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离子交换树脂
为了除去水中离子态杂质,现在采用得X普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底，因而能制得很纯的水。所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中，它是一个必要的步骤。
离子交换处理，必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行。这种物质遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换，离子交换剂的种类很多，有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分，大概情况如表所示。此外，按结构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。
离 子 交 换 剂 的 分 类
天然 海绿砂
无机质
人造 合成沸石
离子交换剂
碳质 磺化煤 强酸性 磺酸基(-SO3H)
阳离子型
有机质 弱酸性 羧酸基（－COOH）
强碱性 Ⅰ型 ｛-N(-CH3)3｝OH
离子交换树脂 阴离子型 Ⅱ型 ｛－N(CH3)2｝OH
弱碱性 （－(NH3)OH、（＝NH2）OH 或 （≡NH）OH
其他－氧化还原型、有机物清除除型等
离 子 交 换 剂 的 结 构
离子交换树脂属于高分子化合物，结构比较复杂.离子交换剂的结构可以被区分为两个部分：一部分具有高分子的结构形式，称为离子交换剂的骨架；另一部分是带有可交换离子的基团（称为活性集团），它们化合在高分子骨架上.所谓“骨架”，是因为它具有庞大的空间结构，支持着整个化合物，正象动物的骨架支持着肌体一样，从化学的观点来说，它是一种不溶于水的高分子化合物，现将常用离子交换剂的结构简单介绍如下。
X一节 离 子 交 换 原 理
关于离子交换过程的机理很多，其中，X适于水处理工艺的，是将离子交换树脂看作具有胶体型结构的物质，这种上观点认为，在离子交换树脂的高分子表面上有许多和胶体表面相似的双电层。也就是说这里有两层离子，紧邻高分子表面的一层离子称为内层离子，在其外面是一层符号相反的离子层。与胶体的命名法相似，我们常把和内层离子符号相同的离子称作同离子，符号相反的称反离子。所以离子交换就是树脂中原有反离子和溶液中它种反离子相互交换位置。
根据胶体结构的概念，双电层中的反离子按其活动性的大小可划分为固定层和扩散层。那些活动性能差，紧紧地被吸附在高分子表面的离子层，称为固定层，在其外侧，那些活动性较大，向溶液中逐渐扩散的反离子层，称为扩散层，因为这些反离子像地球上的大气一样，笼罩在高分子表面上，故又称为离子氛。
内层离子依靠化学键结合在高分子的骨架上，固定层中的反离子依靠异电荷的吸引力被固定着。而在扩散层中的反离子，由于受到异电荷的吸引力较小，热运动比较显著，所以这些反离子有自高分子表面向溶液中渐渐扩散的现象。
当离子交换剂遇到含有电解质的水溶液时，电解质对其双电层有以下几种作用：
⑴ 交换作用。扩散层中反离子在溶液中的活动较自由，离子交换主要在此种反离子和溶液中其它反离子之间进行，但并不局限于此。因动平衡的关系，溶液中的反离子会先交换至扩散层，然后再与固定层中的反离子互换位置。
在扩散层中处于不同位置离子的能量是不相等的，那些和内层离得X远的反离子能量X大，因此它们X活泼，X易和其他反离子交换；和内层离得较近的反离子能量X小，活动性较差。这和多元酸或多元碱的多X电离情况相似。
⑵ 压缩作用。当溶液中盐类浓度增大时，可以使扩散层压缩，从而使扩散层中部分反离子变成固定层中的反离子，扩散层的活动范围变小。这说明了为什么当再生溶液的浓度太大时，不仅不能提高再生效果，有时反使再生效果降低。
X二节 离 子 交 换 树 脂 的 性 能
同一类型的离子交换树脂，其交联剂加入量的多少，对产品的物理化学性能有很大的影响，一般加交联剂多（即交联度大）的树脂，由于许多苯乙烯链都被交联成网状，所以其产品有网孔小、机械强度大和稳定性较好等特点，其特点是交换容量较小。
一、物理性能
1、外观
⑴ 颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，依其组成的不同，呈现的颜色也各异，苯乙烯系均呈黄色，其他也有黑色及赤褐色的。树脂的颜色稍深。树脂在使用中，由于可交换离子的转换或受杂质的污染等原因，其颜色会发生变化，但这种变化不能确切表明它发生了什么改变，所以只可以作为参考。
⑵ 形状。离子交换树脂一般均呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。对于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达90%以上。
树脂圆球率的测定方法，是先将树脂在60℃烘干、称重，然后慢慢倒在倾斜10°的玻璃上端，让树脂分散地向下自由滚动，将滚动下来的树脂再称重，后者与前者比值的百分数即为圆球率。
2、粒度
树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗粒大，交换速度就慢；颗粒小，水通过树脂层的压力损失就大。如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不利的。这X先是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和阻力增大；其次，在反洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流速过小，又不能松动大颗粒。用于水处理的树脂颗粒粒径一般为0.3～1.2mm。树脂粒度的表示法和过滤介质的粒度一样，可以用X粒径和不匀系数表示。
3、密度
离子交换树脂的密度是水处理工艺中的实用数据。例如在估算设备中树脂的装载量，需要知道它的密度。离子交换树脂的密度有以下几种表示法。
4、含水率
离子交换树脂的含水率是指它在潮湿空气中所保持的水量，它可以反映交联度和网眼中的孔隙率。树脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，并联度愈小。
5、溶胀性
当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变大,这种现象称为溶胀。
影响溶胀率大小的因素有以下几种：
（1）溶剂。树脂在极性溶剂中的溶胀性,通常比在非极性溶剂中强。
（2）交联度。高交联度树脂的溶胀能力较低。
（3）活性基团。此基团愈易电离，树脂的溶胀性愈强。
（4）交换容量。高交换容量离子交换树脂的溶胀性要比低交换容量的强。
（5）溶液深度。溶液中电解质浓度愈大，由于树脂内外溶液的渗透压差减小，树脂的溶胀率愈小。
（6）可交换离子的本质。可交换的水合离子半径愈大，其溶胀率愈大，故对于强酸和强碱性离子交换树脂，溶胀率大小的次序为：
H＋＞Na＋＞NH4＋＞K＋＞Ag＋
OH－＞HCO3≈CO32-＞SO42-＞Cl-
一般，强酸性阳离子交换树脂由Na转变成H型，强碱性阴离子交换树脂由Cl型转变成OH型，其体积均增加约5%。
由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交换和再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树脂颗粒碎裂。
6、耐磨性
交换树脂颗粒在运行中，由于相互磨轧和胀缩作用，会发生碎裂现象，所以其耐磨性是一个影响其实用性能的指标。一般，其机械强度应能保证每年的树脂耗损量不X过3%～7%。
7、 溶解性
离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物，但在产品中免不了会含有少量低聚物。因这些低聚物较易溶解，所以其应用的X初阶段。这些物质会逐渐溶解。
离子交换树脂在使用中，有时也会发生转变成胶体渐渐溶入水中的现象，即所谓胶溶。促使胶溶的因素有：树脂的交联度小、电离能力大、离子的水合半径大，有时还有受高温或被氧化的影响。特别是强碱性阴树脂，它会因化学降解而产生胶溶现象。
所以在运行中要密切注意其运行条件：如离子交换树脂处于蒸馏水中要比在盐溶液中易胶溶，Na型比Ca型易胶溶。离子交换器备用后刚投入运行时，有时发生出水带色的现象，就是胶溶的缘故。
8、 耐热性
各种树脂所能承受的温度都有限度，X过此温度，树脂热分解的现象就很严重。由于各种树脂的耐热性能不一，所以对每种树脂能承受的X高温度，应由鉴定试验来确定。一般阳树脂可耐100℃或更高的温度；阴树脂，强碱性的约可耐60℃，弱碱性的可耐80℃以上。通常，盐型要比酸型或碱型稳定。
9、 抗冻性
根据对各种树脂在－20℃的抗冻性试验，发现大孔型树脂的搞冻性X于凝胶型树脂，实际上冰对大孔型树脂没有影响。凝胶型阳树脂的抗冻性不如阴树脂。无论阴、阳树脂，机械强度好的（磨后圆球率高），抗冻性能也好。进行滤干外部水分的001×7阳树脂10周期（冻干24h，再完全解冻24h为1周期）的测定，发现磨后圆球率有所下降，裂球率提高，冰冻对浸在水中的001×7阳树脂的磨后圆球率几乎无影响；201×7阴树脂不管滤干外部水分、还是浸在水中冰冻，磨后圆球率和裂球率均变化不大，表明阴树脂韧性较强。
10、 耐辐射性能
在有核反应堆的企业中，所用离子交换剂的抗辐射性是很重要的。一般而论，无机离子交换剂的耐辐射性能较好，而树脂均易降解，其中又以阴树脂为严重。
11、导电性
干燥的离子交换树脂不导电，纯水也不导电，但用纯水润湿的离子交换树脂可以导电，所以这种导电属于离子型导电。这种导电在离子交换膜及树脂的催化作用上很重要。
