制作珠子

取一个新鲜的鸡蛋，将其打入碗中。生鸡蛋的水分含量超过75％是可以理解的。现在，将另一个鸡蛋煮熟，将壳打碎并剥去。它基本上是同一个蛋。这是相同的组成。它也是超过75％的水分。然而它似乎和行为似乎是坚实的。您在水软化剂中发现的离子交换树脂也看起来是固体，但含水量为50％至60％。所有这些水都在哪里？

离子交换树脂（IEx）主要由交联的苯乙烯（塑料）生产。苯乙烯单体（也称为乙烯基苯）是水不溶性液体。当它悬浮在水中并搅拌时，它形成悬浮在液体中的小液滴或液体球，就像在醋溶液中熟悉的油沙拉酱一样。单体苯乙烯可以聚合，即通过在催化剂存在下加热使其变成硬化的塑料固体。该固体是水透明且完全不溶的，并且呈直径约0.25至0.8mm的微小球形。

在图1中，苯乙烯单体显示在左侧。在化学命名法中，苯乙烯由苯环（以蓝色圈出）和乙烯基（以红色圈出）组成。在化学速记中，这在中图中表示为苯乙烯。在图1的右侧，是IEx中最常用的交叉链接器的结构。该化合物在两侧都具有反应性乙烯基，称为二乙烯基苯（DVB）。当如图2所示反应时，该结构给出了与聚苯乙烯的三维交联。在聚合物主链中反应的DVB的水平决定了珠粒的紧密性或强度。DVB含量越高，当珠子被官能化成IEx 树脂时，水分越低。

添加使塑料珠成为离子交换剂的官能团

当官能团加入到聚合物的苯乙烯主链中时（如图3所示），树脂变得具有反应性，聚合物单元的作用就好像它们是悬浮在水基质中的单个离子一样。各个单元通过DVB结合在一起，这使得珠子不溶但用水高度溶胀（参见煮鸡蛋的例子）。IEx 树脂的可交换部分显示为带有+或 - 电荷的有色元素。

在强酸 阳离子（SAC）的情况下，它们以H +形式制造，但是可以通过用钠（Na 2 CO 3）形式的钠再生树脂而转化成Na +柔软剂形式（或K +钾）。），苛性碱（NaOH）或岩盐（NaCl），用于软化过程。的硬度离子，Ca和Mg，随着铁（Fe）和锰（Mn） ，和某些重金属如铜（Cu）和锌（Zn），被转化为钠（Na），产生不形成水垢的溪流。
反应1（1） ：的Ca（HCO 3）2 + O -Na ↔ö -Ca +的NaHCO 3。的软化反应; ↔表示反应是可逆的。O- Na表示以Na +形式显示的离子交换剂。
反应2（1）： O- Ca + NaCl·O- Na + CaCl 2 + NaCl。该再生反应表示过量盐使用（NaCl或KCl）中。

在H +形式中，SAC 树脂用于去离子过程，其中所有阳离子交换为氢离子，从而将所有盐转化为它们各自的酸，如反应3和4中所示。

反应3：的Ca（HCO 3）2 +的NaCl + O -H ↔ö -Ca + O -Na + H 2 CO 3 + HCl中。DI反应; ↔表示反应是可逆的。

反应4： O- Ca + O- Na + HCl + O - H + CaCl 2 + NaCl + HCl。的再生表示过量反应的酸使用（HCl）中。

的第一级的去离子有时也被称为脱阳离子和之后通常是一个强有力的碱 阴离子（SBA），以除去酸，并完成DI过程。在SBA可以是I型或II型或弱碱（WBA取决于官能化化学）。DI过程参与反应5和6。

反应5： （流出物小时的反应3）2 CO 3 +的HCl + O -OH ↔ö -CO 3 + O -Cl + H 2 O的反应DI; ↔表示反应是可逆的。注意，当H +和OH-反应时，它们形成H 2 O（去离子水）。

反应6： O -CO 3 + O- Cl + NaOH·O -OH + NaCl + Na 2 CO 3 + NaOH。的再生表示过量反应苛性使用氢氧化钠（NaOH）。（注意：使用OH-形式的SBA是通过IEx有效去除进料流中二氧化硅的唯一方法.I型是比II型更强的基础 树脂，可以更好地将二氧化硅还原到ppb级别。以Cl形式不会去除二氧化硅。）

SBA树脂也可以以Cl形式操作并用盐再生。因此，它们可用于去除硝酸盐和亚硝酸盐，硫酸盐，六铬，碳酸氢盐和碳酸盐碱度，砷和氟化物，甚至金回收。这在反应7和8中显示。

反应7：的NaHCO 3 +的NaNO 3 +的Na 2 SO 4 + O -Cl ↔ö -HCO 3 + O -NO 3 + O -SO 4 + NaCl中。通常称为脱碱反应，SBA树脂在井水修复中具有很大的实用性，并且可以容易地用NaCl再生。

反应8： O -HCO 3 + O- NO 3 + O -SO 4 + NaCl·O- Cl + NaHCO 3 = NaNO 3 + NaHCO 3 + NaCl 
对于某些DI应用，减少二氧化硅或碳酸氢盐可能并不重要（它将在低pH去阳离子水中以CO 2气体的形式存在）。对于这种需要（例如洗车和玻璃漂洗），如果二氧化硅含量< 20ppm，可以使用WBA 树脂。WBA树脂具有高的酸 还原能力并且再生非常经济。警告：如果二氧化硅> 20 ppm，请使用反应15中所示的SBA混床（MB）。

的WBA DI反应示于反应9和10 WBA是在自由碱（FB）的形式和实际上没有可交换OH基团。它们吸附整个酸分子，不会产生水作为副产物。这种吸附功能还使它们成为脱水果汁和葡萄酒的理想选择，而不会像SBA 树脂那样将中性果盐分解成高pH组分。

反应9： （流出物小时的反应3）2 CO 3 +的HCl + O -FB ↔ö -HCl + H 2 CO 3（H 2 O + CO 2）。DI反应; ↔表示反应是可逆的。WBA不会去除碳酸氢盐或二氧化硅。然而，在干燥时，CO 2将蒸发。

反应10： Ò -HCl +氢氧化钠↔ö -FB +的NaCl + H 2 O + << NaOH中。WBA树脂可以用非常少的过量苛性碱再生，甚至可以用来自先前SBA 再生废物流的废碱再生。

弱酸阳离子（WAC）通常不从交联的苯乙烯但从丙烯酸骨架使用DVB交联剂制成。从图3中可以看出，WAC组的大小远小于SAC。这允许树脂珠上更多的反应性位点，因此具有更高的容量。以H +形式运行，WAC的运行容量可能是SAC的两倍。然而，WAC不分离H +形式的中性盐，但可以用苛性碱转化为Na +形式，并用于在中等高TDS水中的高效 软化。WAC不会再生盐（NaCl）。为了以Na +形式使用它们，必须首先用酸再生，然后用苛性碱转化。由于使用酸和腐蚀性的危险，人们无法利用其固有的家庭用途的高容量。WAC树脂可用于部分去离子应用，因此它们可以选择性地去除硬度，直至存在的碱度（二碳酸盐）极限。换句话说，您可以仅使用一个树脂床同时软化和去碱化某些进料流。

反应11： Ca（HCO 3）2 + NaCl + W -H + 1 W -Ca + H 2 CO 3（H 2 O + CO 2 ↑）+ NaCl。H +形式的WAC仅与碱性盐反应。如果碱度 > 硬度，则除去一些Na。如果碱度 = 硬度，则去除所有硬度。如果碱度 < 硬度，则会保留一些硬度。在H +形式下操作，WAC将碳酸氢盐转化为CO 2气体，其可以起泡，从而减少TDS，碱度和硬度用单柱。该再生反应使用非常轻微过量的酸（HCl）和甚至可以花费废物进行酸从SAC 再生（反应12）。

反应12： W- Ca + HCl·W- H + CaCl 2 = << HCl。再生对H +形式非常有效。要转换为Na +形式，需要一个额外的步骤，如反应13所示。

反应13： W- H + NaOH·W- Na + H 2 O + NaOH。苛性碱会略微过量。如反应14所示，该树脂现在可用于非常有效，更高的TDS 软化。

反应14： Ca（HCO 3）2 + W -Na →W- Ca + NaHCO 3。水中软化可达5,000 TDS ; →表示该反应不可逆。您必须使用酸 / 腐蚀性的两步转换。

对于高纯度需求的完全脱矿质，如半导体制造，高压灭菌器，药品，高压锅炉，无斑点冲洗等，使用混合床（反应15）。

反应15： NaCl + O -H + O -OH →O- Na + O- Cl + H 2 O.

混床（MB）树脂是SAC和SBA的2：3比例的紧密混合物。混色床水是溶解如此之低矿物的唯一方法测量它是测量其电导率（EC）或电阻率（Ω）。高纯度混合床 出水可达到18.3兆欧的电阻率或0.055微西门子（μS），相当于<0.03 ppm TDS。使混合床在去除离子方面如此有效的原因在于它总是朝向中性pH值起作用。使用双床（SAC / SBA）系统，SAC 流出物的pH值降至2或更低的值，创造一个温和的再生环境。钠离子不能与存在朝向底部氢离子的质量竞争床和钠 泄漏被生产为盐（参见反应3）。在SBA 床转换所有的氨基酸（参见反应5）与水的加的残余 钠离子的NaOH，其给出一个两床 流出物的约10的pH和诱导较高二氧化硅泄漏。混合床代表数千个双床循环并且用于流出物对于相同数量的两个床， 给定量的混合床树脂将提供更高质量的水的容量。混床的唯一缺点是再生技术更复杂，需要更多设备。

为了再生PEDI（便携式交换去离子）混合床，通常将排出的床转移到分离容器中，在该分离容器中将树脂分离（通过反洗）成为其SAC和SBA组分。SBA和较重的SAC树脂之间存在约20％的密度差异，这使得在反洗期间较轻的SBA位于床的顶部。的分离也通过具有不同颜色的与所述SAC通常较暗两种树脂增强。然后将它们转移到单独的再生容器中进行清洁和再生。在高纯水中漂洗后，将单独的床转移到再混合容器中并再混合并进行最后的漂洗，然后再填充交换容器用于下一个运行循环。一个定点床，混色床系统（室内）可以就地再生。将用尽的混合床反洗以分离成组分。的阳离子成分，通过引入再生酸从底部和阴离子组分通过引入再生苛性碱从顶部。的再生剂废料从位于的点的中间-侧部取出的分离这两种树脂。这些系统经过精心设计，适用于平衡和流动动力学，非常常见。

树脂的物理结构

离子交换剂通常以凝胶结构或大孔结构形式产生。凝胶通常生产成本较低，而且更为常见。凝胶树脂通常是透明的并且没有明显的孔。凝胶型离子交换剂的传输机制是通过扩散。离子必须扩散到珠子结构中，交换离子必须扩散出来。较大的分子，如硫酸盐和有机物，比氯化物和硝酸盐更慢地扩散进出，特别是在冷水中。处理较大分子时，应给予服务和 再生额外的时间。

大孔（大）树脂通常是不透明的，即使它们是由透明材料制成的。想想它们就像滚雪球一样：个别雪花是透明的，但雪球是不透明的。宏具有独特的连续孔隙或通道，水可以通过这些孔或通道流动，从而进入珠子的内部。仍存在通过固体基质的扩散以进行交换，但与凝胶树脂相比距离较小。宏观树脂具有与活性炭类似的巨大表面积。凝胶树脂的总表面积仅为约0.004m 2 /湿克，而宏观树脂的总表面积可接近1,000m 2/克（见图4）。同样由于表面积增加，大分子树脂在较高的交联水平下具有良好的动力学，使其在极端氧化条件下具有优势。

结论

离子交换树脂由塑料制成，该塑料由与二乙烯基苯交联的苯乙烯组成，并具有用于离子扩散的水通道。宏观树脂具有不同的水通道，其表面积与活性炭的数量相似，是凝胶树脂的250,000倍。这允许更高的xl水平和优异的抗氧 化性。宏有更好的抵抗力，以有机 污染，由于表面积大，能够承受恶劣的化学清洗的能力。