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    技術標準

    樹脂進行離子交換反應的性能和再生問題

    文字:[大][中][小] 2010-6-6    瀏覽次數:2511    
     

    一般強酸性樹脂可在所有pH值范圍內操作,但其交換容量較小,而必須經常再生,此外又因再生效率較差,所需再生劑費較高,但可以除去所有硬度離子,或調節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值范圍內操作,以及僅能除去暫時硬度離子

    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+),當遇到金屬離子或其它陽離子,就發生互相交換作用,但交換后的樹脂,就不再是氫型樹脂了。例如,當水中的陽離子如鈣離子、鎂離子的濃度相當大時,磺酸型的陽離子交換樹脂中的氫離子,可和鈣、鎂離子進行交換,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+ (鈣型強酸性陽離子交換樹脂) 2R-SO3H Mg2+ → (R-SO3)2Mg 2H+(鎂型強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數有密切關系。在常溫下,低濃度水溶液中,交換能力隨離子價數增加而增加,即價數越高的陽離子被交換的傾向越大。

    此外,若價數相同,離子半徑越大的陽離子被交換的傾向也越大。如果以自來水中經常出現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完全相同,

    唯一的差異是:兩者對H+的交換能力不同,強酸性對氫離子的親和力最弱,弱酸性對氫離子的親和力最強,這個特性可能會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最強,但氫離子(H+)與氫氧離子(OH-)結合成水(H2O)的親合力更強,所以在堿性水質中,弱酸性陽離子交換樹脂中的H+會快速被OH-所消耗,OH-主要來自KH硬度(HCO3-)的水解反應: HCO3- H2O ←→ H2CO3 OH- H+所遺留之「活性位置」再改由其它陽離子如Fe3+Fe 2+Mn2+Ca2+Mg2+……等依序取代,一直持續到HCO3-完全被消除為止(KH0)。

    因此弱酸性陽離子交換樹脂的主要作用區間是在于pH5 ~ 14的水質。由于HCO3-為暫時硬度的陰離子,因此當HCO3-完全被消除后,它的「當量陽離子」,如如鈣、鎂等離子也同時完全被取代,故能消除所有暫時硬度的「當量陽離子」。氫型強酸性陽離子交換樹脂對氫離子(H+)的親合力最弱,使它在任何pH之下,它都具有交換能力,因此可以完全除去GH硬度(暫時硬度及永久硬度)。

    二、交換容量 離子交換樹脂進行離子的交換反應的性能,主要由「交換容量」表現出來。所謂交換容量是指每克干樹脂所能交換離子的毫克當量數,以m mol/g為單位。

    當離子為一價時(如K+),其毫克當量數即為其毫克分子數,對于二價(如Ca2+)或更多價離子(如Fe3+),其毫克當量數即為其毫克分子數乘以其離子價數。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。
    「總交換容量」表示每克干樹脂所能進行離子交換反應的化學基總量,屬于理論性計量?!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,屬于操作性計量,它與樹脂種類、總交換容量,以及具體操作條件(如接觸時間、溫度)等因素有關,可用于顯示操作效率。

    「再生容量」表示每克干樹脂在一定的再生劑量條件下,所取得的再生樹脂之交換容量,可用于顯示樹脂再生效率。由于樹脂的結構不同(主要是活性基數目不同),強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,弱酸性的活性基數目通常多于于強酸性,故總交換容量較高約7.0 ~ 10.5 m mol/g,相形之下,強酸性僅約3.2 ~ 4.5m mol/g而已,但在實際應用中,弱酸性的操作交換容量卻不一定高于強酸性,例如,pH值低于5時,弱酸性的操作交換容量為零,根本無交換作用。

    pH值為6.5時,兩者的操作交換容量相似;但在堿性溶液中,弱酸性遠高于強酸性。在再生容量方面,弱酸性則通常高于強酸性,故弱酸性的使用壽命會更長一些。

     三、再生 離子相對濃度高低對樹脂的交換性質會產生很大的影響。當水溶液中氫離子的濃度相當大時,鈣型或鎂型的陽離子交換樹脂中的鈣離子或鎂離子,可與氫離子進行交換,重新成為氫型陽離子交換樹脂。換言之,交換反應也可以反方向進行。由于離子交換過程是可逆的,因此當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,使之一再重復被循環使用,這種作用稱為再生(regeneration)。

    其反應式如下: (R-SO3)2Ca 2H+ → 2R-SO3H Ca2+ (R-COO)2Ca 2H+ → 2R-COOH Ca2+ 當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作用,此時之狀態稱為「飽和」狀態。再生操作主要目的就是將已經達到「飽和」狀態的樹脂,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,或原有的樹脂型態等。無論是強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,但一般認為以稀硫酸作為再生劑,效果可能會好一些。因為樹脂若吸附有機物的話,稀硫酸較稀鹽酸更能解析出有機物,所以一般工藝多采用稀硫酸為再生劑。不過實際應用時,可能因為硫酸的取得較為困難,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構有密切關系,強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間。一般認為,在硫酸或鹽酸的用量為其總交換容量的二倍時,每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時間是:強酸性約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「交聯度」有關。所謂交聯度乃是定量樹脂中所含的交聯劑(如苯乙烯)的質量百分率。通常交聯度低的樹脂,其特征是聚合密度較低,內部空隙較多,網孔大,對水的溶脹性好,但對離子選擇較弱,交換反應速度快,較易再生,因此每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時間較短。反之,交聯度高的樹脂,則需要較長再生酸液與樹脂接觸的時間。無論強酸性或弱酸性氫型樹脂的



    交聯度」均可以在制造時控制。由于氫型樹脂的網孔不僅提供了良好的離子交換條件,而且也像活性碳一般,能產生分子吸附作用,也可能吸附各種有機物,因此容易受到有機物污染,而影響其操作效率,也使得其再生操作發生困難。如果樹脂在使用過程中,吸附了有機物,特別是大分子有機物,再生接觸時間必須更久,而且通常要提高溫度(70 ~ 80℃)才能除去大部分有機物,以免其效能降低太快,同時在高溫下操作,也可以加速再生反應時間,使浸泡接觸時間得以因而縮短。在這方面應用的再生劑,以硫酸較佳,理由是硫酸在加熱時相當安定,鹽酸則可能會產生有毒的氯化氫氣體。

    五、再生液濃度與再生效率的關系 樹脂再生的化學反應是它原先交換的逆反應,按化學反應的平衡原理,提高反應物濃度,可促進反應向另一邊進行,故提高酸液濃度可加速再生反應速率,進而提高再生效率。但是,這并不表示酸液濃度越高越好,假如沒有經過實驗去評估交換樹脂所需要的酸量,就會發生「過猶不及」的問題。

    雖然再生酸液濃度不足時,使樹脂的再生率降低,將多少會影響后續的硬水軟化功能。相反地,若所用酸液過多,平日浪費了酸液,增加了再生的成本,也是不劃算的。為了讓消費者了解再生酸液的劑量問題,有些服務較好的廠商,都會主動提供最適合的濃度供人參考。

    有,如果水還中酸液氫離子濃度超過1mol/l以上時,再生反應速率可能會受到網孔擴散作用的限制,因此網孔較小的樹脂,不宜使用高濃度酸液再生,否則可能也會造成浪費酸液的現象。

    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,而在樹脂中生成硫酸鈣沉淀物,若要避免此問題發生,可在第一次操作時,先倒入1 ~ 2﹪硫酸浸泡洗脫一次,在第二次操作時,再使用較高濃度硫酸處理。最后,如果打算僅使用「一次操作再生」即要完成再生作業,無妨斟酌提高酸液的操作濃度,以增加其再生效率。雖然這種操作方式最方便,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,要進行多次操作,還得考慮為了多增加一點再生效率,值不值得發花力氣去處理。

          兩種氫型陽離子交換樹脂重要性質作一歸納:一般強酸性樹脂可在所有pH值范圍內操作,但其交換容量較小,而必須經常再生,此外又因再生效率較差,所需再生劑費較高,但可以除去所有硬度離子,或調節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值范圍內操作,以及僅能除去暫時硬度離子

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