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[离子交换]丙烯酸系阴离子交换树脂交换容量测定方法的研究

发布时间：2009/6/11 阅读次数：857 字体大小: 【小】【中】【大】

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丙烯酸系阴离子交换树脂交换容量测定方法的研究

火电厂水处理技术学术交流会 2003.09 重庆
彭章华1 王广珠1 崔焕芳1 吴崇志2 汪祖喻2 杨明丰3
1国电热工研究院（陕西西安 710032）；2漂莱特(中国)有限公司(浙江德清 313200)；
3上海国电物资有限公司（上海 200063）
摘要丙烯酸系阴离子交换树脂是一种有着广泛的应用前景的新型离子交换树脂。由于丙烯酸系阴离子交换树脂同时含有强碱、弱碱和弱酸交换基团，交换容量测试极为不便。本文在一系列的试验结果的基础上提出了一套简单易行的试验方法，以供实际应用参考。
关键词丙烯酸系阴离子交换树脂交换容量测定方法

1. 前言
丙烯酸系阴离子交换树脂具有交换容量高、解吸有机物能力高等特点，有着广泛的应用前景。而在丙烯酸系阴离子交换树脂的生产过程中，胺解时会残留了部分酯基，在使用过程中受碱的作用会逐步水解为羧酸基 [1]，使得该树脂中同时含有强碱交换基团、弱碱交换基团和少量的弱酸交换基团。由于结构和性能存在差异，无法用现有的苯乙烯系阴离子交换树脂交换容量测定方法来直接测定。基于上述原因，必须另行研究新的测定方法。

2. 预处理及转基准型处理
目前测定阴离子交换树脂交换容量的方法中对强、弱型基团交换容量的界定都为条件值，对于同时含有强碱交换基团、弱碱交换基团和弱酸交换基团的丙烯酸系阴离子交换树脂而言，无论用酸或是碱处理树脂样品，其中必有盐型基团的存在，用纯水洗涤时，盐型基团会发生水解，也就无法制备单一离子型的待测样品。若采用ASTM方法(1+9氨水的pH值为11.5)处理，在转型过程中会洗脱丙烯酸系阴离子交换树脂中强碱基团上的Cl-，同时氨水与弱酸交换基团反应使得弱酸基团交换容量偏低。所以，本文中丙烯酸系阴离子交换树脂交换容量的测定规定处理条件为1mol/L氨-1mol/L氯化铵溶液（pH值为9.2~9.3）进行转基准型处理。

3. 方法原理
当基准型丙烯酸系阴离子交换树脂与中性盐（硫酸钠溶液）反应时，可根据滴定交换下来的氯离子含量计算出树脂的强碱基团交换容量。
其反应式为：

[IMG]http://photo.blogchina.com/data1/2005-7-22/000/155/146/58105/58105.jpg[/img]
当基准型丙烯酸系阴离子交换树脂与过量的一元酸（如盐酸）溶液反应时，可根据滴定未反应的酸量计算出弱碱基团交换容量。
其反应式为：

[IMG]http://photo.blogchina.com/data1/2005-7-22/000/155/146/58106/58106.jpg[/img]

当基准型丙烯酸系阴离子交换树脂与过量的一元碱（如氢氧化钠）溶液反应时，可根据滴定未反应的碱量和交换下来的氯离子含量计算出弱酸基团交换容量。
其反应式为：

[IMG]http://photo.blogchina.com/data1/2005-7-22/000/155/146/58107/58107.jpg[/img]
4. 条件试验
试验样品为收集到的丙烯酸系强碱性和弱碱性阴离子交换树脂，按确定的处理方法进行预处理及转型，然后进行条件试验。
4.1 强碱基团交换容量的测定
4.1.1 强碱基团交换容量的测定方法条件试验
根据试验机理，取约 1.0g的丙烯酸系阴离子交换树脂分别进行动静态和动态交换时间比较试验。试验结果见表1。
表1 丙烯酸系阴树脂强碱基团交换容量的测定方法条件试验结果（单位：mmol/g）

试验条件		强碱树脂		弱碱树脂
交换状态	时间 min	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
静态常温浸泡	20	1.05	3.68	0.22	0.59
	40	1.06	3.73	0.23	0.59
	60	1.06	3.72	0.22	0.58
	90	1.05	3.70	0.21	0.56
交换状态	流速 mL/min	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
动态动态交换	1	1.06	3.72	0.22	0.57
	2	1.07	3.75	0.22	0.58
	5	1.07	3.73	0.23	0.59

根据上述测试结果，可以看出：对于丙烯酸系阴离子交换树脂，常温下浸泡和动态交换所测得的强碱基团交换容量结果一致；40min~60min试验时间所得的结果也一致。为保证测试结果的稳定，选择试验条件为：常温浸泡60min后测定。
4.1.2 强碱基团交换容量的称样量条件试验
表2 丙烯酸系阴树脂强碱基团交换容量的称样量条件试验（单位：mmol/g）

称样量 (g)	强碱树脂		弱碱树脂
称样量 (g)	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
0.5	1.10	3.80	0.30	0.80
1.0	1.09	3.77	0.31	0.81
1.5	1.08	3.72	0.30	0.80

按上文确定的试验条件测得结果如表2所示。根据表中数据可以确定测定强碱基团交换容量时的称样量1.0g。
4.2 弱碱交换基团容量的测定
弱碱交换基团容量的测定方法条件试验
根据试验机理，分别进行交换时间和试验温度比较试验。试验结果见表3。
表3 丙烯酸系阴树脂弱碱交换基团容量的测定方法条件试验结果（单位：mmol/g）

试验条件		强碱树脂		弱碱树脂
交换状态	时间 h	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
常温浸泡	1	0.24	0.83	0.22	0.78
	2	0.24	0.84	0.22	0.79
	3	0.23	0.81	0.21	0.75
	6	0.23	0.79	0.22	0.77
交换状态	时间 h	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
40℃浸泡	1	2.19	5.73	2.46	6.45
	2	2.46	6.44	2.46	6.46
	3	2.47	6.48	2.48	6.51
	6	2.52	6.58	2.47	6.44

对于弱碱交换基团，常温下浸泡条件下所测得的丙烯酸系强碱阴离子交换树脂弱碱基团交换容量比40℃水浴中浸泡结果略高一些，弱碱丙烯酸系阴离子交换树脂的一致；试验时间上浸泡2~3h所得的结果一致。根据上述测试结果，为保证测试结果的稳定，选择试验条件为：常温下浸泡2h后进行测定。
4.2.2 弱碱交换基团容量的称样量条件试验
表4 丙烯酸系阴树脂弱碱交换基团容量的称样量条件试验

称样量 (g)	强碱树脂		弱碱树脂
称样量 (g)	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
0.5	0.12	0.42	2.22	5.85
1.0	0.14	0.49	2.22	5.85
1.5	0.14	0.49	2.17	5.75

按上文确定的试验条件测得结果如表4所示。根据表中数据可以确定测定弱碱基团交换容量时的称样量1.0g。
4.3 弱酸交换基团容量的测定
4.3.1 弱碱交换基团容量的测定方法条件试验
据试验机理，分别进行交换时间和试验温度比较试验。试验结果见表5。
表5 丙烯酸系阴树脂弱酸交换基团容量的测定方法条件试验结果（单位：mmol/g）

试验条件		强碱树脂		弱碱树脂
交换状态	时间 h	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
常温浸泡	1	-0.03	-0.11	0.18	0.46
	2	0.00	0.00	0.17	0.45
	3	0.03	0.10	0.18	0.48
	6	0.01	0.04	0.18	0.46
交换状态	时间 h	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
40 ℃浸泡	1	0.01	0.02	0.18	0.47
	2	0.03	0.09	0.17	0.45
	3	0.03	0.11	0.18	0.46
	6	0.00	0.01	0.19	0.49

对于弱酸交换基团，由于丙烯酸系强碱阴离子交换树脂样品中本身所含的弱酸交换基团比较少，常温浸泡条件下所测得的强碱阴树脂弱酸基团交换容量和40℃水浴中浸泡结果的误差都较大。弱碱阴树脂由于弱酸交换基团含量大，常温和40℃水浴条件下的测试结果一致。
丙烯酸系阴离子交换树脂在常温浸泡和40℃水浴浸泡条件下3h所得的结果一致。根据上述测试结果，本文选择试验条件为：常温下浸泡3h后进行测定。
4.3.2 弱酸交换基团容量的称样量条件试验
表6 丙烯酸系阴树脂弱酸交换基团容量的称样量条件试验（单位：mmol/g）

称样量 g	强碱树脂		弱碱树脂
称样量 g	湿基容量	干基容量	湿基容量	干基容量
2.0	0.01	0.04	0.20	0.52
2.5	0.01	0.04	0.20	0.53
3.0	0.02	0.05	0.21	0.56

按上文确定的试验条件测得结果如表6所示。根据表中数据可以确定测定弱酸基团交换容量时的称样量2.5g。

5. 室内重复性试验及结果
为了验证所确定的试验条件的重复性，选取两种树脂样品进行了室内试验，其结果见表7。
表7 室内试验汇总表

树脂牌号	序号	含水量	交换容量单位：mmol/g(干)
树脂牌号	序号	含水量	强碱基团	弱碱基团	弱酸基团
强碱性阴离子交换树脂	1	71.51	3.77	1.02	0.09
	2	71.19	3.77	0.72	0.21
	3	70.93	3.72	0.84	0.17
	4	70.94	3.70	0.78	0.07
	5	71.14	3.75	0.78	0.11
	6	70.72	3.70	0.89	0.07
	7	71.17	3.75	0.88	0.19
平均值		71.09	3.74	0.84	0.13
样本标准偏差σ _n-1		0.25	0.03	0.10	0.06
弱碱性阴离子交换树脂	1	61.84	0.57	5.88	0.51
	2	62.02	0.48	6.38	0.49
	3	61.94	0.49	6.13	0.45
	4	61.91	0.47	6.36	0.49
	5	61.98	0.47	6.37	0.50
	6	61.89	0.47	6.43	0.49
	7	61.94	0.49	6.24	0.43
平均值		61.93	0.49	6.26	0.48
样本标准偏差σ _n-1		0.06	0.04	0.19	0.03

从表中可知：两个样品各种基团交换容量的样本标准偏差都很小，重复性较好。

6. 结论
在本文所确定的预处理及转基准型态条件下，通过一系列验证和条件对比试验，得出以下结论：
含水量的测定按GB/T 5757《离子交换树脂含水量测定方法》进行。
强碱基团交换容量的测定条件为：称取1.0g丙烯酸系阴离子交换树脂样品，在常温下用100mL 0.5mol/L硫酸钠溶液浸泡1h后，用0.1mol/L硝酸银标准溶液以10%铬酸钾溶液为指示剂滴定交换下来的氯离子含量。通过计算得出强碱基团交换容量。
弱碱基团交换容量的测定条件为：称取1.0g丙烯酸系阴离子交换树脂样品，在常温下用100mL 0.1mol/L盐酸溶液浸泡2h后，用0.1mol/L氢氧化钠标准溶液滴定过量的酸。通过计算得出弱碱基团交换容量。
弱酸基团交换容量的测定条件为：称取2.5g丙烯酸系阴离子交换树脂样品，在常温下用100mL 0.1mol/L氢氧化钠溶液浸泡3h后，用0.1mol/L盐酸标准溶液滴定过量的酸，用0.1mol/L硝酸汞标准溶液交换下来的氯离子含量。通过计算得出弱酸基团交换容量。
本试验方法简单易行，标准偏差小，重复性好。
由于本试验方法所规定的基准型为条件值，因而在处理过程中应严格按规定的条件进行。

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