西安第十中学教学楼:阳离子交换树脂的污染与复苏2

摘要：总结了阳离子的交换对树脂在产生中遇到的各种污染情况，分析了引起树脂污染的各种原因，介绍了判断各种污染的方法，在此基础上总结了国内外有关的复苏树脂的各种方法，为水处理中树脂的复苏提供了借鉴。
关键词：离子交换 树脂污染 树脂复苏
Contamination and Recovery of Cation Resin
Abstract: Different types of contamination of cation resin experienced in production are summarized,causes of contamination of the resin are analyzed,and methods to identify various types ofcontamination are introduced.On this basis are summarized the methods used at home and abroad for the recovery of resins,which provides experience for reference for the recovery of resins in water treatment.
Key words: resin exchange;contamination of resin;recovery of resin
阳离子交换树脂在水处理系统中主要用来除去天然水中的阳离子。由于阳离子交换树脂在处理系统中的位置相对靠前，它所受到的污染有别于阴离子交换树脂，受到污染的阳离子交换树脂通常会发生周期制水量减少，工作交换容量下降，出水水质恶化等现象，而且会对后续的阴离子交换树脂的制水过程产生不利的影响。对被污染的树脂进行及时的诊断和有效的复苏对水处理系统的经济运行具有很重要的意义。
1 污染机理简介
树脂为多孔网状立体结构，多孔网眼是离子在树脂内部扩散进出的通道，通道内壁具有众多的功能基团，是离子交换反应的活性点，一旦此活性点被覆盖，离子交换过程就无法进行。在离子交换过程中，交换势能较高、附着力强的离子或大分子之类的物质，容易被交换或吸附到树脂±，而在再生时却难以洗脱下来，从而阻碍了离交换反应的讲行或是在离子交换反应过程中生成难溶的沉积物，并沉积在树脂内部，阻塞了离子交换的通道。
2 阳离子交换树脂的不同污染形式及解决方法
2.1 混凝剂过量引起的污染
为了解决水中悬浮物的问题，预处理中通常要投加混凝剂，一旦混凝剂投加的量不合适就会对后面的阳离子交换树脂产生污染。据报道[1]，在使用epi—DMA(二甲胺—环氧卤丙烷)和poly—DADMAC(二烯丙基二甲胺氯的均聚物)作为混凝剂时，若出水中含有1 mg／L的上述混凝剂时就会导致阳离子交换树脂的严重污染，而且发现具有线性结构的混凝剂更容易污染树脂，并能够进入树脂颗粒内部。
当树脂发生上述污染时，如果污染程度不是很严重可以采用如加大反洗流速、延长反洗时间或通人压缩空气等手段予以复苏。如果污染程度较严重时，可以采用加入表面活性剂和分散剂的方法。其中表面活性剂可以增加树脂表面的亲水蛀；而分散剂则可以保证从树脂上脱离下来的颗粒可以被分散到水溶液中去。据报道，罗门哈斯公司的非离子表面活性剂TritonCF-54和分散剂Orotan 731[2]对解决这一问题有较好的效果。Nalco公司[3]采用了在受到污染的树脂层反洗过程中加入由表面活性剂和分散剂等药剂复配的复苏剂对树脂进行复苏也取得了良好的效果。若阳离子型聚电解质污染了阳离子交换树脂也可以采用4%的氢氧化钠溶液处理以溶解聚电解质达到复苏树脂的目的。
2.2 铁离子的污染
阳离子交换树脂易受到铁离子的污染，尤其是在以井水作为水源的水处理系统中更为严重。铁离子对树脂的污染有三种不同的情况。
①如果铁离子以胶态悬浮体出现的话，它会从过滤器中漏过而污染阳离子交换树脂。
②铁以二价铁离子的形式交换到树脂上，随后拿被氧化成三价铁离子，从而在树脂颗粒上形成凝胶状的不溶于水的铁的氢氧化物[4]。
③可能交换到树脂上的二价铁离子在树脂的交换基团上直接转化为三价铁离子，但在再生过程中不能被完全除去而残留在树脂中。
如果发生了第一种情况，可以采用反洗的方法将树脂层中累积的胶态悬浮体除去。如果在整个树脂层中发生了铁离子的累积，那么可以采用亚硫酸钠或亚硫酸氢钠处理树脂，这样就可以将三价铁离子还原成更易溶解的二价铁离子，而后者对树脂的亲合力要小于前者。
通过灼烧树脂[5]或分析湿树脂的铁含量可判树脂受铁和其它离子污染的程度。具体见表1、表2。
 
表1　 树脂灼烧灰分中元素的质量比与树脂污染程度的关系 组分 不同污染等级时各元素占树脂的质量比/%
很低 低 中等 严重 很严重 极严重
钙 <1 1～2 2～4 4.5 5.7 >7
镁 <0.5 0.5～0.7 0.7～0.9 0.9～1.5 1.5～2.0 >2.0
铝 <0.25 0.25～0.5 0.5～0.7 0.7～1.0 1.0～1.5 >1.5
铁 <0.2 0.2～0.3 0.35～0.5 0.5～1.0 1.0～1.5 >1.5
钡 <0.2 0.2～0.3 0.3～0.5 0.5～1.0 1.0～1.5 >1.5
全部灰的质量 <2.15 2.15～3.85 3.85～6.6 6.6～9.5 9.5～13.5 >13.5
还可采用下面的方法判断树脂是否受到铁离子的污染：
 
表2　 铁污染程度划分 铁离子质量比/% 污染程度
<0.3 很低
0.3～0.6 低
0.6～2.0 中等
2.0～2.5 严重
5.0～7.5 很严重
>7.5 极严重
注：表中铁离子质量比指每克树脂中铁离子的质量（毫克）。以湿树脂为分析基准。
 
将受到污染的树脂用除盐水清洗干净，在10%的食盐溶液中浸泡30min，倒去盐水，再用除盐水清洗干净，从中取出约十分之一的树脂样品防入试管中，随后加入2倍树脂体积的6mol／L的盐酸溶液，密闭振荡15min后，取出酸液注入另一支洗净的试管中，加入一滴饱和的硫氰化胺，从生成的普鲁士蓝颜色深浅(由浅蓝色至不透明的棕黑色)，可以判断树脂受到铁污染的严重程度。
有一点值得注意的是水中的铁离子会和有机物或硅形成复杂的络合物，而且这种络合物是带负电荷的，它可以通过阳离子交换树脂而污染后面的阴树脂。
2.3　有机物的污染与复苏
苏联的学者曾经对有机物污染阳离子交换树脂进行了研究。研究认为，水中的溶解性有机物主要是依靠范德华力吸附在阳离子交换树脂上。此时所吸附的基本上是酸性基团的有机物，而这些有机物在水中的溶解性有机物中占主要成分。目前，对于一级除盐系统中的阳离子交换树脂受到有机物污染的研究报道还不多，但是在凝结水处理系统中已经有关于阳离子交换树脂受到有机物污染的报道，Harries[6]曾经对凝结水处理系统混床中的阳离子交换树脂受到有机物污染的情况进行了研究，发现阳离子交换树脂交换能力的下降与阴离子交换树脂在运行中所释放出来的低分子量聚合物有关，正是这些低分子量的聚合物污染了阳离子交换树脂，并测量了混床中不同形态的阴离子交换树脂对于阳离子交换树脂传质系数的影响，具体情况见表3。
为了证明是否是由阴树脂中残留的含氮的低相对分子质量的聚合物污染了阳树脂，Harries等人曾经使用了X射线光电子能谱[7-8]对新、旧树脂进行了分析测试。结果表明这些低分子聚合物确实污染了阳树脂。对于被有机物污染的树脂可以使用氧化型药剂如H2O2和Na2O2等将树脂上吸附的有机物分解成易溶于水的物质而从树脂上剥离下来。
 
表3　 混床再生后阴树脂对阳树脂交换能力的影响 阳树脂 阴树脂（起始形态） 阳树脂传质系数/(10-4m·s-1)
钠型阳树脂 胺型阳树脂
单个阳床   1.8 2.1
混床(1：1) 大孔型树脂(Cl-) 1.6 1.9
混床(1：1) 大孔型树脂(OH-) 1.5 1.8
混床(1：1) 凝胶型树脂(Cl-) <0.1 1.2
注：混床(1：1) 表示混床中阴阳树脂的体积比为1：1。
 
判断树脂受到有机物污染的程度可以采用如下的方法：
在试管中加人受到污染的树脂，树脂的体积约为试管体积的三分之一，然后在试管中加入约五分之四试管体积的10%的食盐水，振荡试管5min，将盐水倾去，重复这一过程3至4次，在将最后一次的盐水倾去后，再加入约五分之四试管体积的10％的食盐水，保持树脂和此食盐水接触5-10min，期间要不断地振荡试管。通过观察食盐水颜色的深浅来判断树脂受到有机物污染的程度，具体参见表4。
 
 
表4　 树脂受有机物污染的判断 浸泡后食盐水的颜色 树脂被污染程度
无色 没有污染
淡黄色 轻度污染
琥珀色 中度污染
棕色 严重污染
深棕色或黑色 极严重污染
 
2.4 油脂类物质的污染
由于阳离子交换树脂在水处理系统的位置而使其容易受到油类的污染。油类可由离子交换器的进水带人也可由顶压空气或泵的密封泄漏处带人。油类在树脂表面会形成一层膜，严重阻碍树脂的交换能力。受到油类物质污染的树脂颜色变为棕色，严重时会变成黑色，而且这些污染物会造成树脂抱团的现象，破坏正常的水流情况，造成“沟流”现象，使树脂提前失效。油污染物附着到树脂上会增加树脂的浮力，在反洗时容易造成树脂的流失。采用基于非离子表面潜性荆的碱牲清洗剂是解决这一问题的有效手段。阳离手交换树脂可以采用将阳床从系统中解列后再进行复苏的办法，也可以采用在反洗水中加入清洗剂的方法复办。需要注意的是如果阳离子交换树脂是以氢型运行时，复苏前必须要通过氯化钠溶液使之失效，这样可以避免在复苏过程中从氢型树脂中交换下来的酸溶液对碱性清洗剂的副作用。
判断阳树脂受到油类污染的方法是：将少量树脂放人试管内，加入除盐水，振荡1 min，如果在水面上出现了类似“彩虹”颜色的油膜就可以判断树脂受到了油类物质的污染。
3 结论
阳离子交换树脂在使用中会受到各种污染，及时对污染情况进行分析，找出污染的原因并有效地复苏树脂是保证树脂安全经济运行的有力措施。但是，树脂污染后进行复苏只是一种补救措施，生产中应该重视水的预处理工作，及时消除隐患，才能够有力地保证后续水处理系统的安全运行。
参考文献：
[1]　 L M May，W M Carlsin．Effect8 of coagulant overdose in claritiers on downstream ion exchange process[C].Western Pennsylvania，Pittsburgh，USA：Engineers，Soc OfWestern Pennsylvania，Pittsbhurgh，PA，USA Engineers，SN OfWestern Penosylvania，1985．
[2]　 C M Tilsley．Clean—up of fouled ion exchange resin beds[J] EffluentandWaterTreatmentJournal，1975，15(11)：560-563．
[3]　 L R GESS，L M May，A　 W Oberhofer．Prevention of iron，organic,and microbiological resin fouling via a new concept in ion exchange maintenance[C].Westerm　 Pennsylvania,Pittsburgh，USA：Engineers‘Soc of Western Pennsylvania，Pittsburgh，PA，USA Engineers，SocofWesternPennsylvania，1983．
[4]　 Leonard J Lefevre．Ion exchange：problems and troubleshooting [J]．Chemical Engineering，1986，93(13)：73—75．
[5]　 V K Puri，S T Costa．Treat resins properly to drive full benefitsof ion　 exchange[J]．Power，1986，130(9)：43-47．
[6]　 Richard R Harris. IOn exchange kinetics in ulba pure water systems [J]．Chem Tech Biotechnol，1991，(51)：437-447．
[7]　 Gang—Cheen Lee，Gary L Foutch，Alagappan Amnachalara．An evaluation of mass-transfer coefficient for new and used ion-ex change resins[J]．Reactive & Functional Hoymers，1997，35：55—73．
[8]　 Geoffrey C Allen，Nigel RHolmes，Barrington J Lee．A study of the surface chemistry of anion-exchange resins using X-ray photcelectron spectroscopy[J].J Chem Soc FaradayTrans l，1988，84(11)：3891—3904