1.離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)及合成

離子交換樹脂是由高聚物骨架和連結(jié)在骨架上的可交換基團(tuán)（簡稱功能團(tuán)）組成的。骨架具有龐大的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是有許多低分子化合物（稱為單體）聚合而形成的不溶于水的高分了化合物，高分子鏈上有各種可交換功能基團(tuán)。根據(jù)單體的的種類樹脂可分為苯乙烯系、丙烯酸系和酚醛系等。下面以苯乙烯系樹酯為例討論。苯乙烯系樹脂的制備：樹脂制備過程可分為高分子聚合物骨架的制備和在高分子聚合物骨架上引入可交換的基團(tuán)的兩個(gè)反應(yīng)階段。苯乙烯系樹脂是以苯乙烯和二乙烯苯為單體共聚而合成的高分子聚合物骨架。聚苯乙烯就是苯乙烯系樹脂的高分子骨架，也稱白球。二乙烯苯在高聚物中起的是空間架橋作用，使聚合物形成網(wǎng)狀交聯(lián)，聚合物中二乙烯苯的含量愈多，白球的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就愈堅(jiān)固。我們通常把聚合物中二乙烯苯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)叫做交聯(lián)度。如交聯(lián)度為7，就是指白球中二乙烯苯的質(zhì)量占7%。白球制備出來以后，再將白球通過磺化反應(yīng)、氯甲基反應(yīng)和胺化反應(yīng)，即可分別得到陰、陽離子交換樹脂。下面就分別介紹。1可編輯ppt二乙烯苯苯乙烯CH=CH2n—CH－CH2—…—CH—CH2—CH—…聚苯乙烯—CH—CH2—CH—…+過氧化苯甲酰CH=CH2CH=CH2m苯乙烯樹脂的制備苯乙烯陽樹脂的制備磺化反應(yīng)：—CH—CH2—CH—……—CH—CH2—CH—CH2—…SO3HSO3H—CH—CH2—CH—……—CH—CH2—CH—CH2—…+H2SO4

聚苯乙烯苯乙烯系磺酸型陽樹脂100℃，Ag2SO4聚苯乙烯高分子骨架的制備：2可編輯ppt苯乙烯陰樹脂的制備氯甲基化反應(yīng)：氨化反應(yīng)：……—CH－CH2—……氯球CH2CI三甲基胺+(CH3)3

N→……—CH－CH2—……CICH2N

(CH3)3

苯乙烯季胺鹽陰樹脂CH2CI……—CH－CH2—……聚苯乙烯+CH2OCH2CI→氯甲醚……—CH－CH2—……+CH3OH氯甲基聚苯乙烯（氯球）3可編輯ppt2離子交換樹脂的命名

離子交換樹脂產(chǎn)品型號(hào)是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBl631—79《離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號(hào)》而制定的。離子交換樹脂的全名稱由分類名稱、骨架（或基團(tuán)）名稱、基本名稱依次排列組成?；久Q為離子交換樹脂。大孔型樹脂在全名稱前加“大孔”兩字。分類屬酸性的，在基本名稱前加“陽”字；分類屬堿性的，在基本名稱前加“陰”字。離子交換樹脂產(chǎn)品的型號(hào)以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品分類，第二位數(shù)字代表產(chǎn)品骨架組成，第三位數(shù)字為順序號(hào)，用以區(qū)別功能基或交聯(lián)劑的差異。代號(hào)數(shù)字的意義見表3.5.1和3.5.2。4可編輯ppt表3.5.1分類代號(hào)表3.5.1骨架代號(hào)例如：001×7——(凝膠型)苯乙烯系強(qiáng)酸陽離子交換樹脂，交聯(lián)度為7。

110×4——(凝膠型)丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂，交聯(lián)度為4。

D201——大孔型苯乙稀系強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。5可編輯ppt3.離子交換樹脂的特性

物理性能：

(1)外觀。

(2)顆粒度。

(3)含水量。

(4)密度。

1)濕真密度。

2)濕視密度。5)機(jī)械強(qiáng)度。（6)耐熱性化學(xué)性能：

(1)交換反應(yīng)的可逆性

(2)酸、堿性

(3)選擇性。

(4)交換容量。

1)全交換容量。

2)工作交換容量。6可編輯ppt樹脂的離子交換是一種可逆反應(yīng)，反應(yīng)式可表示為：RA+BRB+A與任何化學(xué)平衡一樣，上述反應(yīng)遵循質(zhì)量作用定律，它的逆反應(yīng)就是A型樹脂的再生。平衡常數(shù)表達(dá)式：

KBA=[RB]·[A]/（[RA]·[B]）KBA>1樹脂對(duì)B的親和力大于對(duì)A的親和力，圖中曲線c；KBA<1樹脂對(duì)B的親和力小于對(duì)A的親和力圖中曲線a；KBA=1樹脂對(duì)A的親和力等于對(duì)B的親和力圖中曲線b；稱KBA為樹脂的選擇性系數(shù)，在濃度很稀時(shí)只與溫度有關(guān)，溫度一定時(shí)即為常數(shù)。圖3.6.1離子交換等溫曲線3.4離子交換原理7可編輯ppt圖3.6.2樹脂層交換層工作狀況

1—失效層；

2—工作層；

3—尚未工作的樹脂層工作層的下一個(gè)區(qū)域是尚未工作的A型樹脂層，在離子交換進(jìn)行過程中，這三層實(shí)際上無時(shí)不在變化，所以不可能找出明顯的分界線，圖中的分界線是為說明問題而大致劃分的。在交換過程中，工作層不斷下移，當(dāng)下移到交換柱底部最后一層時(shí)，此時(shí)出水中就有B離子，也就說B離子開始穿透，交換柱開始失效了。所以最后一層離子交換容量未能充分發(fā)揮，只起保證出水質(zhì)量的作用，為保護(hù)層。如果保護(hù)層厚度大，則交換柱的工作交換容量就??；反之，交換柱的工作交換容量就大。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，交換樹脂分為幾個(gè)區(qū)域，上層全部轉(zhuǎn)為B型樹脂，是失效層。失效層的下一個(gè)區(qū)域?yàn)楣ぷ鲗?，水?jīng)過工作層時(shí)，離子交換反應(yīng)就在這一層進(jìn)行，在這一層中的樹脂是A型和B型的混合物，隨著交換的進(jìn)行，工作層樹脂被B離子飽和，也就是說工作層變成了失效層，工作層又下移到下一區(qū)域，可見交換柱中的工作層是自上而下不斷移動(dòng)的。圖3.6.2就是以A型樹脂處理含B離子水時(shí)，樹脂交換層的工作狀況。8可編輯ppt3.7一級(jí)除鹽系統(tǒng)一級(jí)化學(xué)除鹽系統(tǒng)由陽離子交換器、除碳器和陰離子交換器所組成，其組合方式分為單元制和母管制。OHHCOHHCHHHCCOHOHOH單元制母管制圖3.7.1一級(jí)復(fù)床除鹽系統(tǒng)1—陽床水泵；2—強(qiáng)酸性H型陽離子交換器；3—除碳器；4—中間水箱；5—中間水泵；6—強(qiáng)堿性O(shè)H型陰離子交換器9可編輯ppt

進(jìn)入一級(jí)除鹽系統(tǒng)的水是經(jīng)預(yù)處理、預(yù)脫鹽的水，水中只含有少量的溶解性雜質(zhì)。溶解性雜質(zhì)包括陽離子、陰離子、少量膠體硅等。其中水中的陽離子主要由Ca2+、Mg2+、K+、Na+和極少量的Al3+、Fe3+離子組成，陰離子主要由HCO3－、SO42-、Cl－和少量的NO3-、HSiO3-離子組成。當(dāng)水通過強(qiáng)酸性H型陽交換器時(shí)，水中所有的陽離子都被強(qiáng)酸性H型樹脂吸收，活性基團(tuán)上的H+被置換到水中，與水中的陰離子組合生成酸。其反應(yīng)式：1.陽離子交換器10可編輯ppt1/2Ca1/2SO41/2Ca1/2H2SO4

1/2MgNO3+RH→R1/2Mg+HNO3CIHCINa

HCO3

Na1/2H2CO3

強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂交換反應(yīng)：陽離子交換器的出水是酸性水。但當(dāng)交換器運(yùn)行失效時(shí)，其出水中就會(huì)有其它陽離子的泄漏，而在諸多的陽離子中，首先漏出的陽離子是Na+，故習(xí)慣上稱之為漏鈉。當(dāng)出水中的Na+超過一個(gè)給定的極限值時(shí)，陽離子交換器被判失效，需停運(yùn)再生后才能投入運(yùn)行。為什么陽交換器失效時(shí)，首先發(fā)生漏鈉，而不是漏Ca2+或Mg2+離子？這是因?yàn)樗懈鞣N陽離子與樹脂中H+發(fā)生交換反應(yīng)時(shí)，因樹脂對(duì)各種陽離子的吸收有選擇性，故被樹脂吸收的離子在交換器內(nèi)有分層現(xiàn)象，根據(jù)樹脂對(duì)被吸收離子的選擇性順序，最上層是最易被吸收的Ca2+，次層以Mg2+為主，下層就是Na+。強(qiáng)酸性陽樹脂的選擇性順序?yàn)椋篎e3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+

11可編輯ppt排水裝置壓脂層200mm進(jìn)水裝置反洗空間中間排液裝置樹脂層1600mm逆流再生陽離子交換器結(jié)構(gòu)圖進(jìn)水裝置的作用是均勻分布進(jìn)水于交換器的過水?dāng)嗝嫔?。另一個(gè)作用是均勻收集反洗排水。排水裝置的作用是均勻收集處理好的水；另一個(gè)作用是均勻分配反洗進(jìn)水。中間排液裝置的作用：中間排液裝置對(duì)逆流再生離子交換器運(yùn)行效果有較大影響，其作用是均勻排出再生液，防止樹脂亂層、流失外，還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，安裝時(shí)應(yīng)保證在交換器內(nèi)呈水平狀態(tài)，2.陽離子交換器（陽床）壓脂層的作用過濾掉水中的懸浮物及機(jī)械雜質(zhì)；使進(jìn)水通過壓脂層均勻作用于樹脂層表面；防止樹脂在逆流再生中亂層。12可編輯ppt

圖3.7.2交換器中離子分布情況

(a)開始進(jìn)水時(shí)(b)交換器失效時(shí)當(dāng)交換器不斷進(jìn)水，隨離子交換的不斷進(jìn)行，由于水中的Ca2+比Mg2+、Na2+與樹脂的親合力更大，更易被樹脂吸收，所以水中的Ca2+-離子可和已吸收了Mg2+的樹脂進(jìn)行交換反應(yīng)，使Ca型樹脂層向下擴(kuò)展，而被置換下來的Mg2+一起與Na+型樹脂發(fā)生交換，使Mg2+型樹脂層下移而Na+的交換區(qū)域也逐漸下移。在運(yùn)行過程中，這三層不同型態(tài)的交換劑的高度在不斷地向下擴(kuò)展，如圖3.7.2所示。陽床整個(gè)制水周期(運(yùn)行開始到交換器失效這段時(shí)間)中電導(dǎo)率、鈉離子濃度、酸度變化可用圖3.7.3表示。開始通水正洗時(shí)隨水的不斷通入，水質(zhì)越來越好。因而電導(dǎo)率、酸度、鈉離子快速下降（a點(diǎn)前）。在ab為穩(wěn)定制水過程，b點(diǎn)后樹脂開始失效。此時(shí)水中鈉增加，氫離子減少而氫氧根增加，使酸度下降，電導(dǎo)率下降。圖3.7.3強(qiáng)酸H型陽離子交換器典型出水曲線ab運(yùn)行時(shí)的交換情況13可編輯ppt無頂壓逆流再生的操作步驟：1）小反洗。只對(duì)壓脂層進(jìn)行反洗，沖洗掉積聚在壓脂層上的污染物。用水為該級(jí)交換器的進(jìn)口水，流速樹脂不亂層為宜，一直反洗至出水清澈為為止。2）放水。待樹脂顆粒下沉后，放掉中間排液裝置以上的水。3）進(jìn)再生液。將再生液放入交換器內(nèi)，嚴(yán)格控制其流速和濃度4）逆流再生。進(jìn)完再生液，關(guān)閉再生液計(jì)量箱出口閥，按再生液的流速和流量繼續(xù)用稀釋再生液的除鹽水進(jìn)行沖洗，直至出水指標(biāo)合格為止。關(guān)閉進(jìn)水閥。5）小正洗。水從上部進(jìn)入，控制適當(dāng)?shù)牧魉?，洗去再生后壓脂層中殘留的再生廢液和雜質(zhì)。小正洗用水為運(yùn)行時(shí)的進(jìn)口水。6）正洗。用水自上而下進(jìn)行正洗，直到出水水質(zhì)合格，即可投入運(yùn)行。樹脂的再生壓脂層進(jìn)水再生液出水逆流固定床制水和再生流向圖再生廢液進(jìn)水再生液出水

交換器經(jīng)過多周期運(yùn)行后，下部樹脂層也會(huì)受到一定程度的污染，必須定期對(duì)整個(gè)樹脂層進(jìn)行大反洗，大反洗前先進(jìn)行小反洗，在大反洗時(shí)流量應(yīng)由小到大，逐步增大。從下步進(jìn)水廢液由上部的反洗排水閥排出。14可編輯ppt離子交換器的運(yùn)行中技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有交換器的出水水質(zhì)，工作交換容量和相應(yīng)的再生劑比耗，周期制水量及再生過程中消耗水量。工作交換容量(qi)：在一個(gè)制水運(yùn)行周期中，平均單位體積樹脂進(jìn)行交換所放出的離子量（mmol/Ｌ）。計(jì)算式：qi=(A+S)V/Vi。式中，A為平均進(jìn)水堿度,mmol／Ｌ；Ｓ為平均出水酸度,mmol／Ｌ；Ｖ為從正洗合格開始制水到失效一周期內(nèi)的總制水量，m3;Vi交換器內(nèi)的樹脂體積，m3。酸耗：使交換劑恢復(fù)１mol的離子交換能力，所消耗的酸的的克數(shù)。酸耗（g／mol）＝酸的克數(shù)÷［周期制水量(L)×（陽床出口平均酸度＋陽床進(jìn)口平均堿度）(mol／Ｌ)］。比耗：再生劑的實(shí)際酸耗與理論酸耗（酸的摩爾質(zhì)量）的比值。在實(shí)際中常用平均比耗來表示。平均比耗＝月或年的再生劑耗量／［（Ａ＋Ｓ）×制水量］。水耗：每次再生所耗水的體積與樹脂層體積之比。出水水質(zhì)：是監(jiān)督陽床出水的含鈉量。運(yùn)行時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)15可編輯ppt2.除碳器

除碳原理水通過陽離子交換器，水中的HCO3-與從樹脂上交換下來的H+結(jié)合，形成H2CO3極不穩(wěn)定，隨即分解生成的CO2：H2CO3

H2O+CO2水中的CO2，可以看作是溶解在水中的氣體，它的溶解度與氣體分壓的關(guān)系符合亨利定律，即在一定的溫度下氣體在液體中的溶解度與該氣體在液面上的分壓成正比。只要降低水面上CO2的分壓力，溶于水中的游離CO2就能解吸出來。降低液面CO2氣體分壓的常用方法有鼓風(fēng)和抽真空兩種。16可編輯ppt圖3.7.3除碳器結(jié)構(gòu)除碳器工作時(shí)水中上部布水扳扳淋下，通過填料層后，從下部排入水箱?？諝鈴南虏坑娠L(fēng)機(jī)引入，通過填料層后由頂部排出。在除碳器中因填料的陰擋作用，從上面流下來的水被分散成許多小股水流、微小滴或水膜，增大了空氣與水的接觸面積。因空氣中CO2含量很?。s0.03%），在水中溶解達(dá)平衡時(shí)不到0.45mg/L，這樣水與空氣接觸時(shí)，水中的CO2便會(huì)析出。真空除碳真空除碳通過真空泵或噴射器，從除碳器的不同部位抽真空而達(dá)到除碳的目的。排水口進(jìn)氣口進(jìn)水口oooooooo

排氣口填料支撐扳填料層布水扳鼓風(fēng)除碳器的結(jié)構(gòu)

它的工作原理除了同上述的鼓風(fēng)除碳所不同的是：在真空除碳過程中，水中其它溶解氣體(如氧氣)也同時(shí)被除去，這是鼓風(fēng)除碳所不能做到的。17可編輯ppt3.陰離子交換器(陰床)1/2H2SO41/2SO4HNO3NO31/2H2CO3+ROH→R1/2CO3+2H2OHClCI1/2H2SiO3HSiO3陰離子交換實(shí)質(zhì)上是陰樹脂中的OH與酸性水(經(jīng)過陽離子交換及除碳)中的負(fù)離子進(jìn)行交換。所以在強(qiáng)堿性陰離子交換器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)為：圖3.7.4強(qiáng)堿性O(shè)H型離子交換器出水水質(zhì)變化根據(jù)強(qiáng)堿陰樹脂的交換規(guī)律，HSiO3-集中在交換器中樹脂的底部。所以當(dāng)強(qiáng)堿性O(shè)H型陰離子交換器失效時(shí)，HSiO3-先漏出來，致使出水的硅含量升高。因強(qiáng)堿陰樹脂的選擇性順序?yàn)椋篠O42－>NO3－>Cl－>OH－>F－>HCO3－>HSiO3－18可編輯ppt壓脂層進(jìn)水裝置反洗空間中間排液裝置樹脂層2500mm排水裝置逆流再生陰離子交換器示意圖陰離子交換器與陽離子交換器一樣是逆流再生工藝，其操作步驟與陽離子交換器相同。其交換器結(jié)構(gòu)示意圖與陽離子交換器也相同。19可編輯ppt混合型離子交換器（混合床）除鹽1/2Ca2+、1/2Mg2+、Na+RH+R，OH+1/2SO42－、CI－、HCO3－、HSiO3－Na1/2SO4R1/2Ca+R，CI+H2OHCO31/2Mg

HSiO3

由于陽、陰樹脂混合均勻，所以陽、陰離子交換反應(yīng)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，置換出的H+和OH-立即生成水，都不會(huì)積累，消除了反離子作用，交換反應(yīng)進(jìn)行得十分徹底，出水水質(zhì)很好。交換反應(yīng)如下：混合床是圓柱型密閉容器。其內(nèi)部有進(jìn)水裝置、排水裝置、中部有再生時(shí)排再生廢液的中間排水裝置等。為了便于陽、陰樹脂分層，混合床中陽樹脂與陰樹脂的濕真密度差應(yīng)大于0.15～0.20g／cm3。國內(nèi)混合床采用的陽、陰樹