一、离子交换树脂的物理性能

1.外观

离子交换树脂的外观包括：颗粒的形状、颜色、完整性以及树脂中的异样颗粒和杂质等。目前各种产品标准外观指标见表4-1。

表4-1 水处理用离子交换树脂外观

2.水溶性浸出物

将新树脂样品浸泡在水中，经过一定时间以后，可以在水中发现从树脂中浸出许多水溶性杂质，最明显的是聚苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂。一般只要有几天时间，浸泡树脂的水就呈棕色，时间越长颜色越深。水的颜色一般是由生产中残留的低聚物和化工原料形成。

浸出物的性质一般表现如下：

1）阴离子交换树脂的浸出物呈阳离子性质，其中主要有胺类和钠。水溶性浸出物

2）强酸性阳离子交换树脂的浸出物为低分子磺酸盐，这已为色谱法测定（浸出物的氧化物是硫酸根）所证明。低分子硫酸盐可溶于水中，不断从阳树脂中释放出来，它会污染阴树脂，因此必须控制浸出物的含量。

食品工业、核工业等对树脂的水溶性浸出物有一定的限制。随着人们对水质的不断提高，对一般工业所使用的树脂的水溶性浸出物允许量也会有所限制。

近年来，人们愈来愈重视强酸性阳离子交换树脂水溶性浸出物的危害，并要求对其进行定量测定。因此，在新树脂投入使用初期，最好先进行1至2周期的试运行，尽量清洗树脂中的水溶性浸出物，在使用一段时间后，可取出阳树脂，进行水溶性浸出物的测定，以了解对阴树脂的污染状况。

3．含水量

指单位质量树脂所含的非游离水分的多少，一般用百分数表示。

一定离子型的离子交换树脂颗粒内的含水量是树脂产品固有的性质之一。它用单位质量的、经一定方法除去外部水分后的湿树脂颗粒内所含水分的百分数来表示。离子交换树脂的含水量与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交换容量、离子型态等因素有关。树脂在使用中如果发生链的断裂、孔结构的变化、交换容量的下降等现象，其含水量也会随之发生变化。因此，从树脂含水量的变化也可以反映出树脂内在质量的变化。

将干态的离子交换树脂颗粒放在水中，它就会不断地汲取水分，一定时间后，其吸收的水量达到稳定值，此时的含水量称为平衡含水量。平衡含水量和树脂本身的状态有关，通常称平衡含水量为“含水量”。吸收了平衡含水量的树脂颗粒离开水环境置于空气中，颗粒表面还会附有一薄层水膜，树脂颗粒内仍含平衡水量。显然，水膜是树脂颗粒离开水环境时的机械携带，其厚度主要取决于树脂表面性质、水的粘度、颗粒和水相对运动的速度，另外树脂颗粒之间的空隙也会夹带水分。但是当树脂的水膜不断蒸发，水膜的完整性遭破坏时，内部水分就要逸出，久之就变为干树脂。由于树脂颗粒内外水分无法分离，如何除去膜外水及水膜水，而又能保持内部水分不损失是测定树脂含水量的关键。

1）常用凝胶型强酸性阳离子交换树脂的含水量波动较小，各地产品大致相同，工艺较稳定。

2）国产苯乙烯系阴离子交换树脂201×4、201×7含水量的差别比较大，这是各厂产品交换容量相差较大、反应时形成的副交联程度不同等原因所致。

3）大孔树脂含水量要比相同交联度凝胶型树脂的含水量高。大孔树脂的孔隙度没有明确规定，因此含水量有较大的差别。如特大孔的Amberlite IRA-938强碱性阴离子交换树脂的含水量可达80%（氢氧型）左右，而同类的凝胶型树脂含水量为56%左右。含水量越高，越有利于离子扩散；含水量越低，体积全交换容量越高。

4）同种树脂含水量随离子型态的不同而不同。一种基团带有不同离子时，其结合水的能力不同，树脂含水量就不同。因此在表示树脂含水量时，必须指明离子型态。

4．密度

离子交换树脂的密度分为湿真密度、湿视密度和装载密度。

湿真密度是指单位真体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。湿视密度是指单位视体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。装载密度是指容器中树脂颗粒经水力反洗自然沉降后单位树脂体积湿态离子交换树脂的质量（单位g/ml）。

所谓湿态离子交换树脂，是指吸收了平衡水量并除去外部游离水分后的树脂。为使各种密度的测定结果有可比性，在测定样品时都应使之处于这种湿状态。真体积是指离子交换树脂颗粒本身的固有体积，它不包括颗粒间的空隙体积。视体积是指离子交换树脂以紧密的无规律排列方式在量器中占有的体积，它包括颗粒间的空隙体积和树脂颗粒本身的固有体积。

5．粒度和粒度分布

一般用悬浮法制得的球状颗粒的粒径并不一致，大体上处在0.2mm～1.5mm范围内（经筛分取0.3mm～1.2mm的颗粒用于制造树脂），其中0.3mm～0.6mm的占60%左右，0.6mm～1.0mm的占30%左右。未经筛分的样品中，各种粒径的白球所占体积百分数一般呈正态分布函数关系（分布曲线是对称的）。如果在正态概率座标纸上作图，其粒径和体积累计百分数的关系是一直线。经过筛分的树脂，其粒径分布就不呈正态函数形式（在正态概率座标纸上，其粒径和体积累积百分数的关系就不是直线）。

在一般情况下，树脂颗粒的粒径是连续分布的，不能用一个简单的数来描述这种粒径的大小。仅规定粒径范围（如0.3mm～1.2mm的颗粒体积占全部体积的95%以上）是不合理的。因为在这样粒径范围内可能有大部分树脂的颗粒粒径为0.3mm～0.6mm，也可能为0.6mm～1.0mm，这两种情况都符合规定的范围，但颗粒大小相差甚远。

为了正确说明商品用离子交换树脂的颗粒大小，应该用4个指标：范围粒度、有效粒度和均一系数、下限粒度（或上限粒度）。

6．机械性能

离子交换树脂的机械性能（即保持颗粒的完整性），是十分重要的性能。在使用中，如果树脂颗粒不能保持其完整性，发生破裂或破碎，会给使用带来困难。主要表现为：破碎树脂在反洗时排出、细末漏过通流部分进入后续设备，结果导致树脂层高下降、交换容量降低、水流阻力增加、污染后续设备中的树脂、系统出水水质下降、进入高温系统污染水汽品质等。所以应对树脂的机械性能或物理强度有一定要求。

7．不可逆膨胀和转型膨胀

新离子交换树脂的体积是不稳定的，由于生产过程时间短，高分子链的缠结，所以未能充分膨胀，经过几个周期的使用，高分子骨架充分膨胀开，树脂体积才稳定下来。装入交换器的树脂层高度，在使用几个期后会增加。因为这种膨胀是不可逆的，故称不可逆膨胀。

影响树脂不可逆膨胀的因素，主要是树脂制造工艺的后处理。如后处理时间较长，转型和清洗又比较充分，则不可逆膨胀就比较小。

树脂的离子型态不同，其体积也不相同。当树脂从一种离子型态变为另一种离子型态时，树脂的体积就发生了变化。这种变化称为转型膨胀，是一种可逆膨胀。当恢复成原来的离子型态时，树脂的体积也恢复为原来的值。各种离子形态树脂的体积不同、树脂中离子交换基团解离的能力不同以及亲水能力不同等是引起树脂转型体积变化的原因。如果树脂骨架上某种离子能形成氢键、离子架桥等作用时，会使树脂体积发生较大的变化。

8．耐热性与抗氧化性

（1) 耐热性

离子交换树脂的耐热性表示其在受热时保持其理化性能的能力。如Ⅰ型强碱性阴离子交换树脂耐热性差，说明其受热后的强碱基团易降解或脱落，使交换容量下降、碱性降低，影响使用效果。通过对耐热性的研究，可以确定：

① 树脂长期使用的允许温度；

② 不同离子型态时树脂耐热性的差别；

③ 树脂结构和耐热性关系；

④ 热分解产物。

（2)抗氧化性

由苯乙烯和二乙烯苯交联的共聚物受氧化剂作用时是比较稳定的。强酸性阳离子交换树脂在3%H2O内（含Fe3+）加热至70℃，经24h后发现质量有所损失。损失的量和交联度有关：在交联1%时，损失62%；在交联2%时，损失46%；在交联为8%时，损失11.6%。这说明了交联度对树脂抗氧化性能有很大的关系，即交联度越高，树脂的抗氧化性越好。

水中的重金属离子是氧化降解的催化剂，尤其是铁和铜。

强酸性阳离子交换树脂氧化产生的低分子有机磺酸（水溶性的），可以从树脂中溶出，随水而进入后续阴床，污染阴树脂。在水处理系统中，最容易遭受氧化的是第一级阳离子交换树脂，因此对进入除盐系统的水中含氯量有所规定。强碱性阴树脂也易遭受氧化，但进水中游离氯主要在第一级阳树脂交换器中即被吸收，因而它受氧化的现象较小。

二、离子交换树脂的化学性能

1． 交换容量

(1) 质量全交换容量

通常称质量全交换容量为全交换容量，它表示的是单位质量树脂所具有的全部交换基团的数量。它是离子交换树脂固有性质的一个重要指标，反映在实际使用中可交换离子量的极限值。质量全交换容量是指干基交换容量，单位为mmol/g。

离子交换树脂质量全交换容量是由其本身结构决定的，和外界条件无关。

(2) 干基和湿基交换容量

在实际中，经常使用的是湿态树脂的体积交换容量，它表示单位体积完全浸泡在水中的树脂所具有的交换基团总量。湿态体积全交换容量和干基质量全交换容量有如下关系：

式中：qv ——体积全交换容量，湿态；

                q ——质量全交换容量，干基；

                 x ——含水量；

                 ds——湿视密度。

(3) 基团容量

某些离子交换树脂具有两种或两种以上的离子交换树脂基团，它们各有不同的特性。基团交换容量是用来表示质量或单位体积树脂中某种离子交换基团的量（如磺酸基团容量、羧酸基团容量、季胺基团容量、仲胺基团容量等）。

(4) 平衡交换容量

平衡交换容量用于表示达到平衡状态时单位质量或单位体积的树脂中参于反应的交换基团的量。它表示在给定条件下，该树脂可能发挥的最大交换容量，是离子交换体系的重要参数。

平衡交换容量和平衡条件有关，它不是一个恒定值，平衡条件不同，平衡交换容量就不同。在同一条件下，不同树脂的平衡交换容量也不同，它反映了树脂化学性能的不同。

(5) 交换容量和离子型态

由于反离子种类不同，每个单元交换基团的质量也不相同。例如1摩尔的离子交换基团RSO3Na的质量为x（约为222g），则当它变为RSO3H时，即交换基团中的钠离子被氢离子所取代，质量减少为x - （23-1）g（约为200g）。在计算单位质量（如1000g）树脂中交换基团的量时，显然由于反离子不同，其交换容量不同，前者约为4.5mmol/g（钠型）后者约为5.0mmol/g（氢型）。在计算树脂交换基团时必须注意其离子型态。

2．阳离子交换树脂交换容量

常用的强酸性阳离子交换树脂是聚苯乙烯骨架经磺化反应而得，反应后苯环上接上磺酸基- SO3H，可能含有少量的弱酸基-COOH。常用的弱酸树脂是聚丙稀酸甲酯经水解反应而得，反应后聚合物上酯基变为羧酸基-COOH，但不会带有磺酸基。因此常用强酸阳树脂交换容量测定包括测定全交换容量及基团交换容量，而常用弱酸树脂只测定全交换容量即是弱酸基团容量。

按上述原理制订的方法测定了一些阳树脂的交换容量，结果见表4-2。

表4-2 阳树脂交换容量测定结果mmol/ g

表3-13数据表明，同类树脂001×7、001×10、001×14.5的交换容量随交联度增大而减少。D001×16大孔树脂磺化反应温度较其它树脂高，其产生弱酸基的量也较大。

3．阴离子交换树脂交换容量

阴离子交换树脂交换容量测定包括对强碱性和弱碱性两种阴树脂的全交换容量、强碱基团及弱碱基团容量的测定。

表4-3列举了一些阴树脂测定结果，可以看出：（1）无论何种聚苯乙烯类阴树脂都存在强、弱两种基团，新的强碱性阴离子交换树脂中含有约10%的弱碱基团，而弱碱阴树脂中可能含有约15%的强碱基团；

表4-3 常用阴树脂交换容量测定结果mmol/g（干）

4．离子交换的选择性顺序

在离子交换水处理的实际应用中，我们常常需要知道在许多离子的混合液中哪一种离子易被吸取，哪一种离子较难被吸取的次序，即所谓选择性顺序。此种性能与它们呈离子交换平衡时的相对量有关。

对于阳离子交换来说，此种顺序的规律性比较明显。在稀溶液中，常见阳离子的选择性顺序如下：

Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+≈NH4+＞Na+＞H+

这可归纳为两个规律：离子所带电荷量愈大，愈易被吸取；当离子所带电荷量相同时，离子水合半径较小的易被吸取。H+的位置向前移动，例如羧酸型树脂对H+的选择性，居于Fe3+之前。

对于弱酸性阳树脂，在浓溶液中，选择性顺序有一些不同，某些低价离子会居于高价离子前。

至于阴离子交换的选择性顺序，情况要比阳子交换复杂。通过研究得知，在淡水的离子交换除盐处理系统中，即进水是稀溶液时，阴子的选择性顺序为：

SO43-（+HSO4-）＞Cl-＞HCO3-＞HSiO3-

据此，可以推知，OH离子交换树脂对于水中常见阴离子的选择性顺序，遵循以下三条规律：

1）在强弱酸混合的溶液中，OH离子交换树脂易吸取强酸的阴离子；

2）浓溶液与稀溶液相比，前者利于低价离子被吸取，后者利于高价离子；

3）在浓度和价数等条件相同的情况下，选择性系数大的易被吸取。

三、离子交换树脂工艺性能

1．工作交换容量

（1）基本概念

工作交换容量是指在一定条件下，一个交换周期中单位体积树脂实现的离子交换量，即从再生型离子交换基团变为失效型基团的量。它可以用下式计算：

q工 = q ′v (R 初–R残)  

式中：q工——树脂工作交换容量，mmol/L；

q′v——树脂体积全交换容量，mmol/L；

R初——整个树脂层平均初始再生度；

R残——整个树脂层平均残余再生度。