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什么是离子交换树脂及其它们是如何工作的?

虽然我们中的许多人都听说过离子交换树脂(IX),但我们很少有人掌握这项技术的实际运作方式。无论您是在权衡潜在的治疗策略,寻找充分利用现有IX树脂的方法,还是仅仅对IX化学产品感到好奇,您可能会问“什么是离子交换树脂以及它是如何起作用的?”

无论您的目标是什么,本文将帮助您更好地了解IX树脂技术,以及它如何满足各种水处理和分离需求,从而帮助您更好地决定适合您设施的水处理策略。

什么是离子交换树脂?

离子交换是一种可逆的化学反应,其中从溶液中除去溶解的离子并用相同或类似电荷的其他离子替换。IX树脂本身不是化学反应物,而是促进离子交换反应的物理介质。树脂本身由形成烃网络的有机聚合物组成。整个聚合物基质是离子交换位点,其中带正电离子(阳离子)或带负电离子(阴离子)的所谓“官能团”固定在聚合物网络上。这些官能团容易吸引相反电荷的离子。

IX树脂的物理特性是什么?

IX树脂的几何形状,尺寸和结构可以在不同类型之间变化。大多数IX交换系统使用由微小的多孔微珠组成的树脂床,尽管一些系统(例如用于电渗析的系统)使用片状网状树脂。IX树脂珠通常是小的和球形的,半径仅为0.25至1.25毫米。根据应用和系统设计,树脂珠粒可具有均匀的粒度或高斯尺寸分布。大多数应用使用凝胶树脂珠,具有半透明的外观,并提供高容量和化学效率。大孔树脂由于其不透明的白色或黄色外观而可识别,通常保留用于苛刻的条件,因为它们具有相对较高的稳定性和耐化学性。             

什么是IX树脂?

IX树脂基质通过在称为聚合的过程中使烃链彼此交联而形成。交联使树脂聚合物具有更强,更有弹性的结构和更大的容量(按体积计)。虽然大多数IX树脂的化学组成是聚苯乙烯,但某些类型是由丙烯酸(丙烯腈或丙烯酸甲酯)制造的。然后树脂聚合物经历一种或多种化学处理以将官能团结合到位于整个基质中的离子交换位点。这些官能团赋予IX树脂其分离能力,并且从一种树脂到下一种树脂会有很大差异。最常见的成分包括:

  • 强酸阳离子(SAC)交换树脂。SAC树脂由聚苯乙烯基质和磺酸盐(SO )官能团组成,其中带有钠离子(Na 2+)用于软化应用,或氢离子(H +)用于脱矿质
  • 弱酸阳离子(WAC)交换树脂。WAC树脂由丙烯酸聚合物组成,该聚合物已用硫酸或苛性钠水解以产生羧酸官能团。由于它们对氢离子(H +)的高亲和力,WAC树脂通常用于选择性地除去与碱度相关的阳离子。
  • 强碱阴离子(SBA)交换树脂。SBA树脂通常由经过氯甲基化和胺化的聚苯乙烯基质组成,以将阴离子固定到交换位点。1型SBA树脂是通过应用三甲胺生产的,其产生氯离子(Cl ),而2型SBA树脂通过应用二甲基乙醇胺生产,其产生氢氧根离子(OH )。
  • 弱碱阴离子(WBA)交换树脂。WBA树脂通常由经过氯甲基化的聚苯乙烯基质组成,然后用二甲胺胺化。WBA树脂的独特之处在于它们不具有可交换的离子,因此用作酸吸收剂以除去与强无机酸相关的阴离子。
  • 螯合树脂。螯合树脂是最常见的特种树脂类型,用于选择性去除某些金属和其他物质。在大多数情况下,树脂基质由聚苯乙烯组成,尽管多种物质用于官能团,包括硫醇,三乙基铵和氨基膦等。

离子交换树脂如何工作?

要完全了解IX树脂的工作原理,首先要了解离子交换反应的原理非常重要。简而言之,离子交换是带电粒子或离子的可逆交换与相同电荷的交换。当存在于不溶性IX树脂基质上的离子有效地与周围溶液中存在的类似电荷的离子交换位置时,​​会发生这种情况。

IX树脂以这种方式起作用,因为它的官能团基本上是固定的离子,它们永久地结合在树脂的聚合物基质中。这些带电离子将容易与相反电荷的离子结合,这些离子通过施加抗衡离子溶液而被输送。这些反离子将继续与官能团结合,直至达到平衡。

在IX循环期间,将待处理的溶液加入IX树脂床中并使其流过珠粒。当溶液移动通过IX树脂时,树脂的官能团吸引溶液中存在的任何抗衡离子。如果官能团对新抗衡离子的亲和力大于已经存在的那些,那么溶液中的离子将移除现有的离子并取代它们,通过共享的静电吸引力与官能团结合。通常,离子的尺寸和/或价数越大,其与相反电荷的离子的亲和力就越大。

让我们将这些概念应用于典型的IX水软化系统。在该实施例中,软化机理由阳离子交换树脂组成,其中磺酸根阴离子(SO )官能团固定在IX树脂基质上。然后将含有钠阳离子(Na +)的抗衡离子溶液施加到树脂上。通过静电吸引将Na +保持在固定的SO 阴离子上,在树脂中产生净中性电荷。在活性IX循环期间,将含有硬离子(Ca 2+或Mg 2+)的流加入到阳离子交换树脂中。自SO 官能团对硬度阳离子的亲和力大于对Na +离子的亲和力,硬度离子置换Na +离子,然后Na +离子作为处理流的一部分流出IX单元。另一方面,硬度离子(Ca 2+或Mg 2+)由IX树脂保留。

什么是树脂再生?

随着时间的推移,污染物离子与IX树脂中的所有可用交换位点结合。一旦树脂耗尽,必须通过所谓的再生循环将其恢复以供进一步使用。在再生循环期间,通过施加浓缩的再生溶液基本上逆转IX反应。根据树脂的类型和手头的应用,再生剂可以是盐,酸或苛性碱溶液。随着再生循环的进行,IX树脂释放污染物离子,将它们交换为再生溶液中存在的离子。污染物离子将作为再生剂流出物流的一部分离开IX系统,并且需要被适当地排出。在大多数情况下,在下一个活性IX循环之前冲洗树脂以除去任何残留的再生剂。

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