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纯水技术—树脂进行离子交换反应的再生问题
纯水技术—树脂进行离子交换反应的再生问题
影响再生特性的主要因素
氢型树脂的再生特性与它的类型和结构有密切关系,强酸性氢型树脂的再生比较困难,需要的再生酸液的剂量比理论值高许多,而且必须较长的接触时间。相形之下,弱酸性氢型树脂的再生则比较容易,需要的再生酸液的剂量仅比理论值高一些,也不需要长的接触时间。一般认为,在硫酸或盐酸的用量为其总交换容量的二倍时,每次再生树脂与再生酸液浸泡接触时间是:强酸性约30 ~ 60分;弱酸性约30 ~ 45分。此外,氢型树脂的再生特性也与它们的「交联度」有关。所谓交联度乃是定量树脂中所含的交联剂(如苯乙烯)的质量百分率。通常交联度低的树脂,其特征是聚合密度较低,内部空隙较多,网孔大,对水的溶胀性好,但对离子选择较弱,交换反应速度快,较易再生,因此每次再生树脂与再生酸液浸泡接触时间较短。反之,交联度高的树脂,则需要较长再生酸液与树脂接触的时间。无论强酸性或弱酸性氢型树脂的「交联度」均可以在制造时控制。由于氢型树脂的网孔不仅提供了良好的离子交换条件,而且也像活性碳一般,能产生分子吸附作用,也可能吸附各种有机物,因此容易受到有机物污染,而影响其操作效率,也使得其再生操作发生困难。如果树脂在使用过程中吸附了有机物,特别是大分子有机物,再生接触时间必须更久,而且通常要提高温度(70~80℃)才能除去大部分有机物,以免其效能降低太快,同时在高温下操作,也可以加速再生反应时间,使浸泡接触时间得以因而缩短。在这方面应用的再生剂,以硫酸较佳,理由是硫酸在加热时相当安定,盐酸则可能会产生有毒的氯化氢气体。
再生
离子相对浓度高低对树脂的交换性质会产生很大的影响。当水溶液中氢离子的浓度相当大时,钙型或镁型的阳离子交换树脂中的钙离子或镁离子,可与氢离子进行交换,重新成为氢型阳离子交换树脂。换言之,交换反应也可以反方向进行。由于离子交换过程是可逆的,因此当交换树脂交换了一定量的离子后,可用相对浓度较高的氢离子再取代下来,使之一再重复被循环使用,这种作用称为再生(regeneration)。其反应式如下: (R-SO3)2Ca + 2H+ → 2R-SO3H + Ca 2+ (R-COO)2 Ca + 2H+ → 2R-COOH + Ca 2+ 当氢型树脂中的氢离子,都被其它硬度离子交换后,这些树脂就没有软化水质作用,此时之状态称为「饱和」状态。再生操作主要目的就是将已经达到「饱和」状态的树脂,利用「再生剂」洗出所交换来的阳离子,让树脂重新再回复到原有的交换容量,或所期望的容量程度,或原有的树脂型态等。无论是强酸性或弱酸性阳离子交换树脂,都可以使用稀硫酸或稀盐酸作为再生剂,但一般认为以稀硫酸作为再生剂,效果可能会好一些。因为树脂若吸附有机物的话,稀硫酸较稀盐酸更能解析出有机物,所以一般工艺多采用稀硫酸为再生剂。不过实际应用时,可能因为硫酸的取得较为困难,所以多使用盐酸作为再生剂居多。
再生液浓度与再生效率的关系
树脂再生的化学反应是它原先交换的逆反应,按化学反应的平衡原理,提高反应物浓度,可促进反应向另一边进行,故提高酸液浓度可加速再生反应速率,进而提高再生效率。但是,这并不表示酸液浓度越高越好,假如没有经过实验去评估交换树脂所需要的酸量,就会发生「过犹不及」的问题。虽然再生酸液浓度不足时,使树脂的再生率降低,将多少会影响后续的硬水软化功能。相反地,若所用酸液过多,平日浪费了酸液,增加了再生的成本,也是不划算的。为了让消费者了解再生酸液的剂量问题,有些服务较好的厂商,都会主动提供最适合的浓度供人参考。有,如果水还中酸液氢离子浓度超过1 mol/l以上时,再生反应速率可能会受到网孔扩散作用的限制,因此网孔较小的树脂,不宜使用高浓度酸液再生,否则可能也会造成浪费酸液的现象。此外,尽管硫酸是很好的再生剂,但仍要防止被树脂吸收的钙离子与硫酸反应,而在树脂中生成硫酸钙沉淀物,若要避免此问题发生,可在第一次操作时,先倒入1 ~ 2﹪硫酸浸泡洗脱一次,在第二次操作时,再使用较高浓度硫酸处理。最后,如果打算仅使用「一次操作再生」即要完成再生作业,无妨斟酌提高酸液的操作浓度,以增加其再生效率。虽然这种操作方式最方便,但再生效率将不如将该相同剂量酸液稀释,分两二次或多次浸泡处理来得好。不过,要进行多次操作,还得考虑为了多增加一点再生效率,值不值得发花力气去处理。
两种氢型阳离子交换树脂重要性质作一归纳:一般强酸性树脂可在所有pH值范围内操作,但其交换容量较小,而必须经常再生,此外又因再生效率较差,所需再生剂费较高,但可以除去所有硬度离子,或调节pH。弱酸性树脂具有较高的交换容量,再生效率较高,所需再生剂较少,但仅能在有限的pH值范围内操作,以及仅能除去暂时硬度离子。
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