離子交換樹脂系統

離子交換系統是通過陰、陽離子交換樹脂對水中的各種陰、陽離子進行置換的一種傳統水處理工藝，陰、陽離子交換樹脂單獨或按不同比例進行搭配可組成離子交換陽床系統，離子交換陰床系統及離子交換混床系統，而混床系統又通常是用在反滲透等水處理工藝之後用來製取超純水，高純水的終端工藝，它是用來製備超純水、高純水不可替代的手段之一。其出水電導率可低於0.2μS/cm以下，出水電阻率達到5MΩ.cm以上，根據不同的水質及使用要求，出水電阻率可控制在5~18MΩ.cm之間。被廣泛套用在電子、離子交換樹脂系統、鍋爐補給水水等工及醫藥用超純業超純水、高純水的製備上。

基本介紹

• 中文名：離子交換樹脂系統
• 套用：電子、離子交換樹脂系統
• 系統：離子交換陰床
• 原理：反滲透

工作原理

採用離子交換方法，可以把水中呈離子態的陽離子、陰離子去除，以氯化鈉(NaCl)代表水中無機鹽類，水質除鹽的基本反應可以用下列方程式表達：

1、陽離子交換樹脂：R—H + Na⁺= R—Na + H⁺

2、陰離子交換樹脂：R—OH + Cl^-= R—Cl + OH^-

陽、陰離子交換樹脂總的反應式即可寫成：　RH+ROH+NaCl——RNa+RCl+H₂O

由此可看出，水中的NaCl已分別被樹脂上的H⁺和OH^-所取代，而反應生成物只有H₂O，故達到了去除水中鹽的作用。

主要工藝

去離子水的工藝大致可分為四種：

第一種：採用陽陰離子交換樹脂取得的去離子水，一般通過之後，出水電導率可降到10us/cm以下，再經過混床就可以達到0.2μs/cm以下了。但是這種方法做出來的水成本較高，而且顆粒雜質太多，達不到理想的要求。

第二種：預處理（即砂碳過濾器+精密過濾器）+反滲透+混床工藝　這種方法是目前採用最多的，因為反滲透投資成本也不算高，可以去除90%以上的水中離子，剩下的離子再通過混床交換除去，這樣可使出水電導率：0.2左右。這樣是目前最流行的方法。

第三種：採用兩級反滲透方式

其流程如下：

自來水→多介質過濾器→活性炭過濾器→軟化水器→中間水箱→低壓泵→精密過濾器→一級反滲透→PH調節→混合器→二級反滲透（反滲透膜表面帶正電荷）→純水箱→純水泵→微孔過濾器→用水點

第四種：前處理與第二種方法一樣使用反滲透，只是後面使用的混床採用EDI連續除鹽膜塊代替，這樣就不用酸鹼再生樹脂，而是用電再生。這就徹底使整個過程無污染了，經過處理後的水質可達到：15M以上。但這這種方法的前期投資比較多，運行成本低。根據各公司的情況做適當的投資。最好不過了。 其流程如下

原水→多介質過濾器→活性炭過濾器→軟化水器→中間水箱→低壓泵→PH值調節系統→高效混合器→精密過濾器→高效反滲透→中間水箱→EDI水泵→EDI系統→微孔過濾器→用水點

系統的預處理

先用清水對樹脂進行沖洗，然後用4~5%的HCl和NaOH在交換柱中依次交替浸泡2~4小時，在酸鹼之間用大量清水淋洗至出水接近中性，如此重複2~3次，每次酸鹼用量為樹脂體積的2倍。最後一次處理套用4~5%的HCl溶液進行，放盡酸液，用清水淋洗至中性即可待用。

套用領域

離子交換設備是傳統的去離子水設備，它的產水水質穩定，造價相對較低。在以往的電廠鍋爐補給水都是採用陽床+陰床+混床處理工藝。

2010來，隨著反滲透、EDI等工藝的發展，離子交換設備操作複雜，不容易實現自動化，浪費酸鹼，運行成本高等缺點更加突出，更多的套用於反滲透的深度處理。

小型的離子交換設備常採用有機玻璃交換柱，有利於觀察樹脂運行情況。如混合離子交換器再生分層是否充分，陽離子是否“中毒”等，樹脂損耗情況等。

大型的離子交換設備則採用碳鋼內襯環氧樹脂或襯膠，中間預留可視裝置，以便於離子再生時線上觀測再生液水位狀況。

特點

1、工業超純水處理工藝，是目前工業用超純水的製備上套用最多的一種工藝之一。

2、食品工業離子交換樹脂可用於製糖、味素、酒的精製、生物製品等工業裝置上。

3、製藥工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈黴素的開發成功即是突出的例子。

4、合成化學和石油化學工業在有機合成中常用酸和鹼作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。

5、電鍍廢液中的金屬離子，回收電影製片廢液里的有用物質等。

6、濕法冶金及其他離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。

介紹

離子交換樹脂常用於原水處理的有鈉型陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂，全名稱由分類名稱、骨架(或基因)名稱、基本名稱構成。根據樹脂的酸鹼性分，屬酸性的在名稱前加“陽”，強酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉變為鈉型樹脂使用，就叫做“鈉型陽離子交換樹脂”。屬鹼性的在名稱前加“陰”。

基本類型

1、 強酸性陽離子樹脂

這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基-SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO3-，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能離解和產生離子交換作用。

樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結合而恢復原來的組成。

2、 弱酸性陽離子樹脂

這類樹脂含弱酸性基團，如羧基-COOH，能在水中離解出H+ 而呈酸性。樹脂離解後餘下的負電基團，如R-COO-(R為碳氫基團)，能與溶液中的其他陽離子吸附結合，從而產生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在鹼性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生)。

3、 強鹼性陰離子樹脂

這類樹脂含有強鹼性基團，如季胺基(亦稱四級胺基)-NR3OH(R為碳氫基團)，能在水中離解出OH-而呈強鹼性。這種樹脂的離解性很強，在不同pH下都能正常工作。它用強鹼(如NaOH)進行再生。

4、 弱鹼性陰離子樹脂

這類樹脂含有弱鹼性基團，如伯胺基(亦稱一級胺基)-NH2、仲胺基(二級胺基)-NHR、或叔胺基(三級胺基)-NR2，它們在水中能離解出OH-而呈弱鹼性。這種樹脂在多數情況下是將溶液中的整個其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如pH1～9)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH進行再生。

註：不論強鹼性還是弱鹼性樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。

離子交換容量

離子交換樹脂進行離子交換反應的性能，表現在它的“離子交換容量”，即每克乾樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當量數，meq/g(乾)或 meq/mL(濕);當離子為一價時，毫克當量數即是毫克分子數(對二價或多價離子，前者為後者乘離子價數)。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和 “再生交換容量”等三種表示方式。

1、總交換容量，表示每單位數量(重量或體積)樹脂能進行離子交換反應的化學基團的總量。

2、工作交換容量，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關。

3、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學基團再生復原的程度。

通常，再生交換容量為總交換容量的50～90%(一般控制70～80%)，而工作交換容量為再生交換容量的30～90%(對再生樹脂而言)，後一比率亦稱為樹脂的利用率。

在實際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但後者所占的比例因樹脂結構不同而異。現仍未能分別進行計算，在具體設計中，需憑經驗數據進行修正，並在實際運行時覆核之。

離子樹脂交換容量的測定一般以無機離子進行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹脂體內，與它內部的全部交換基團起反應。而在實際套用時，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進入樹脂的顯微孔中，因而實際的交換容量會低於用無機離子測出的數值。這種情況與樹脂的類型、孔的結構尺寸及所處理的物質有關。

套用領域

1)水處理

水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，用於水中的各種陰陽離子的去除。離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發電廠的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業等。

2)食品工業

離子交換樹脂可用於製糖、味素、酒的精製、生物製品等工業裝置上。例如：高果糖漿的製造是由玉米中萃出澱粉後，再經水解反應，產生葡萄糖與果糖，而後經離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業中的消耗量僅次於水處理。

3)製藥行業

製藥工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈黴素的開發成功即是突出的例子。2010年來還在中藥提成等方面有所研究。

4)合成化學和石油化學工業

在有機合成中常用酸和鹼作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、鹼，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反覆使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。

甲基叔丁基醚(MTBE)的製備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原有的可對環境造成嚴重污染的四乙基鉛。

5)環境保護

離子交換樹脂已套用在許多非常受關注的環境保護問題上。許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質，這些可用樹脂進行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影製片廢液里的有用物質等。

6)濕法冶金及其他

離子交換樹脂、陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。