离子交换树脂物理与化学性能

2025-01-10 16:52 宁夏

离子交换工艺在除盐水深度脱盐和工业废水零排放项目中被广泛应用，其是利用带有可交换阳离子或阴离子的树脂置换水中带有同种电荷的离子，从而实现水质净化。但在生产运行过程中，很多离子交换器存在再生频繁、树脂损失量大、耗水量大等问题。本文分享离子交换树脂的物理、化学性能，供水处理人士在选择离子交换树脂时作为参考。

一、离子交换树脂的物理性能

离子交换树脂的物理性能包括外观、粒度、密度、含水率、溶胀性、比表面积、交联度、机械强度等。这些性能均标注在说明书中，是挑选树脂的重要依据。

1.外观

离子交换树脂分为凝胶型和大孔型，二者区别在于：凝胶型离子交换树脂为透明或半透明球体，大孔型树脂为不透明球体，颜色有黄、白、赤褐等。质量好的树脂圆球率高，无裂纹，颜色均匀，无杂质。

2.粒度

离子交换树脂的粒度一般在0.3~1.2mm之间，对应目数是50~16目。通常用均匀系数来表征离子交换树脂的粒度均匀程度，均匀系数的计算方法如下式所示。

式中：d60、d90分别代表用试样筛筛分树脂，有60%的树脂被试样筛截留和有90%的树脂被试样筛截留时的筛孔直径，通常K略大于1，其越接近于1，粒度越均匀，质量越好。粒度不均匀，小粒径的树脂夹在大粒径的树脂之间，增大水流阻力。

3.密度

树脂在使用过程中是堆放在离子交换器之中的，且被水浸泡而处于润湿状态，所以，衡量树脂密度的两个指标是湿视密度和湿真密度。

（1）湿视密度

湿视密度是计算树脂装填量的依据，通常在0.60~0.85 g/cm³之间。

（2）湿真密度

式中：湿树脂本身体积是指去掉了树脂堆积在一起形成的孔隙所占的体积后的体积。湿真密度与反冲洗强度、混床阴、阳树脂分层有关。阴离子交换树脂的湿真密度在1.04~1.10 g/cm³之间；阳离子交换树脂的湿真密度在1.20~1.30 g/cm³之间。

4.含水率

树脂含水率是树脂在水中充分吸收水分并溶胀后所含水的质量分数，一般在50%左右。

5.溶胀性

树脂在接触水以后或转型以后，体积会发生变化，这就是树脂的溶胀。转型后的膨胀性可以用转型膨胀率表示。强酸型阳离子交换树脂由Na型转化为H型，转型膨胀率为5%~10%；强碱型阴离子交换树脂由Cl型转化为OH型，转型膨胀率为10%~20%；弱酸型阳离子交换树脂由H型转化为Na型，转型膨胀率高达60%~70%，这就是工业废水零排放项目中离子交换软化树脂容易破碎的原因，因为树脂在再生和使用过程中，相当于不断转型，体积反复大幅度收缩而造成破碎。

6.比表面积

凝胶型树脂的比表面积很小，约为1.0 m2/g；而大孔树脂由于其孔隙结构（孔隙率0.09~0.20 mL/g），比表面积可达15~35 m2/g。

7.交联度

交联度是树脂生产过程中添加的交联剂所占比例，交联度越高、树脂的机械强度越高，交联度通常在7%~10%之间。

8.机械强度

机械强度是保证树脂在使用中承受转型溶胀、输送摩擦、进水压力的重要指标，通常规定树脂的年破碎率≤3%~5%。

二、离子交换树脂的化学性能

离子交换树脂的化学性能有三个重要指标：交换容量、酸碱度、选择性。

1.交换容量

交换容量是指树脂中所含交换基团或可交换离子的数量。交换容量分为理论交换容量（全交换容量）EQ和工作交换容量EG。这些性能均标注在说明书中，是挑选树脂过程中比物理性能更重要的依据。

（1）理论交换容量（全交换容量）

理论交换容量是树脂理论上所携带的可交换离子或基团的数量，常用离子交换树脂的理论交换容量如下表所示。

（2）工作交换容量

工作交换容量是树脂在使用过程中，实际能与水中杂质离子进行交换的离子或基团数量，因此工作交换容量对生产运行更有指导作用。其与工艺类型、再生剂种类等有关，常用离子交换工艺的工作交换容量如下表所示。

2.酸碱度

酸碱度是指树脂适用的pH范围，强酸性离子交换树脂为1~14、弱酸性离子交换树脂为5~14、强碱性离子交换树脂为1~12、弱碱性离子交换树脂为0~7。

3.选择性

离子交换树脂对不同离子的交换能力存在差别，一般交换能力强的离子容易被树脂吸附、泄漏率较低，但再生时置换下来却较为困难，交换能力弱的离子不容易被树脂吸附、泄漏率较高，但再生时置换下来也比较容易。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、可交换离子的性质、水溶液中离子的浓度和离子的组分等因素有关。一般优先交换价数高的离子，在同价离子中将优先交换原子序数大的离子，树脂对尺寸大的离子（如络合离子、有机离子）选择性较高。树脂对常见离子的选择性次序如下。

（1）强酸阳离子交换树脂

（2）弱酸阳离子交换树脂

（3）强碱阴离子交换树脂

（4）弱碱阴离子交换树脂

总结

从以上内容可见，离子交换树脂的每项性能既各自影响着树脂的整体性能，又相互产生影响，因此，在选择离子交换树脂时，应避免被部分树脂厂商的以偏概全所蒙蔽，需结合上述参数综合评价树脂的优劣。

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