樹脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能和再生問題

一、交換能力 氫型陽離子交換樹脂在水中可解離出氫離子（H+），當(dāng)遇到金屬離子或其它陽離子，就發(fā)生互相交換作用，但交換后的樹脂，就不再是氫型樹脂了。例如，當(dāng)水中的陽離子如鈣離子、鎂離子的濃度相當(dāng)大時(shí)，磺酸型的陽離子交換樹脂中的氫離子，可和鈣、鎂離子進(jìn)行交換，而形成「鈣型」或「鎂型」的陽離子交換樹脂，如下式： 2R-SO3H ＋ Ca2+ → （R-SO3）2Ca ＋ 2H+ （鈣型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂） 2R-SO3H ＋ Mg2+ → （R-SO3）2Mg ＋ 2H+（鎂型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂） 氫型陽離子交換樹脂的交換能力與被交換的陽離子的價(jià)數(shù)有密切關(guān)系。在常溫下，低濃度水溶液中，交換能力隨離子價(jià)數(shù)增加而增加，即價(jià)數(shù)越高的陽離子被交換的傾向越大。此外，若價(jià)數(shù)相同，離子半徑越大的陽離子被交換的傾向也越大。如果以自來水中經(jīng)常出現(xiàn)陽離子列為參考對象，則氫型陽離子交換樹脂的交換能力順序可表示如下： 強(qiáng)酸性：Fe3+＞Fe 2+＞Mn2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞H+ 弱酸性：H+＞Fe3+＞Fe 2+＞Mn2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+ 由上述交換能力順序可知：強(qiáng)酸性與弱酸性陽離子交換樹脂的母體，對陽離子交換能力順序*相同，*的差異是：兩者對H+的交換能力不同，強(qiáng)酸性對氫離子的親和力zui弱，弱酸性對氫離子的親和力zui強(qiáng)，這個(gè)特性可能會(huì)深深影響它們在水草缸的作用與功能。 雖然氫型弱酸性陽離子交換樹脂對氫離子的親合力zui強(qiáng)，但氫離子（H+）與氫氧離子（OH-）結(jié)合成水（H2O）的親合力更強(qiáng)，所以在堿性水質(zhì)中，弱酸性陽離子交換樹脂中的H+會(huì)快速被OH-所消耗，OH-主要來自KH硬度（HCO3-）的水解反應(yīng)： HCO3- ＋ H2O ←→ H2CO3 ＋ OH- H+所之「活性位置」再改由其它陽離子如Fe3+＞Fe 2+＞Mn2+＞Ca2+＞Mg2+……等依序取代，一直持續(xù)到HCO3-*被消除為止（KH＝0）。因此弱酸性陽離子交換樹脂的主要作用區(qū)間是在于pH＝5 ~ 14的水質(zhì)。由于HCO3-為暫時(shí)硬度的陰離子，因此當(dāng)HCO3-*被消除后，它的「當(dāng)量陽離子」，如如鈣、鎂等離子也同時(shí)*被取代，故能消除所有暫時(shí)硬度的「當(dāng)量陽離子」。 氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂對氫離子（H+）的親合力zui弱，使它在任何pH之下，它都具有交換能力，因此可以*除去GH硬度（暫時(shí)硬度及*硬度）。

二、交換容量 離子交換樹脂進(jìn)行離子的交換反應(yīng)的性能，主要由「交換容量」表現(xiàn)出來。所謂交換容量是指每克干樹脂所能交換離子的毫克當(dāng)量數(shù)，以m mol/g為單位。當(dāng)離子為一價(jià)時(shí)（如K+），其毫克當(dāng)量數(shù)即為其毫克分子數(shù)，對于二價(jià)（如Ca2+）或更多價(jià)離子（如Fe3+），其毫克當(dāng)量數(shù)即為其毫克分子數(shù)乘以其離子價(jià)數(shù)。交換容量又分為「總交換容量」、「操作交換容量」和「再生容量」等三種表示方法?！缚偨粨Q容量」表示每克干樹脂所能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基總量，屬于理論性計(jì)量?！覆僮鹘粨Q容量」表示每克干樹脂在某一定條件下的離子交換能力，屬于操作性計(jì)量，它與樹脂種類、總交換容量，以及具體操作條件（如接觸時(shí)間、溫度）等因素有關(guān)，可用于顯示操作效率?！冈偕萘俊贡硎久靠烁蓸渲谝欢ǖ脑偕鷦┝織l件下，所取得的再生樹脂之交換容量，可用于顯示樹脂再生效率。由于樹脂的結(jié)構(gòu)不同（主要是活性基數(shù)目不同），強(qiáng)酸性與弱酸性陽離子交換樹脂的交換容量也不相同。一般而言，弱酸性的活性基數(shù)目通常多于于強(qiáng)酸性，故總交換容量較高約7.0 ~ 10.5 m mol/g，相形之下，強(qiáng)酸性僅約3.2 ~ 4.5m mol/g而已，但在實(shí)際應(yīng)用中，弱酸性的操作交換容量卻不一定高于強(qiáng)酸性，例如，pH值低于5時(shí)，弱酸性的操作交換容量為零，根本無交換作用。在pH值為6.5時(shí)，兩者的操作交換容量相似；但在堿性溶液中，弱酸性遠(yuǎn)高于強(qiáng)酸性。在再生容量方面，弱酸性則通常高于強(qiáng)酸性，故弱酸性的使用壽命會(huì)更長一些。

 三、再生 離子相對濃度高低對樹脂的交換性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)水溶液中氫離子的濃度相當(dāng)大時(shí)，鈣型或鎂型的陽離子交換樹脂中的鈣離子或鎂離子，可與氫離子進(jìn)行交換，重新成為氫型陽離子交換樹脂。換言之，交換反應(yīng)也可以反方向進(jìn)行。由于離子交換過程是可逆的，因此當(dāng)交換樹脂交換了一定量的離子后，可用相對濃度較高的氫離子再取代下來，使之一再重復(fù)被循環(huán)使用，這種作用稱為再生（regeneration）。其反應(yīng)式如下： （R-SO3）2Ca ＋ 2H+ → 2R-SO3H ＋ Ca2+ （R-COO）2Ca ＋ 2H+ → 2R-COOH ＋ Ca2+ 當(dāng)氫型樹脂中的氫離子，都被其它硬度離子交換后，這些樹脂就沒有軟化水質(zhì)作用，此時(shí)之狀態(tài)稱為「飽和」?fàn)顟B(tài)。再生操作主要目的就是將已經(jīng)達(dá)到「飽和」?fàn)顟B(tài)的樹脂，利用「再生劑」洗出所交換來的陽離子，讓樹脂重新再回復(fù)到原有的交換容量，或所期望的容量程度，或原有的樹脂型態(tài)等。無論是強(qiáng)酸性或弱酸性陽離子交換樹脂，都可以使用稀硫酸或稀鹽酸作為再生劑，但一般認(rèn)為以稀硫酸作為再生劑，效果可能會(huì)好一些。因?yàn)闃渲粑接袡C(jī)物的話，稀硫酸較稀鹽酸更能解析出有機(jī)物，所以一般工藝多采用稀硫酸為再生劑。不過實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可能因?yàn)榱蛩岬娜〉幂^為困難，所以多使用鹽酸作為再生劑居多。

四、影響再生特性的主要因素 氫型樹脂的再生特性與它的類型和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，強(qiáng)酸性氫型樹脂的再生比較困難，需要的再生酸液的劑量比理論值高許多，而且必須較長的接觸時(shí)間。相形之下，弱酸性氫型樹脂的再生則比較容易，需要的再生酸液的劑量僅比理論值高一些，也不需要長的接觸時(shí)間。一般認(rèn)為，在硫酸或鹽酸的用量為其總交換容量的二倍時(shí)，每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時(shí)間是：強(qiáng)酸性約30 ~ 60分；弱酸性約30 ~ 45分。此外，氫型樹脂的再生特性也與它們的「交聯(lián)度」有關(guān)。所謂交聯(lián)度乃是定量樹脂中所含的交聯(lián)劑（如苯乙烯）的質(zhì)量百分率。通常交聯(lián)度低的樹脂，其特征是聚合密度較低，內(nèi)部空隙較多，網(wǎng)孔大，對水的溶脹性好，但對離子選擇較弱，交換反應(yīng)速度快，較易再生，因此每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時(shí)間較短。反之，交聯(lián)度高的樹脂，則需要較長再生酸液與樹脂接觸的時(shí)間。無論強(qiáng)酸性或弱酸性氫型樹脂的「交聯(lián)度」均可以在制造時(shí)控制。由于氫型樹脂的網(wǎng)孔不僅提供了良好的離子交換條件，而且也像活性碳一般，能產(chǎn)生分子吸附作用，也可能吸附各種有機(jī)物，因此容易受到有機(jī)物污染，而影響其操作效率，也使得其再生操作發(fā)生困難。如果樹脂在使用過程中，吸附了有機(jī)物，特別是大分子有機(jī)物，再生接觸時(shí)間必須更久，而且通常要提高溫度（70 ~ 80℃）才能除去大部分有機(jī)物，以免其效能降低太快，同時(shí)在高溫下操作，也可以加速再生反應(yīng)時(shí)間，使浸泡接觸時(shí)間得以因而縮短。在這方面應(yīng)用的再生劑，以硫酸較佳，理由是硫酸在加熱時(shí)相當(dāng)安定，鹽酸則可能會(huì)產(chǎn)生有毒的氯化氫氣體。

五、再生液濃度與再生效率的關(guān)系 樹脂再生的化學(xué)反應(yīng)是它原先交換的逆反應(yīng)，按化學(xué)反應(yīng)的平衡原理，提高反應(yīng)物濃度，可促進(jìn)反應(yīng)向另一邊進(jìn)行，故提高酸液濃度可加速再生反應(yīng)速率，進(jìn)而提高再生效率。但是，這并不表示酸液濃度越高越好，假如沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)去評估交換樹脂所需要的酸量，就會(huì)發(fā)生「過猶不及」的問題。雖然再生酸液濃度不足時(shí)，使樹脂的再生率降低，將多少會(huì)影響后續(xù)的硬水軟化功能。相反地，若所用酸液過多，平日浪費(fèi)了酸液，增加了再生的成本，也是不劃算的。為了讓消費(fèi)者了解再生酸液的劑量問題，有些服務(wù)較好的廠商，都會(huì)主動(dòng)提供的濃度供人參考。有，如果水還中酸液氫離子濃度超過1mol/l以上時(shí)，再生反應(yīng)速率可能會(huì)受到網(wǎng)孔擴(kuò)散作用的限制，因此網(wǎng)孔較小的樹脂，不宜使用高濃度酸液再生，否則可能也會(huì)造成浪費(fèi)酸液的現(xiàn)象。此外，盡管硫酸是很好的再生劑，但仍要防止被樹脂吸收的鈣離子與硫酸反應(yīng)，而在樹脂中生成硫酸鈣沉淀物，若要避免此問題發(fā)生，可在*次操作時(shí)，先倒入1 ~ 2﹪硫酸浸泡洗脫一次，在第二次操作時(shí)，再使用較高濃度硫酸處理。zui后，如果打算僅使用「一次操作再生」即要完成再生作業(yè)，無妨斟酌提高酸液的操作濃度，以增加其再生效率。雖然這種操作方式zui方便，但再生效率將不如將該相同劑量酸液稀釋，分兩二次或多次浸泡處理來得好。不過，要進(jìn)行多次操作，還得考慮為了多增加一點(diǎn)再生效率，值不值得發(fā)花力氣去處理。

      兩種氫型陽離子交換樹脂重要性質(zhì)作一歸納：一般強(qiáng)酸性樹脂可在所有pH值范圍內(nèi)操作，但其交換容量較小，而必須經(jīng)常再生，此外又因再生效率較差，所需再生劑費(fèi)較高，但可以除去所有硬度離子，或調(diào)節(jié)pH。弱酸性樹脂具有較高的交換容量，再生效率較高，所需再生劑較少，但僅能在有限的pH值范圍內(nèi)操作，以及僅能除去暫時(shí)硬度離子