOH)或苯酚基(—C6H4OH)等酸性基团,在水中易生成H+离子)上的H+ 进行离子交换,使得溶液中的阳离子被转移到树脂上,而树脂上的H+交换到水中,(即为阳离子交换树脂原理);水溶液中的阴离子(Cl-、HCO3-等)与阴离子交换树脂(含有季胺基[-N(CH3)3OH]、胺基(—NH2)或亚胺基(—NH2)等碱性基团,在水中易生成OH-离子)上的OH-进行交换,水中阴离子被转移到树脂上,而树脂上的OH-交换到水中,(即为阴离子交换树脂原理)。而H+与OH-相结合生成水,从而达到脱盐的目的,如下图:
         

   

离子交换树脂的组成
   离子交换树脂属于既不溶解、也不熔融的多孔性海绵状固体高分子物质,每个树脂颗粒都由交联的具有三维空间立体结构的网络骨架构成,在骨架上连接许多可以活动的功能基。这种功能基能离解出离子,可以与周围的外来离子互相交换。功能基固定在网络骨架上不能自由移动,但功能基所带的可以离解的离子却能自由移动,随着使用或再生时,在不同的外界条件下,与周围的同类型其他离子相互交换,所以叫做可交换离子。人们就是通过控制树脂上的这种可交换离子,创造适宜条件,如改变浓度差、利用亲合力差别等,使它与相近的同类型离子进行反复交换,以达到不同的使用目的,如浓缩、分离、提纯、净化等。
   换句话说,离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物,其结构由三部分组成:不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子,如图:

    

离子交换树脂的种类
   按骨架结构不同,离子交换树脂可分为凝胶性和大孔型树脂两大类;按所带的交换功能基的特性,离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂,阳离子树脂又分为强酸性树脂和弱酸性树脂两类,阴离子树脂又分为强碱性树脂和弱碱性树脂两类,生产厂家津南大化工厂即是按此分类——
    
   强酸性阳离子树脂
   此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,这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换;此类树脂
在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药剂使离子交换反应以相反方向进行,使树脂的官能基团回复原来状态,以供再次使用。
   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。
 

   弱酸性阳离子树脂
   此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(pH514)起作用。这类树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
   此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。它用强碱(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,只能在中性或酸性条件(pH19)下工作,可用Na2CO3NH4OH进行再生。


离子交换树脂滤芯
    
   
离子交换树脂滤芯采用特定的阳离子交换树脂,以钠离子将水中的钙镁离子置换出来,主要用于硬水软化、脱盐水、纯水稀有元素抗菌素提练分离等的纯水制备,用于水质硬度较高地区的家庭、餐饮和美容业用水软化,可减少体内结石的发病率,并对皮肤有一定的好处,使头发光洁发亮疏松。


离子交换树脂再生
   树脂使用一段时间后,吸附的杂质接近饱和状态,就要用化学药剂将树脂所吸附的离子和其他杂质洗脱除去,使之恢复原来的组成和性能,如图:
    
   1、阳离子交换树脂再生 
   ①、配酸,比重≥3,同时将阳床内水全部放空;
   ②、打开进酸阀、上排阀,其他阀门全部关闭,打开酸泵;
   ③、待进酸液面超过树脂以上500px后,开启下排,下排流量和进酸流量相同,此时流量控制在600-1000L/h,进酸时间不低于40分钟。
   阳床清洗进酸完毕后可直接进行清洗,先开启砂过滤,精密过滤,精密过滤处于上排上进状态。放掉阳床进酸管道、上进管道内的残酸,方法是开启上进下进,下排开启进酸阀,此时将精密过滤出水阀打开、关闭上排阀,将进酸管道内的残酸冲洗到酸槽后关闭进酸阀;关闭阳床下进阀,开始进行清洗,清洗时打开阳床上排阀,阳床内的水须始终漫过树脂,注意不要使树脂失水;清洗到下排阀出水PH值为7左右(接近中性)为止。
   2、阴离子交换树脂再生
   ①、配碱,比重≥5,将阴床内水放空;
   ②、打开进碱阀、上排阀,其他阀门全部关闭,然后开启碱泵;
   ③、待碱液液面超过树脂500px后,开启下排,下排流量与进碱流量一致,此时流量控制在600-1000L/h,进碱时间不得少于60min,进碱完毕后放空阴床内碱液。
   阴床清洗时需打开中间水箱泵、风机,防止碱液倒流至中间水箱槽,然后将进碱管道内残碱冲洗到碱槽内及即可以开始阴床清洗;同阳床清洗一样,清洗到下排排出水PH值约为7(中性),测试电导率小于5即可。
   3、
阴阳离子交换树脂同步再生
   ①、首先对混床内树脂进行分层:开启清洗阀、上排阀并启动清洗泵,此时分层开始;若分层困难,可进少量酸帮助树脂分层,在混床内树脂出现明显分层时分层完毕,再开启上进阀、中排阀(同时混床以前的阴、阳床正常开启运行)将阴离子交换树脂冲洗干净直至排出的水呈中性。
   ②、进酸进碱 
   配碱比重≥5、配酸比重≥3,碱液由上排进入,中排排出;酸液由下排进入、中排排出;进酸进碱在同步进行时,必须保证各泵的流量一致,泵流量应保持在600-1000L/h,时间不低于30min;阴、阳离子交换树脂再生完毕后进行清洗时清洗水分别从上排阀、下排阀进入,由中排阀排出,此时须确保清洗的同步进行以及进水流量的一致;待中排排水呈中性时清洗操作完毕。 
   进酸进碱也可以分别进行,按此操作再生时进酸、碱的方式、流量与时间和同步再生时一样。步骤如下:首先将混床内阴离子交换树脂柱内的水排空,再进碱对树脂进行再生,再生完毕后将阴树脂清洗干净直至排出的水呈中性,然后将阴离子交换树脂柱内的水排空;在进酸对阳离子交换树脂进行清洗时,也应先将阳树脂柱内水排空,再进酸液进行再生,再生完毕后将阳树脂清洗干净直至排出的水呈中性,随后也应将阳树脂柱内水排空。
   ③、阴阳离子交换树脂的混合
   清洗操作完毕后,开启压缩空气对阴、阳离子交换树脂进行混合,直至阴、阳离子交换树脂均匀混合为止,压缩空气压力范围为:0.15-0.25MPa。
   ④、阴、阳离子交换树脂混合完毕后再由上、下排进水对其进行清洗,水由中排排出。清洗至出水之电导率达到规定范围时即可将混床投入运行。
   4、树脂再生的特殊处理法:
   离子交换树脂在使用较长时间后,由于它所吸附的一部分杂质
 ( 特别是大分子有机胶体物质 ) 不易被常规的再生处理所洗脱,其逐渐积累而将树脂污染,使树脂效能降低。此时要用特殊的方法处理,如:阳离子树脂受含氮的两性化合物污染,可用 4%NaOH溶液处理,将它溶解而排掉;阴离子树脂受有机物污染,可提高碱盐溶液中的 NaOH  浓度至0.5-1.0%,以溶解有机物。


离子交换树脂的应用
      
 
   1、水处理
   水处理领域的应用量约占其生产量的90%,其最大消耗量是火力发电厂的纯水处理,其次是原子能、半导体、电子工业等,应用于水中的各种阴阳离子的去除;
   2、食品工业
   应用于制糖、味精、乳业、蜂蜜、酿酒、生物制品等食品行业,如高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后,再经水解反应,产生葡萄糖与果糖,而后经离子交换树脂处理,可以生成高果糖浆,其在食品工业中的使用量仅次于水处理。
   3、制药行业
   在制药工业,离子交换树脂对发展新一代抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用,如链霉素的开发成功即是突出的例子,近年来,其在中药提成等方面的应用也日益广泛。
   4、合成化学和石油化学工业
   在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应,而用离子交换树脂代替无机酸、碱,同样可进行上述反应,且其可反复作用,产品容易分离,反应器不会被腐蚀,不污染环境,反应容易控制等,如生产制备甲基叔丁基醚(MTBE),就是用大孔型离子交换树脂作催化剂,由异丁烯与甲醇反应而成,代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。
   5、环境保护
   许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质,可用其进行回收使用,如去除电镀废液中的金属离子,回收电影制片废液里的有用物质等。
   6、湿法冶金及其他
   可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。
   7、
在高新技术中的应用
   以离子交换树脂为基础的多种高新技术,如色谱分离法、离子排斥法、电渗析法等,各具独特的功能,可以进行各种特殊的工作,达到特殊的作用,如离子交换树脂作应用于水中痕量离子的富集和分析,以及生化物质的分离、分析等。

   30多年离子交换树脂应用工程师-津南大化工厂杨工,对离子交换树脂的认识还有
——
   离子交换树脂是在1933年由英国人亚当斯(Hdams)和霍姆斯(Holms)首先用人工方法制造酚醛类型的阳、阴离子交换树脂。
   在第二次世界大战期间,德国首先进行工业规模的生产,战后英、美、苏、日等国的发展很快。1945年美国人迪阿莱里坞(DAlelio)发表了关于聚苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂及聚丙烯酸型弱酸性阳离子交换树脂的制备方法,后来聚苯乙烯阴离子交换树脂、氧化还原树脂以及螯合树脂等也相继出现,在应用技术及其范围上也日益广大,到了上世纪五十年代后期,各种大孔型的树脂又相继发展起来,在生产及科学研究中,离子交换树脂起着越来越重要的作用。
   解放前,我国的离子交换树脂的科研和生产完全空白,解放后,从五十年代初期开始,我国在北京、上海和天津的一些科研单位和高等学校分别开始了离子交换树脂的研究。1953年酚醛磺化树脂产生,1958年凝胶型苯乙烯树脂投入生产,1959年南开大学何炳林用苯乙烯做致孔剂合成孔径大、强度高和交换速度快的大孔型交联聚苯乙烯离子交换树脂,60年代我国生产了大孔型苯乙烯系、丙烯酸系离子交换树脂,到70年代中、后期又合成了多种吸附树脂、碳化树脂,并已先后投入生产。
   如今,我国离子交换树脂的生产和工业应用得到了飞速的发展,生产的产品种类和产量日益增多,质量不断提高,并广泛应用于工农业生产、国防建设、医药卫生、交通运输及科学研究等部门,在我国的建设中起着越来越重要的作用。