離子交換樹脂的物理性能：機(jī)械性能

作者：星臨技術(shù)部瀏覽數(shù):78次

離子交換樹脂的物理性能

1.3.6離子交換樹脂的機(jī)械性能

離子交換樹脂的機(jī)械性能（即保持顆粒的完整性），是十分重要的性能。在使用中，如果樹脂顆粒不能保持其完整性，發(fā)生破裂或破碎，會(huì)給使用帶來(lái)困難。主要表現(xiàn)為：破碎樹脂在反洗時(shí)排出、細(xì)末漏過通流部分進(jìn)入后續(xù)設(shè)備，結(jié)果導(dǎo)致樹脂層高下降、交換容量降低、水流阻力增加、污染后續(xù)設(shè)備中的樹脂、系統(tǒng)出水水質(zhì)下降、進(jìn)入高溫系統(tǒng)污染水汽品質(zhì)等。所以應(yīng)對(duì)樹脂的機(jī)械性能或物理強(qiáng)度有一定要求。

離子交換樹脂顆粒發(fā)生破裂或破碎的原因有：

（1）新樹脂本身有裂紋或裂球；

（2）樹脂顆粒在使用中受到摩擦力作用，如反洗、空氣混合或擦洗、樹脂輸送等；

（3）樹脂顆粒在使用中受壓，如設(shè)備內(nèi)的水流壓力等；

（4）反復(fù)轉(zhuǎn)型下樹脂顆粒體積周期性地膨脹和收縮，樹脂內(nèi)部的化學(xué)應(yīng)力產(chǎn)生裂球；

（5）因氧化、輻射等作用聚合物骨架的破壞。

1.裂球率

合格離子交換樹脂的顆粒應(yīng)保持其完整的球狀而沒有裂紋。由于離子交換樹脂制造工藝的不合理或操作上的失誤等，樹脂顆粒會(huì)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致樹脂破裂。

外力也會(huì)使樹脂發(fā)生裂紋和破裂。

裂紋和破裂狀況可由顯微鏡觀察，典型情況見圖1.1。

圖1.1離子交換樹脂顆粒遭受破壞的過程及狀態(tài)

（a）表面光滑；（b)表面有氣泡；（c)有一條裂紋；（d)有許多小裂紋；（e)有一條長(zhǎng)裂紋；

（f）有很多長(zhǎng)裂紋；（g）已經(jīng)裂掉小塊后顆粒；（h)裂下的碎塊

表1.13列舉了一些樹脂裂球率的實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)。從表中可以看出，凝膠型樹脂裂球狀

況比較嚴(yán)重，好壞差別很大。從測(cè)定數(shù)據(jù)看，新的001×7樹脂裂球率應(yīng)小于2%，經(jīng)2周期

處理后裂球率應(yīng)小于20%；對(duì)于201×7樹脂，新樹脂裂球率應(yīng)小于1%，經(jīng)2周期處理后

裂球率應(yīng)小于10%。裂球率越小越好。

表1.13實(shí)際測(cè)定裂球率數(shù)據(jù)

%

樣品序號(hào)	001×7陽(yáng)離子交換樹脂	201×7陰離子交換樹脂
	新樹脂	經(jīng)2周期處理*	新樹脂	經(jīng)2周期處理
1	<2	1.71	<2	4.85
2	<2	1.84	7.8	10.36
3	～8	～98	～0	53.7
4	<1	26.25	～0	69.8
5	～0	12.02	4.1	13.32
6	～0	53.7	～0	～0
7	1.57	62.36	1.88	3.67
8	2.47	9.76	1.11	39.80
9	0	0	3.23	7.01
10	2.24	7.37	－	－

*用酸堿交替處理

耐磨性

離子交換樹脂的耐磨性是從一個(gè)側(cè)面反映樹脂的機(jī)械性能。在水處理中，離子交換樹脂的輸送轉(zhuǎn)移是經(jīng)常發(fā)生的，故在整個(gè)使用過程中，經(jīng)常受到摩擦力的作用。這種摩擦力是促使樹脂顆粒破壞的一個(gè)重要原因。但這種摩擦力并不能立即造成樹脂破損，它有一個(gè)時(shí)間過程。為測(cè)定樹脂耐磨性能，必須強(qiáng)化摩擦作用，以減少測(cè)定時(shí)間。磨后圓球率就是一種反映強(qiáng)化樹脂所受摩擦力作用和樹脂耐磨性的指標(biāo)。

表1.14列舉了一些廠家生產(chǎn)的常用離子交換樹脂耐磨性能。

表1.14常用離子交換樹脂產(chǎn)品耐磨性能測(cè)定結(jié)果

%

廠名序號(hào)	001×7陽(yáng)離子交換樹脂磨后圓球率	201×7陰離子交換樹脂磨后圓球率
1	93.8	97.8
2	90.0	92.0
3	92.0	99.0
4	87.2	99.5
5	99.9	99.6
6	99.5	94.5
7	98.4	96.2
8	99.2	97.0
9	98.0
平均值	95.3	97.0

大量測(cè)定結(jié)果表明，磨后圓球率是衡量凝膠型樹脂機(jī)械性能或物理強(qiáng)度的行之有效

的一個(gè)指標(biāo)。

從這些數(shù)據(jù)可以看出：

（1）近年來(lái)我國(guó)樹脂產(chǎn)品的耐磨性能普遍提高；

（2）近年來(lái)各廠家生產(chǎn)的樹脂的耐磨性能基本接近，從磨后圓球率來(lái)看，幾乎難以區(qū)。

國(guó)際上一些離子交換樹脂樣品實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)，如表1.15所示。

表1.15某些國(guó)家離子交換樹脂樣品耐磨性能測(cè)定結(jié)果

%

樹脂分類	磨后圓球率
Ionac cc'弱酸性離子交換樹脂（大孔）	95
Ionac c-254強(qiáng)酸性離子交換樹脂	65
Ionac c-240強(qiáng)酸性離子交換樹脂	92.5
Ionac A-327弱堿性離子交換樹脂（大孔）	95.4
Ionac A-540強(qiáng)堿性離子交換樹脂	96.6
Ionac A-953強(qiáng)堿性離子交換樹脂	36.1
Amberlite IR-120強(qiáng)酸性離子交換樹脂	98.0
Amberlite200強(qiáng)酸性離子交換樹脂（大孔）	97.0
Amberilte IRA-93弱堿性離子交換樹脂（大孔）	99.0
Diaon SK-1B強(qiáng)酸性離子交換樹脂	97.0
Diaion SA-11A強(qiáng)堿性離子交換樹脂	95.0
Diaion SA-20強(qiáng)堿性離子交換樹脂	94.0
Diaion WA-30A弱堿性離子交換樹脂（大孔）	99.0
Stratabed 84弱酸性離子交換樹脂	86.0
Stratabed 402強(qiáng)堿性離子交換樹脂	94.0
Stratabed 93弱堿性離子交換樹脂（大孔）	94.0
Varion KSH弱酸性離子交換樹脂（大孔）	91.0

表1.15中的數(shù)據(jù)表明：

（1）國(guó)外樹脂耐磨性能差別也很大，即使同一個(gè)廠家生產(chǎn)的同類樹脂的磨后圓球率也相差很多。

（2）和國(guó)內(nèi)同類樹脂相比，國(guó)外樹脂耐磨性能并不優(yōu)越。

（3）大孔樹脂的耐磨性能一般都比較好，但也有差的，特別要指出，大孔樹脂在疲勞試驗(yàn)中抗?jié)B透壓力作用的能力比凝膠型樹脂好得多，使用中破碎的較少。

有的樹脂耐磨性較差（如低交聯(lián)度樹脂），但使用中破碎狀況不嚴(yán)重，說(shuō)明耐磨性能的比較宜用于同類樹脂。

耐滲透性

樹脂在轉(zhuǎn)型時(shí)，其體積會(huì)發(fā)生膨脹或收縮。如果樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)能承受這種體積上的變化，樹脂顆粒就能完整無(wú)損，否則顆粒就會(huì)發(fā)生破裂。在使用中，樹脂被周期地轉(zhuǎn)型，樹脂顆粒就會(huì)反復(fù)地收縮和膨脹，逐漸引起樹脂顆粒破裂。表1.16列出了一些樹脂耐滲透壓試驗(yàn)結(jié)果。

表1.16幾種離子交換樹脂的耐滲透壓試驗(yàn)結(jié)果

樹脂牌號(hào)	裂球率/%
	0周期	5周期	10周期	20周期	30周期	50周期	80周期	100周期
001×7（1）	15.2	67.8	87.6	－
（2）	0.5	60.0	65.6	－
（3）	2.7	14.5	50.0	－
（4）	2.2	－	－	－
（5）	0	－	14.3	－
（6）	1.2	－	－	－
（7）	1.7	－	－	－
（8）	0.4	－	42.7	－
（9）	0	－	16.6	16.3
（10）	5.2		96.9	－
（11）	2.6	52.4	71.3	－
201×4	23.2	72.7	89.2	－
Diaion SK-1B	1.4	－	53.3	－	70.9	84.3
Diaion SA-11A	2.3	－	－	－	9.3	15.0	17.82	1.6
Diaion SA-20A	1.6	－	4.9	－	4.6	10.0	11.5	15.0
樹脂牌號(hào)	裂球率/%
	200周期	300周期	500周期
Diaion WA-30	26.8	34.0	40.2

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知：

同類樹脂，如各廠生產(chǎn)的001×7，甚至一個(gè)廠不同批號(hào)的同類產(chǎn)品，它們的耐滲透壓能力差別也較大（說(shuō)明產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定）；

（2）大孔樹脂的耐滲透壓能力比凝膠型樹脂的好；

（3）一般說(shuō)來(lái)凝膠型強(qiáng)堿性離子交換樹脂的耐滲透壓能力比凝膠型強(qiáng)酸性離子交換樹脂的好，后者在使用中出現(xiàn)的主要問題是破裂；

（4）弱酸、弱堿性離子交換樹脂多為大孔樹脂，在使用中破裂較少。耐滲透壓的測(cè)定和測(cè)定條件有很大關(guān)系。如果樹脂轉(zhuǎn)型不修、轉(zhuǎn)型時(shí)流過液體不均勻，測(cè)得結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)偏差。

樹脂顆粒大小對(duì)耐滲透壓有較大的影響。樹脂的顆粒越大，在轉(zhuǎn)型中越易破碎。為了比較樹脂的耐滲透壓能力，**用相同粒度樣品來(lái)測(cè)定。

耐滲透壓能力常用裂球率來(lái)表示。測(cè)定裂球率后，被觀察的樹脂顆粒仍可放回試驗(yàn)裝置繼續(xù)試驗(yàn)，對(duì)測(cè)定無(wú)影響，所以可用一個(gè)樹脂樣品測(cè)得不同周期的試驗(yàn)結(jié)果。

離子交換樹脂的耐滲通壓能力是樹脂的一個(gè)重要性能指標(biāo)，它和樹脂的使用壽命有關(guān)。目前，對(duì)村居實(shí)際耐滲通壓能力的研究很少，還不能從實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定預(yù)示實(shí)際使用基希：這外議收是由于測(cè)定條件和標(biāo)使用條件的不同，更主要的是實(shí)際使用狀況千差萬(wàn)別，同一樹脂在不同使用條件下的壽命就不同。

表1.17所列兒種離子交換樹脂的耐滲透壓性能可作為選用樹脂的參考指標(biāo)。

表1.17 幾種離子交換樹脂耐滲透性能參考指標(biāo)

樹脂牌號(hào)	疲勞試驗(yàn)周期數(shù)	裂球率%	備注
001×7	2	<20	酸堿接觸時(shí)間均不能小于15min
201×7	2	<10
D001	100	<1
D201	100	<1
D111	100	<1
D113	100	<1
D301	100	<1

4.滲磨圓球率

2001年正式頒布了測(cè)定大孔樹脂機(jī)械性能的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T12598-2001，測(cè)定項(xiàng)目為滲磨圓球率。它是在一定的人為條件下，將滲透壓力、摩擦力和壓力共同作用于樹脂后，檢出沒有破碎顆粒的百分?jǐn)?shù)。

首先在交換柱內(nèi)，通過一定量的酸（或堿）溶液，使樹脂離子形態(tài)發(fā)生一次變化，它遭受一次一個(gè)方向上的滲透力，然后再加一定量的堿（或酸）溶液，使樹脂離子形態(tài)再次變化，使它遭受一次和剛才相反的滲透力。此后，再在球磨機(jī)內(nèi)滾磨，從而測(cè)定圓球顆粒的百分?jǐn)?shù)。

顯然，和磨后圓球率法相比，這種方法對(duì)樹脂施加的作用力更全面更苛刻，從而更能全面地反映出樹脂的機(jī)械性能。當(dāng)磨后圓球率法不能區(qū)別樹脂機(jī)械性能好壞（即磨后圓球率接近100%）時(shí)，滲磨圓球率就能找出它們的差別來(lái)。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12598-2001方法測(cè)定了一系列樹脂的滲磨圓球率，結(jié)果列于表1.18中。

表1.18常用離子交換樹脂的滲磨圓球率 %

樹脂	滲磨圓球率	樹脂	滲磨圓球率
001×7（1）	80.42	D201	92.64
001×7（2）	66.44	D202	65.81
001×7（3）	35.54	D001	96.05
201×7（1）	84.57	D001（1）	84.64
201×7（2）	36.50	D001（2）	84.24
D111	97.14	D111	83.17
D301（1）	96.05	D201（2）	95.3
D301（2）	99.44	D301（4）	30.83
D301（3）	52.91	D301（5）	70.63

5、滲磨圓球率與磨后圓球率和滲透裂球率之間的關(guān)系

將一系列常用離子交換樹脂，分別測(cè)定其磨后圓球率、滲透裂球率和滲磨圓球率，結(jié)果見表1.19。

表1.19常用離子交換樹脂磨后圓球率、滲透裂球率和滲磨圓球率測(cè)定結(jié)果 %

樣號(hào)	磨后圓球率A	滲透裂球率B	C=A×（1－B）	滲磨圓球率D
1	99.0	0.0	99.0	98.7
2	99.5	69.8	30.0	19.2
3	99.2	39.8	59.7	23.0
4	91.0	6.1	85.4	78.5
5	97.7	2.4	95.4	94.6
6	97.2	8.0	89.4	84.0
7	99.6	13.3	86.4	70.5
8	49.6	20.0	39.7	23.0
9	96.8	3.6	93.3	94.0
10	92.0	10.4	82.4	82.0
11	94.0	7.0	87.4	87.0
12	97.8	4.9	93.0	95.0
13	99.0	53.7	45.8	10.5
14	93.8	17.1	77.8	53.0
15	99.9	53.7	46.3	18.4
16	99.5	60.2	39.6	25.6
17	98.4	62.4	37.0	1.5
18	98.0	73.7	25.8	2.0

以上數(shù)據(jù)表明，凡是滲磨圓球率D較高的，它和C=AX（1-B)的值都比較接近。當(dāng)滲透裂球率B較大時(shí)，由于裂球率測(cè)定誤差大，使D值和C值差別較大，但趨勢(shì)還是清楚的，即D值大的C值也大一些。

既然滲磨圓球率表示了滲透壓和滾磨的共同作用，因此滲磨圓球率和滲磨裂球率與磨后圓球率之間會(huì)有一定的關(guān)系。它們之間的關(guān)系可用圖1.2表示。

圖1.2滲磨圓球率和磨后圓球率、滲透裂球率的關(guān)系

由圖1.2的回歸處理可以更明顯看出這一點(diǎn)。該曲線表明，當(dāng)樹脂既耐磨又耐滲透沖擊時(shí)，其磨后圓球率高、A值大，滲透裂球率低、（1-B)值大，則A×（1-B)值大，對(duì)應(yīng)的滲磨圓球率高。反之，當(dāng)樹脂既不耐磨又不耐滲透沖擊，其磨后圓球率低、A值小，滲透（1-B)值小，則A×（1-B）值小，滲磨圓球率低。由此說(shuō)明，滲磨圓球率與磨滲透裂球率的乘積成正比，較好地反映了三種力交互作用的結(jié)果。相反，磨后圓球率和滲透裂球率僅僅反映了樹脂某一方面的物理性能。

目前市場(chǎng)上凝膠型樹脂的機(jī)械性能還不夠好，因此還采用磨后圓球率來(lái)表示其機(jī)械件能?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些好的凝膠型產(chǎn)品的滲磨圓球率也可達(dá)到90%以上（見表1.20），因此隨它們的機(jī)械性能改善，采用滲磨圓球率來(lái)表示凝膠型樹脂機(jī)械性能。

表1.20水處理常用離子交換樹脂滲磨圓球率參考指標(biāo) %