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为了除去水中离子态杂质,现在采用得最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
离子交换剂
无机质
天然 海绿砂
人造 合成沸石
碳质 磺化煤 强酸性 磺酸基(-SOH)
3
阳离子型
有机质 弱酸性 羧酸基(-COOH)
强碱性Ⅰ型 {-N(-CH)}OH
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离子交换树脂 阴离子型 Ⅱ型 {-N(CH)}OH
32
弱碱性 (-(NH)OH、(=NH)OH或
3 2
(≡NH)OH
其他-氧化还原型、有机物清除除型等
在离子交换技术被发现和应用的初期,采用的只有天然的无机离子交换
剂,如海绿砂。然而这类物质不能用于酸性介质而且其交换容量较小,所以现已被人造离子交换剂所替代,特别是由于合成离子交换树脂的制造成功,交换剂的品种不断增加,应用更为广泛。
第一节离子交换剂的结构
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。
一、磺化煤
磺化煤是一种半化合成的离子交换剂,它利用煤质本身的空间结构作为高分子骨架,用浓硫酸处理的方法(称磺化)引入活性基团而制成。
磺化煤的活性基团,除了有由于磺化而引入的-SOH外,还有一些煤质本身
3
原有的基团(如-COOH和-OH)以及因硫酸氧化作用生成的羧酸(-COOH),所
以它实质上是一种混合型离子交换剂。
磺化煤的价格比较便宜,是过去水处理系统中广泛应用的交换剂,但由于它
有以下的缺点,所以现在大都为合成离子交换树脂所替代:
⒈化学稳定性较差,特别是对于碱性强的水,抵抗力很差;
⒉机械强度不好,易碎;
⒊交换容量小,小于合成离子交换树脂的1/3;
⒋性能随原煤的品种而异,难保持稳定的产品质量。二、离子交换树脂
高分子化合物一般是由许多低分子化合物头尾相结合、连成一大串而形成的。这些低分子化合物称为单体,此化合过程称为聚合或缩合。离子交换树脂,根据其单体的种类,可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等。
⒈苯乙烯系离子交换树脂
苯乙烯系是现在我国电厂用得最广泛的一种,其制造工艺的第一步是用苯乙烯和二乙烯苯进行共聚。
工业用二乙烯苯常常是它的各种异构体(约 40%~55%)和乙基乙烯的混合物。所以在聚合时,实际上这些组成物均聚合在高分子内。
由于在一个二乙烯苯的分子上有两个可以聚合的乙烯基,它可以将两个苯乙烯聚合键交联起来,所以二乙烯苯称为架桥物质。在市场上买到的离子交换树脂所标称的交联度(简写为 DVB),就是指聚合时所用二乙烯苯的质量占苯乙烯总质量的百分率。交联度的大小对聚合体的性能有很大的影响。最显著的影响是它的机械强度和密度是随交联度的增大而加大的。
现在,由于水处理工艺的需要,常在合成离子交换树脂时直接制成小球状。这种小球是将单体放在水溶液中,使其在悬浮状态下聚合而成。由苯乙烯和二乙烯苯制得的是高分子化合物聚苯乙烯,还没有可交换离子的基团,是半成品,称为白球。当将还些白球作进一步处理,引入带有可交换离子的基团后,即可得阴、阳离子交换树脂。
⑴苯乙烯系磺酸型阳离子交换树脂。如将白球用浓硫酸处理,引入活性基团-SOH,则可制得磺酸型阳离子交换树脂。
3
⑵苯乙烯系阴离子交换树脂。它的制造方法是先将聚苯乙烯氯甲基化,然
后胺化。氯甲基化的方法为用无水氯化铝或氧化锌为催化剂,用氯甲醚处理(称为傅氏反应)。如用叔胺处理此反应产物,即得季铵型强碱性阴离子交换剂,如用仲胺或伯胺处理,则生成的是弱碱性阴离子交换树脂。
强碱性阴离子交换剂分Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型是用三甲胺{(CH)N}胺化而得,
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Ⅱ型则是用二甲基乙醇基胺{ (CH)NCHOH}胺化而得。Ⅰ型的碱性比Ⅱ型强,
Ⅱ型的交换容量比Ⅰ型的大。
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在进行傅氏反应时,实际上还有生成亚甲基桥的副反应,此种副 反应会使苯乙烯链之间的交联增多,结果使产品更趋紧密,而且结构不均匀。为此,还可以采用以下的合
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