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纯水制备系统离子交换树脂的选用

摘要 论述离子交换树脂特点，选型，用量计算，树脂的处理。
关键词 离子交换树脂 湿真密度 湿视密度
1． 概述
树脂运行过程中，相互摩擦碰撞，再生时转型，引起树脂破碎，同时树脂也会被氧化，有机物污染。随着使用期限延长，树脂交换容量降低，产水量减少，产水质量下降，再生酸碱耗量增大，这时就需更换树脂。西安扬森公司制备纯水所用树脂，在1996年4月以前为进口产品，经过几年的运行，树脂破损严重，产水量下降，必须对其进行更换，以保证纯水质量。
2．以国产树脂代替进口产品。
2．1质量保证
西安扬森公司纯水用于制剂生产，必须达到质量要求，即：电导率<1μs/cm ，无菌。以此为标准，结合目前扬森公司的运行流程：软水→反渗透→复床→混床→纯水，用国产树脂产水电导率能够满足生产要求。同时我参阅了有关资料，并多次前往西安电力树脂厂调研，认为国产树脂可以代替代替进口产品。
3．树脂特点及选型
3．1 树脂特点
凝胶型离子交换树脂，交换容量大，其骨架是带微孔的高分子凝交体。缺点是抗氧化性和机械强度较差，特别是阴树脂易受有机物污染。
大孔树脂中的孔大，能抗有机物污染（因为被截留的机 物容易在再生时通过这些孔道除去），且有与凝胶型相近的交 换容量，也有较快的反应速度，抗渗透冲击。
均孔强碱性树脂可以防止有机物中毒。均孔树脂对有机
物的吸着是可逆的，所以不会被污染。在交换容量和再生性能方面都有所改善，是目前比较好的树脂品种。
3． 2 选型
3．2．1 性能方面，均孔树脂优于大空树脂，而大孔树脂又 优于凝胶型树脂；价格方面，则是凝胶型树脂最具竞争力。选择凝胶型树脂比较经济。
另一方面，从质量要求考虑，扬森公司纯水制备，首先用反渗透除去95%以上的杂质，进入复床与混床的水质大为改善，故选凝胶型树脂能够满足产水质量要求。
3．2．2 离子交换的选择
树脂对各种离子的吸附能力不一，有些离子易被交换树脂吸着，但吸着后要将其置换下来就比较困难，而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易。树脂在常温低浓度水容液中对常见离子的选择性如下：
强酸性阳离子交换树脂：
Fe3+ >AI3+ >Ca2+>Mg2+>k+>Na+>H+>Li+
弱酸性阳离子交换树脂：
H+>Fe3+>Ai3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+
强碱性阴离子交换树脂：
SO42–>NO3–>Cl–>OH–>F–>HClO3–>HsiO3–
弱碱性阴离子交换树脂：
　　　　　 OH–> SO42–> NO3–> Cl–> HClO3–
对于强碱性阴离子交换树脂，分Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型碱性比Ⅱ型强，Ⅱ型的交换容量比Ⅰ型大。

根据树脂对离子选择性次序，制备纯水选用强 　　　　 酸强碱性树脂。

表一 西安电力树脂厂部分产品目录

型号

骨架
换换 基 团
粒度范围
(mm)>95%
含水量
%
湿视密度
g/ml
湿真密度
g/ml
001´7
苯乙烯系
-SO3Na
0.315~1.25
45~53
0.77~0.87
1.24~1.28
002s
苯乙烯系
-SO3Na
0.315~1.25
40~45
0.85~0.90
1.27~1.30
003
苯乙烯系
-SO3Na
0.80~2.00
45~53
0.77~0.87
1.24~1.29
001T
苯乙烯系
-SO3Na
0.71~0.90
42~52
0.77~0.87
1.24~1.28

续表一

型号

全交换容量³mmol/g
体积换容量
³mmol/ml
出厂型式
国外树脂
对应牌号
主要用途
001´7
4.30
1.70
Na+
IR-120
纯水制备
002s

3.90
1.90
Na+
Stratubed-122
抗菌素提取
003
4.18
1.70
Na+
C-20
纯水制备,硬水软化.
001T
4.50
1.90
Na+
650C
废水除汞
续表一

型号
骨架
交换基团
粒度范围
(mm)≥95%
含水量%
湿视密度
g/ml
湿真密度
g/ml

201´7
苯乙烯系
-N(CH3)3CL
0.315~1.25
42~48
0.66~0.75
1.06~1.11
201´4
苯乙烯系
-N(CH3)3CL
0.315~1.25
54~62
0.66~0.73
1.04~1.08
GRQ201
苯乙烯系
-N(CH3)3CL
0.315~1.25
45~55
0.67~0.73
1.07~1.10
204
苯乙烯系
-N(CH3)3CL
0.315~1.25
53~62
0.66~0.73
1.04~1.08
GRQ202
苯乙烯系
C2H4OH
-N
(CH3)2CL
0.315~1.25
40~50
0.69~0.75
1.08~1.15
202
苯乙烯系
C2H4OH
-N
(CH3)2CL
0.315~1.25
40~45
≥0.70
≥1.08
201T
苯乙烯系
-N(CH3)3CL
0.71~0.90
42~48
0.66~0.75
1.06~1.11

续表一

型号
全交换
容量³mmol/g
体积交
换容量
³mmol/ml
出厂
型式
国外树脂对应牌号

主要用途
201´7
3.20
1.20
Cl-
IRA-400
SA-10A

纯水制备,放射性元素提取,有用成分回收.
201´4
3,60
0.95
Cl-
IRA-401

GRQ201
4,20
1.40
Cl-

204
3,60
0.95
Cl-
DOWEX
SBR-P
纯水制备,贵重金属提取,食品工业,废水处理.

GRQ202
3.80
1.4
Cl-

纯水制备,配双层床.

202
3.10
1.25
Cl-
IRA-410
202T
3.2
1.20
Cl-
IRA-400C
纯水制备,有用成分回收.

3．2．3 型号确定
3．2．3．1 复床树脂
对于复床阴阳离子交换树脂分装在两个柱体内，按表一 选型。
复床树脂型号：
阳离子交换树脂：
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂：001×7
阴离子交换树脂：
强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 201×7
3．2．2 混床树脂
对于混床，阴阳树脂混装于一个柱体内，再生时需将其反洗分层，然后用酸再生阳树脂，用碱再生阴树脂。冲洗干净，两种树脂混合均匀，投入运行。若阴阳树脂不易分层，则再生效果不好，产水量减少，水质下降。所以混床用的阳树脂和阴离子交换树脂的湿真密度差应大于15~ 20%。由此据表一，选混床树脂：
混床树脂型号：
阳树脂：强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂：001×7MB
湿真密度：1.25~1.29g/cm
阴树脂：强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 201×7MB
湿真密度湿: 1.07~1.10 g/cm
阴阳树脂湿真密度差：
（1.25+1.29）/2-（1.07+1.10 ）/2=0.185
185/（1.07+1.10）/2=0.17=17%
因为15%<17%<20%
所以所选树脂能够满足分层需要。
注：湿真密度湿=湿树脂质量/湿树脂的真体积
3．2．3．3 软床树脂
软床除去水中的Ca 2+和Mg2+，使水软化，故选阳树脂：
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂：003
3．2．3．4 树脂型号
床体
软床
复 床
混 床

阳树脂
阳树脂
阴树脂
阳树脂
阴树脂

型号
003
00×17
201×7
001×7MB
201×7MB

4．树脂用量

4．1设备规格及装填量
装填高度为柱体有效高度的2/3。正常运行时，顶部充满水，对进入设备的水流具有缓冲及均布作用。另一方面，再生时树脂转型，体积膨胀，也需有一定的空间。

计算公式：V=ΠD2/4*H
V---- 树脂体积
D 柱体直径
H---- 柱体高度
表三 各床规格及树脂用量
床体

软床

复 床
混 床
阳 床
阴 床
阳树脂
阴树脂
D(m)
1.2
0.76
0.76
0.61
0.61
H(m)
1.25
2.17
2.17
0.44
0.65
V(m3)
1.42
0.99
0.99
0.127
0.190

4．2 购买量计算
柱体内树脂量=湿视密度×树脂堆积体积
湿视密度：树脂在水中充分膨胀后树脂颗粒的密度：
湿视密度 =湿树脂质量/湿树脂的堆积体积g/ml
表四 湿视密度
型号
001×7
00×7MB
201×7
2×7MB
湿视密度
0.77~0.87
0.77~0.86
0.66~0.75
0.67~0.73
平均g/ml
0.82
0.815
0.705
0.70
成品树脂用塑料袋包装，标准为 25kg/袋，计算结果：
表五 树脂购买量
床体
重量
软床
复 床
混 床
阳离子
阴离子
阳离子
阴离子
树脂量(kg)
1165
812
698
104
133
购买量(袋)
47
33
28
5
6

5．树脂预处理
5．1干树脂
若贮存运输过程中，树脂失水，使用前必须处理。先用浓食盐水（~10%）浸泡，再逐渐稀释，不得直接放于水中 。以免树脂急剧膨涨而破碎。
5． 2 新树脂
新离子交换树脂中，含有少量低聚物和未参加反应的单体，以及铁，铅，铜等无机杂质，当树脂与水接触，就会转入溶液中，影响出水质量。因此，使用前先用水使树脂充分膨胀，然后用4~5%的稀盐酸除去无机杂质，用2~4%稀氢氧化钠除去有机杂质，最后冲洗至近中性。
5．3 再生
装好树脂，经处理后再生，至产水电导率<1µs/cm，水质达到要求，投入运行。
6． 总结
制备纯水选用强酸强碱型树脂。运用先进的生产工艺，国产树脂完全可以代替进口产品。混床树脂的选用，要考虑阴阳两种树脂的湿真密度之差，以便再生分层，满足再生要求。树脂的装填量以柱体有效容积的2/3为宜。树脂的重量计算，要用湿视密度。
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