摘要：鉴于部分电厂在不考虑水质和离子交换器结构特点的情况下选择阳离子交换树脂，均选用中型阳离子树脂，导致阳床出水中Na+含量高，从而影响到电厂的生产。本文重点分析了阳离子交换树脂粒径对制水的影响。
关键词：阳离子交换树脂；粒度；制水
阳离子交换树脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的颗粒状球体，经磺化后形成具有磺酸基可交换功能基团的高分子化合物。而阳离子交换树脂的粒度是指阳离子交换树脂的粒径大小。此外，阳离子交换树脂的选择应根据电厂水源水质、水处理设备的结构特点等因素为依据。本文以一座新建热电厂和一座扩建热电厂工程为例，阳床采用中粒阳极树脂，化学水处理设备采用固定床一级除盐系统，水源为地下水。试验运行后，阳床出水中Na+含量高于标准值，随后用小颗粒代替中颗粒阳离子交换树脂，其出水中Na+含量小于l00µg/L。结合两个电厂的实际情况，本文详细探讨了阳离子交换树脂粒径对制水的影响。
一、阳离子交换树脂简介
阳离子交换树脂是一种化学物质，一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.1～1mm，其离子交换能力依其交换能力特征可分：
1、强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（-SO3H），此离子交换树脂可交换所有的阳离子。
2、弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（-COOH基），此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2、Mg2，对强碱中的离子如Ca2、K等无法进行交换。
3、强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基如具有四面体铵盐官能基之-N（CH3）3，在氢氧形式下，-N（CH3）3OH-中的氢氧离子可迅速释出，以进行交换，强碱型阴离子交换树脂可和所有的阴离子进行交换去除。
4、弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去除强酸中的阴离子如SO42-，Cl-或NO3-，对HCO3-，CO32-或SiO42-则无法去除。
阳离子交换树脂有其一定的可交换基浓度，称为离子交换容量（ion exchange capacity）。对阳离子交换树脂而言，大约在200～500meq/100g。因阳离子交换为一化学反应，故必须遵守质量平衡定律。
二、阳离子交换树脂基体组成
离子交换树脂的基体（matrix），制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸（酯）两大类，它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应，形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物。苯乙烯系树脂是先使用的，丙烯酸系树脂则用得较后。
树脂的交联度，即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数，对树脂的性质有很大影响。通常，交联度高的树脂聚合得比较紧密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较少，对离子的选择性较强；而交联度低的树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低，比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%；用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%；单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联度可较高。
除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外，离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成。如酚醛系（fp）、环氧系（epa）、乙烯吡啶系（vp）、脲醛系（ua）等。
三、阳离子交换树脂物理性质
离子交换树脂的颗粒尺寸和有关的物理性质对它的工作和性能有很大影响。
1、树脂颗粒尺寸。离子交换树脂通常制成珠状的小颗粒，其尺寸很重要。树脂颗粒较细者，反应速度较大，但细颗粒对液体通过的阻力较大，需较高的工作压力，若树脂粒径在0.2mm（约为70目）以下，会明显增大流体通过的阻力，降低流量和生产能力。因此，树脂颗粒的大小应选择适当。
树脂颗粒大小的测定通常用湿筛法，将树脂在充分吸水膨胀后进行筛分，累计其在20、30、40、50……目筛网上的留存量，以90%粒子可通过其相对应的筛孔直径，称为树脂的“有效粒径”。多数通用的树脂产品的有效粒径在0.4～0.6mm之间。
树脂颗粒是否均匀以均匀系数表示。它是在测定树脂的“有效粒径”坐标图上取累计留存量为40%粒子，相对应的筛孔直径与有效粒径的比例。如一种树脂（ir-120）的有效粒径为0.4～0.6mm，它在20目筛、30目筛及40目筛上留存粒子分别为：18.3%、41.1%、及31.3%，则计算得均匀系数为2.0。
2、树脂的密度。树脂在干燥时的密度称为真密度。湿树脂每单位体积（连颗粒间空隙）的重量称为视密度。树脂的密度与它的交联度和交换基团的性质有关。通常，交联度高的树脂密度较高，强酸性或强碱性树脂的密度高于弱酸或弱碱性者，而大孔型树脂的密度则较低。例如，苯乙烯系凝胶型强酸阳离子树脂的真密度为1.26g/ml，视密度为0.85g/ml；而丙烯酸系凝胶型弱酸阳离子树脂的真密度为1.19g/ml，视密度为0.75g/ml。
3、树脂的溶解性。离子交换树脂应为不溶性物质。但树脂在合成过程中夹杂的聚合度较低的物质，及树脂分解生成的物质，会在工作运行时溶解出来。交联度较低和含活性基团多的树脂，溶解倾向较大。
4、膨胀度。离子交换树脂含有大量亲水基团，与水接触即吸水膨胀。当树脂中的离子变换时，如阳离子树脂由h转为na，阴树脂由cl-转为oh-，都因离子直径增大而发生膨胀，增大树脂的体积。通常，交联度低的树脂膨胀度较大。在设计离子交换装置时，必须考虑树脂的膨胀度，以适应生产运行时树脂中的离子转换发生的树脂体积变化。
5、耐用性。树脂颗粒使用时有转移、磨擦，膨胀和收缩等变化，长期使用后会有少量损耗和破碎，故树脂要有较高的机械强度和耐磨性。通常，交联度低的树脂较易碎裂，但树脂的耐用性主要决定于交联结构的均匀程度及其强度。如大孔树脂，具有较高的交联度，结构稳定，能耐反复再生。
四、树脂粒度与制水的关系
以Na+交换为例，用离子交换动力学对阳离子交换过程加以分析。
第1步，水中的Na+在水中扩散，到达树脂颗粒表面边界水膜，逐渐扩散，通过此膜；第2步，Na+进入树脂颗粒内部的交联网孔，进行扩散；第3步，Na+与树脂交换基团接触，并与交换基团上可交换的H+进行交换；第4步，被交换下来的H+在树脂颗粒内部交联孔中心向树脂表面扩散；第5步，H+通过树脂表面的边界水膜进入水溶液。
上述第3步离子反应速度快，第1和5为离子膜扩散，2和4为内扩散，内扩散和膜扩散是控制步骤。由此可见，阳离子交换树脂的颗粒越小，所交换的离子在树脂内的扩散距离越小，交换速度越快；树脂颗粒越小树脂“比表面积”越大，扩大了膜表面积，减少了膜扩散阻力，从而增大了交换速度即单位时间水中Na+浓度降低加快，而H-浓度增加速度也加快，从而提高了离子交换效率。
从化学平衡原理分析，小颗粒树脂“比表面积”大，内外扩散阻力小，单位时间内阳离子交换树脂提供的可交换基团比中颗粒树脂的多。把离子交换树脂看成其中一个反应物，反应物浓度增加，使小颗粒树脂可交换基团克服水中反离子影响的能力大为加强，促使化学平衡向生成物方向移动。因此，小颗粒阳树脂能适应较高含盐量的水。
再生时，由于小颗粒树脂内外扩散阻力小，单位时间提供的失效基团比中颗粒的多，再生速度加快，再生深度提高，清洗容易。由此可知，小颗粒阳树脂比中颗粒阳树脂具有与水中阳离子交换速度快、适应水中备盐能力强再生彻底等优点。
五、结合实例进一步分析树脂粒度对制水的影响
某热电厂化学水处理水源为地下水，水质状况为：电导率51OμS/cm，硬度2.8mmol/L，碱度4.0mmol/L，氯根40mg/L。水处理设备为固定床一级除盐系统。该厂化学车间设备安装完毕，开始调试。装有中颗粒阳离子交换树脂的1号和3号阳床再生30多次、耗酸7O多吨、阳床出Na+含量始终在500～1500μg/L。为了验证树脂质量有无问题，让树脂生产厂家重新送来一批新中颗粒树脂装入4号阳床，严格按规程和使用要求进行预处理，再生、制水，其出水Na+仍为1400μg/L，从而否定了阳树脂本身质量的问题。之后，树脂厂家又送来一批小颗粒阳树脂进行试用，由于电厂生产急需供水，树脂在没有进行预处理的情况下，通过三次反复再生、制水，最后阳床出水Na+为26μg/L。之后将1号阳床中颗粒树脂也换成小颗粒，其出水Na+含量也小于40μg/L。
同时，某热电厂扩建工程、化学水处理系统也出现类似该热电厂的情况。该厂水源水的电导率为500μS/cm，设备为固定床一级除盐，它们使用的树脂是另一家生产的。阳床装的树脂也是中颗粒，其出水Na+含量为1400μg/L，改换小颗粒后，其出水Na+含量小于100μg/L。
由上述实例分析，可得出：阳床进水电导率小于500μS/cm，碱度小于4mmol/L，设备为固定床时，采用小颗粒阳树脂处理水，比用中颗粒阳树脂更为经济有效。同时，小颗粒阳树脂也有它的不足之处，主要是它要求原水浊度低、阻力偏大、空塔线流速上不来，反洗时树脂易流失等。
六、阳离子交换树脂粒度的选择
目前，一些生产树脂厂家将树脂分为大、中、小号。大号粒度为 
0.8～1.2mm，中号粒度为
0.6～0.8mm，小号粒度为
0.3～0.6mm。这样分号后，便于用户选择。这三种粒度不同的树脂各有其特点，小号树脂，粒度小，表面积大，离子在树脂内代换量高，因此交换速度快，出水质量高，运行周期长，再生容易，交换终点明显，但水的阻力大，流速低，树脂的流失量也大。大号树脂，则与其相反。中号树脂，粒度比较均匀，机械强度比大号树脂高，磨损破碎的流失量比大号树脂少，水阻力比小号树脂小，树脂的流失量比小号树脂少。因此，一般水处理设备选择中号的树脂较好。经过在逆流再生固定床，中型流动床中使用，取得了较好的效果。出水质量能达到国家标准要求，耗盐量比混合型树脂稍有降低，再生容易，再生终点比较明显。总之，树脂类型的选择，要根据水源水质情况和设备结构的特点，通过模拟试验和经济分析来确定。
参考文献：
[1]孙满霞.浅谈阳离子交换树脂的粒度选择[J].广州化工，2014（03）.
[2]王全海.阳离子交换树脂粒度对制水的影响[J].吉林电力技术，2015（02）.
论文作者:王娜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/8
标签：树脂论文; 阳离子论文; 颗粒论文; 交联论文; 粒度论文; 基团论文; 粒径论文; 《基层建设》2019年第18期论文;