氫型變色樹脂的反應(yīng)與再生問題剖析
變色數(shù)脂可以用來監(jiān)測陽床或陰床出水,在陽床或陰床臨近失效時(shí)及時(shí)指示失效點(diǎn),是在線監(jiān)測儀表直觀和有效的補(bǔ)充。具有穩(wěn)定可靠、使用簡便、不污染水質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。
變色陽樹脂是一種帶有指示劑的陽離子交換樹脂,出廠型為氫型,通過變色陽樹脂的水如果含有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等各種陽離子時(shí),即與樹脂攜帶的H+發(fā)生交換,樹脂層開始失效,失效層顏色明顯改變,指示水中有陽離子泄露。H+型時(shí)為墨綠色,Na+型時(shí)為玫瑰紅色,產(chǎn)品色差十分明顯。同時(shí)還具有良好的交換容量和物理穩(wěn)定性。
變色陽樹脂一般用在火電廠凝結(jié)水、除氧器、省煤器、主蒸汽等H+電導(dǎo)儀前,將水中帶入的游離氨除去,并將所有的陽離子全部轉(zhuǎn)化為H+離子,避免了Ca2+、Mg2+、Na+泄漏進(jìn)入凝結(jié)水而電導(dǎo)儀顯示值反倒降低的現(xiàn)象發(fā)生。
變色陽樹脂與H+電導(dǎo)儀聯(lián)合使用,用于監(jiān)測凝汽器泄漏量是否超標(biāo),決定凝結(jié)水是否需要處理,監(jiān)測給水、蒸汽水質(zhì)品質(zhì)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。是火力發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)督重要和為倚重的化學(xué)表計(jì)。
變色樹脂使用范圍:監(jiān)測和控制給水、凝結(jié)水和蒸汽的氫電導(dǎo)率,是保證水汽質(zhì)量,控制火電廠水汽系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢的重要手段。
由于水汽中氨的濃度、取樣流速經(jīng)常變化,加上機(jī)組啟停等原因,難以判斷H型交換柱何時(shí)失效。H型交換柱失效初期,由于少量銨離子穿透,使氫電導(dǎo)率測量值偏低;當(dāng)H型交換柱*失效,大量銨離子透過,氫電導(dǎo)率測量值又偏高。因此,當(dāng)交換柱失效后引起氫電導(dǎo)率變化時(shí),難以及時(shí)判斷是水質(zhì)惡化還是交換柱失效。目前國外采取的解決辦法是采用變色陽離子交換樹脂,失效層與未失效層顏色不同,可以在H型交換柱失效前及時(shí)進(jìn)行再生處理,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)惡化問題并及時(shí)采取解決措施。
變色樹脂使用方法:
購買的變色樹脂是未處理的Na型樹脂,必須經(jīng)過以下方式處理才可以使用:
(1)將樹脂放入容器中,以除鹽水清洗2~3遍,至水清澈;如果樹脂變干,則清洗前需要加入10%NaCl溶液浸泡2小時(shí),以防止樹脂因急劇膨脹而破裂。
(2)將清洗干凈的樹脂裝入實(shí)際交換柱中,以不少于10倍樹脂體積的5%HCl再生液動(dòng)態(tài)逆流再生(與交換柱運(yùn)行水流方向相反),再生流速控制3m/h~5m/h,保證再生液與樹脂接觸時(shí)間不小于30min;
(3)再生液進(jìn)完后以除鹽水按交換柱運(yùn)行水流方向大流量沖洗交換柱(沖洗流速10m/h~20m/h),沖洗時(shí)間不低于12h;
(4)再生完畢、清洗干凈的氫交換柱可裝入實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行氫電導(dǎo)率的測定。
(5)失效的變色樹脂氫型交換柱可直接進(jìn)行再生處理,再生步驟同(2)~(4)。
變色樹脂的儲存:需要長期儲存的樹脂,應(yīng)再生成氫型樹脂后儲存。
氫型變色樹脂的反應(yīng)與再生問題剖析
一、交換能力
氫型陽離子交換樹脂在水中可解離出氫離子(H+),當(dāng)遇到金屬離子或其它陽離子,就發(fā)生互相交換作用,但交換后的樹脂,就不再是氫型樹脂了。例如,當(dāng)水中的陽離子如鈣離子、鎂離子的濃度相當(dāng)大時(shí),磺酸型的陽離子交換樹脂中的氫離子,可和鈣、鎂離子進(jìn)行交換,而形成鈣型或鎂型的陽離子交換樹脂,如下式:2R-SO3H+Ca2+→(R-SO3)2Ca+2H+(鈣型強(qiáng)酸性陽離子樹脂)2R-SO3H+Mg2+→(R-SO3)2Mg+2H+(鎂型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂)氫型陽離子交換樹脂的交換能力與被交換的陽離子的價(jià)數(shù)有密切關(guān)系。在常溫下,低濃度水溶液中,交換能力隨離子價(jià)數(shù)增加而增加,即價(jià)數(shù)越高的陽離子被交換的傾向越大。此外,若價(jià)數(shù)相同,離子半徑越大的陽離子被交換的傾向也越大。如果以自來水中經(jīng)常出現(xiàn)陽離子列為參考對象。
離子交換樹脂
二、交換容量
離子交換樹脂進(jìn)行離子的交換反應(yīng)的性能,主要由交換容量表現(xiàn)出來。所謂交換容量是指每克干樹脂所能交換離子的毫克當(dāng)量數(shù),以mol/g為單位。當(dāng)離子為一價(jià)時(shí)(如K+),其毫克當(dāng)量數(shù)即為其毫克分子數(shù),對于二價(jià)(如Ca2+)或更多價(jià)離子(如Fe3+),其毫克當(dāng)量數(shù)即為其毫克分子數(shù)乘以其離子價(jià)數(shù)。交換容量又分為總交換容量、操作交換容量和再生容量等三種表示方法??偨粨Q容量表示每克干樹脂所能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基總量,屬于理論性計(jì)量。操作交換容量表示每克干樹脂在某一定條件下的離子交換能力,屬于操作性計(jì)量,它與樹脂種類、總交換容量,以及具體操作條件(如接觸時(shí)間、溫度)等因素有關(guān),可用于顯示操作效率。再生容量表示每克干樹脂在一定的再生劑量條件下,所取得的再生樹脂之交換容量,可用于顯示樹脂再生效率。
由于樹脂的結(jié)構(gòu)不同(主要是活性基數(shù)目不同),強(qiáng)酸性與弱酸性陽離子交換樹脂的交換容量也不相同。一般而言,弱酸性的活性基數(shù)目通常多于于強(qiáng)酸性,故總交換容量較高約7.0~10.5mol/g,相形之下,強(qiáng)酸性僅約3.2~4.5mol/g而已,但在實(shí)際應(yīng)用中,弱酸性的操作交換容量卻不一定高于強(qiáng)酸性,例如,pH值低于5時(shí),弱酸性的操作交換容量為零,根本無交換作用。在pH值為6.5時(shí),兩者的操作交換容量相似;但在堿性溶液中,弱酸性遠(yuǎn)高于強(qiáng)酸性。在再生容量方面,弱酸性則通常高于強(qiáng)酸性,故弱酸性的使用壽命會更長一些。
離子交換樹脂
三、再生
離子相對濃度高低對樹脂的交換性質(zhì)會產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)水溶液中氫離子的濃度相當(dāng)大時(shí),鈣型或鎂型的陽離子交換樹脂中的鈣離子或鎂離子,可與氫離子進(jìn)行交換,重成為氫型陽離子交換樹脂。換言之,交換反應(yīng)也可以反方向進(jìn)行。由于離子交換過程是可逆的,因此當(dāng)交換樹脂交換了一定量的離子后,可用相對濃度較高的氫離子再取代下來,使再重復(fù)被循環(huán)使用,這種作用稱為再生。其反應(yīng)式如下:(R-SO3)2Ca+2H+→2R-SO3H+Ca2+(R-COO)2Ca+2H+→2R-COOH+Ca2+當(dāng)氫型樹脂中的氫離子,都被其它硬度離子交換后,這些樹脂就沒有軟化水質(zhì)作用,此時(shí)之狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。再生操作主要目的就是將已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)的樹脂,利用再生劑洗出所交換來的陽離子,讓樹脂重再回復(fù)到原有的交換容量,或所期望的容量程度,或原有的樹脂型態(tài)等。無論是強(qiáng)酸性或弱酸性陽離子交換樹脂,都可以使用稀硫酸或作為再生劑,但一般認(rèn)為以稀硫酸作為再生劑,效果可能會好一些。因?yàn)闃渲粑接袡C(jī)物的話,稀硫酸較更能解析出有機(jī)物,所以一般工藝多采用稀硫酸為再生劑。不過實(shí)際應(yīng)用時(shí),可能因?yàn)榱蛩岬娜〉幂^為困難,所以多使用鹽酸作為再生劑居多。
離子交換樹脂
四、影響再生特性的主要因素
氫型樹脂的再生特性與它的類型和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系,強(qiáng)酸性氫型樹脂的再生比較困難,需要的再生酸液的劑量比理論值高許多,而且必須較長的接觸時(shí)間。相形之下,弱酸性氫型樹脂的再生則比較容易,需要的再生酸液的劑量僅比理論值高一些,也不需要長的接觸時(shí)間。一般認(rèn)為,在硫酸或鹽酸的用量為其總交換容量的二倍時(shí),每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時(shí)間是:強(qiáng)酸性約30~60分;弱酸性約30~45分。此外,氫型樹脂的再生特性也與它們的「交聯(lián)度」有關(guān)。所謂交聯(lián)度乃是定量樹脂中所含的交聯(lián)劑(如苯乙烯)的質(zhì)量百分率。通常交聯(lián)度低的樹脂,其特征是聚合密度較低,內(nèi)部空隙較多,網(wǎng)孔大,對水的溶脹性好,但對離子選擇較弱,交換反應(yīng)速度快,較易再生,因此每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時(shí)間較短。反之,交聯(lián)度高的樹脂,則需要較長再生酸液與樹脂接觸的時(shí)間。無論強(qiáng)酸性或弱酸性氫型樹脂的「交聯(lián)度」均可以在制造時(shí)控制。由于氫型樹脂的網(wǎng)孔不僅提供了良好的離子交換條件,而且也像活性碳一般,能產(chǎn)生分子吸附作用,也可能吸附各種有機(jī)物,因此容易受到有機(jī)物污染,而影響其操作效率,也使得其再生操作發(fā)生困難。如果樹脂在使用過程中,吸附了有機(jī)物,特別是大分子有機(jī)物,再生接觸時(shí)間必須更久,而且通常要提高溫度(70~80℃)才能除去大部分有機(jī)物,以免其效能降低太快,同時(shí)在高溫下操作,也可以加速再生反應(yīng)時(shí)間,使浸泡接觸時(shí)間得以因而縮短。在這方面應(yīng)用的再生劑,以硫酸較佳,理由是硫酸在加熱時(shí)相當(dāng)安定,鹽酸則可能會產(chǎn)生有毒的氯化氫氣體。