離子交換樹脂的物理性能：不可逆膨脹和轉(zhuǎn)型膨脹

離子交換樹脂的物理性能

1.3.7離子交換樹脂的不可逆膨脹和轉(zhuǎn)型膨脹

新離子交換樹脂的體積是不穩(wěn)定的，由于生產(chǎn)過程時(shí)間短，高分子鏈的纏結(jié)，所以未能充分膨脹，經(jīng)過幾個(gè)周期的使用，高分子骨架充分膨脹，樹脂體積才穩(wěn)定下來。裝入交換器的樹脂層高度，在使用幾個(gè)周期后會(huì)增加。因?yàn)檫@種膨脹是不可逆的，故稱不可逆膨脹。影響樹脂不可逆膨脹的因素，主要是樹脂制造工藝的后處理。如后處理時(shí)間較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)型和清洗又比較充分，則不可逆膨脹就比較小。

制貼的離子形態(tài)不同，其體積也不相同。當(dāng)構(gòu)脂從一種離子形態(tài)變?yōu)榱硪环N離子形態(tài)時(shí)，樹脂的體積就發(fā)生了變化。這種變化稱為轉(zhuǎn)型膨脹賬，是一種可逆影脹。當(dāng)恢復(fù)成原來的離子形態(tài)時(shí)，樹脂的體積也恢復(fù)為原來的值。各種離子形態(tài)構(gòu)脂的體積不同、樹脂中離子交換基團(tuán)解離的能力不同以及親水能力不同等，是引起樹脂轉(zhuǎn)型體積變化的原因。如果樹脂骨架上某種離子能形成氫鍵、離子架橋等作用時(shí)，會(huì)使樹脂體積發(fā)生較大的變化。

眾所周知，強(qiáng)電解質(zhì)在水中的離解是由于強(qiáng)電解質(zhì)正負(fù)離子的相互吸引，在極性分子水的作用下減弱的結(jié)果，在樹脂內(nèi)部表現(xiàn)為這種正負(fù)離子的間距增大。在正負(fù)離子周圍包圍有很多水分子，形成水合離子。每個(gè)交換基團(tuán)可離解為一對(duì)正負(fù)離子，也就是一對(duì)水合離子，即交換基團(tuán)中固定電荷的水合離子和反離子的水合離子。前一種水合離子是固定不變的，后一種水合離子隨種類變化，其半徑和吸收的水量都發(fā)生變化，引起樹脂體積的變化。

水合離子半徑和離子的電荷數(shù)及它的裸半徑有關(guān)。相同電荷數(shù)的離子，裸半徑越小，水合離子的半徑越大。表1.21列出了陽(yáng)離子的水合離子課半徑及吸收水分的量。

表1.21陽(yáng)離子的水化作用和離子大小^[1]

表1.21最后一欄數(shù)據(jù)表明，同一種陽(yáng)離子交換樹脂處于不同離子型時(shí)，吸收水分的能力不同，結(jié)果樹脂的體積也就不同。

強(qiáng)型樹脂、H+和OH-水合離子裸半徑很大，所以H葉型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂和OH型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂的體積，比其他離子型的都大。弱酸性樹脂羧酸基團(tuán)對(duì)H+表現(xiàn)出很強(qiáng)的結(jié)合能力，弱堿基團(tuán)無法形成離子狀態(tài)，使得弱酸性樹脂在日+型和弱堿性樹脂在游離胺型時(shí)體積最小。H+型弱酸性樹脂羧酸基之間相互作用，使高分子鏈間的結(jié)合更加緊密，因此其體積比鹽型的小得多，所以弱酸性樹脂的轉(zhuǎn)型膨脹率**。

影響樹脂轉(zhuǎn)型膨脹的因素是反離子的種類和交聯(lián)度。樹脂交聯(lián)度越大轉(zhuǎn)型膨脹就越小。因此，轉(zhuǎn)型膨脹率反映了樹脂結(jié)構(gòu)的緊密程度。改變樹脂的交聯(lián)度就可以改變其轉(zhuǎn)型膨脹率。此外，交換容量越高，轉(zhuǎn)型膨脹率也越大。無交換基團(tuán)的樹脂骨架，轉(zhuǎn)型時(shí)沒有膨脹或收縮現(xiàn)象。因此，樹脂在使用一段時(shí)間以后，轉(zhuǎn)型膨脹率的變化反映了其結(jié)構(gòu)和交換容量的變化。對(duì)于陰離子交換樹脂來說，轉(zhuǎn)型膨脹率的降低可能是基團(tuán)脫落、交換容量降低的結(jié)果；對(duì)于陽(yáng)離子交換樹脂來說，轉(zhuǎn)型膨脹率增加，可能是由高分子鏈斷裂而引起的。

離子交換樹脂不可逆膨脹程度和轉(zhuǎn)型膨脹程度，用不可逆膨脹率及轉(zhuǎn)型膨脹率來表示。

不可逆膨脹率Z，用下式表示：

                             Z₁=(V₂－V₁)/ V₁×100%               （1.2）

式中：V₁──新樹脂體積；      

V₂──經(jīng)幾個(gè)周期轉(zhuǎn)型處理消除不可逆膨脹后的樹脂體積，樹脂的離子形態(tài)和新

樹脂相同。

轉(zhuǎn)型膨脹率Z₂用下式表示：

                      Z₂=（V_B－V_A）/V_A×100%                （1.3）

式中，V_A和V_B分別表示A離子和B離子的樹脂體積，一般轉(zhuǎn)型膨脹率為正值，要求V_B>V_A。

對(duì)于強(qiáng)型樹脂，H⁺型和OH^-型體積**，故V_b指H⁺型陽(yáng)離子交換樹脂體積和0H^-陰離子交換樹脂體積。對(duì)于弱型樹脂H⁺和游離胺型樹脂體積最小，故用V_A表示。

表1.22為Z₂測(cè)定結(jié)果，表1.23為轉(zhuǎn)型膨脹率參考指標(biāo)。

表1.22一些離子交換樹脂的轉(zhuǎn)型膨脹率測(cè)定結(jié)果

表1.23水處理常用離子交換樹脂轉(zhuǎn)型膨脹率參考指標(biāo)