技術(shù)文章
Technical articles分析工作中需用的純水用量很大,必須注意節(jié)約用水、水質(zhì)檢查和正確保存,勿使其受器皿和空氣等來(lái)源的污染,必要時(shí)裝蘇打-石灰管防止CO2的溶解沾污。
純水的制備常用蒸餾法和離子交換法。蒸餾法是利用水與雜質(zhì)的沸點(diǎn)不同,經(jīng)過(guò)外加熱使所產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)冷凝后制得。蒸餾法制得的蒸餾水,由于經(jīng)過(guò)高溫處理,不易長(zhǎng)霉;但蒸餾器皿多為銅制或錫制,因此蒸餾水中難免有痕量的這些金屬離子存在。實(shí)驗(yàn)室自制時(shí)可用電熱蒸餾水器,出水量有5、10、20或50L/h等幾種,使用尚稱方便,但耗電較多,出水速度較小。工廠和浴室利用廢蒸汽所得的副產(chǎn)蒸餾水,質(zhì)量較差,必須先檢查后才能使用。
離子交換法可制得質(zhì)量較高的純水——去離子水,一般是用自來(lái)水通過(guò)離子純水器制得,因未經(jīng)高溫滅菌,往往容易長(zhǎng)霉。離子交換純水器可以自己裝置,各省市也有商品純水器供應(yīng)。
水通過(guò)交換樹(shù)脂獲得的純水稱離子交換水或去離子水。離子交換樹(shù)脂是一種不溶性的高分子化合物。組成樹(shù)脂的骨架部分具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)酸堿及一般溶劑相當(dāng)穩(wěn)定,而骨架上又有能與溶液中陽(yáng)離子或陰離子進(jìn)行交換的活性基團(tuán)。在樹(shù)脂龐大的結(jié)構(gòu)中,磺酸基(—SO3-H+)或季銨基[—CH2N+(CH3)3OH-,簡(jiǎn)作==N+OH-]等是活性基團(tuán),其余的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是樹(shù)脂的骨架,可以用R表示。上述兩種樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)寫(xiě)為R—SO3H和R=NOH。當(dāng)水流通過(guò)裝有離子交換樹(shù)脂的交換器時(shí),水中的雜質(zhì)離子被離子交換樹(shù)脂所截留。這是因?yàn)殡x子交換基中的H+或OH-與水中的雜質(zhì)離子(如Na+、Ca2+、Cl-、 SO42-)交換,交換下來(lái)的H+和OH-結(jié)合為H2O,而雜質(zhì)離子則被吸附在樹(shù)脂上,以陽(yáng)離子Na+和陰離子Cl-為例,其化學(xué)反應(yīng)式為:
上述離子反應(yīng)是可逆的,當(dāng)H+與OH-的濃度增加到一定程度時(shí),反應(yīng)向相反方向進(jìn)行,這就是離子交換樹(shù)脂再生的原理。在純水制造中,通常采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(如國(guó)產(chǎn)732樹(shù)脂)和強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂(如國(guó)產(chǎn)717樹(shù)脂)。新的商品樹(shù)脂一般是中性鹽型式的樹(shù)脂(常制成R—SO3Na和R=NCl等型式),性質(zhì)較穩(wěn)定,便于貯存。在使用之前必須進(jìn)行凈化和轉(zhuǎn)型處理,使之轉(zhuǎn)化為所需的H+與OH-型和型樹(shù)脂。
離子交換樹(shù)脂的性能與活性基團(tuán)和網(wǎng)狀骨架、樹(shù)脂的粒度和溫度、pH等有關(guān)。①活性基團(tuán)越多,交換量越大。一般樹(shù)脂的交換容量為3~6mol·kg-1,干樹(shù)脂(離子型式)?;钚曰鶊F(tuán)和種類(lèi)不同,能交換的離子基團(tuán)也不同。②網(wǎng)狀骨架的網(wǎng)眼是由交聯(lián)劑形成的。例如上述苯乙烯系離子交換樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)碳鏈,是由若干個(gè)苯乙烯聚合而成。長(zhǎng)鏈之間則用二乙烯苯交聯(lián)起來(lái),二乙烯苯就是交聯(lián)劑。樹(shù)脂骨架中所含交聯(lián)劑的質(zhì)量百分率就是交聯(lián)度。交聯(lián)度小時(shí),樹(shù)脂的水溶性強(qiáng),泡水后的膨脹性大,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)眼大,交換速度快,大小離子都容易進(jìn)入網(wǎng)眼,交換的選擇性低。反之,交聯(lián)度大時(shí),則水溶性弱,網(wǎng)眼小,交換慢,大的離子不易進(jìn)入,具有一定的選擇性。制備純水的樹(shù)脂,要求能除去多種離子,所以交聯(lián)度要適當(dāng)小。但同時(shí)以要求樹(shù)脂難溶于水,以免沾污純水,所以交聯(lián)度雙要適當(dāng)?shù)卮蟆?shí)際選用時(shí),交聯(lián)度以7%~12%為宜。③樹(shù)脂的粒度越?。w粒越小),工作交換量(實(shí)際上能交換離子的大量)越大,但在交換柱中充填越緊密,流速就越慢。制備純水用的樹(shù)脂粒度以在0.3~1.2mm(50~16目)之間為宜。④溫度過(guò)高或過(guò)低,對(duì)樹(shù)脂的強(qiáng)度和交換容量都有很大的影響。溫度降低時(shí),樹(shù)脂的交換容量和機(jī)械強(qiáng)度都隨之降低;冷至≤0℃時(shí),樹(shù)脂即凍結(jié),并由于內(nèi)部水分的膨脹而使樹(shù)脂破裂,從而影響壽命。溫度過(guò)高,則容易使樹(shù)脂的活性基團(tuán)分解,從而影響樹(shù)脂的交換容量和使用壽命。一般陽(yáng)離子樹(shù)脂的耐熱性高于陰離子樹(shù)脂;鹽型樹(shù)脂以Na型。水的pH對(duì)于樹(shù)脂活性基團(tuán)的離解也有影響。因?yàn)?/span>H+與OH-離子是活性基團(tuán)的解離產(chǎn)物。顯然pH下降將抑制陽(yáng)離子樹(shù)脂活性基團(tuán)的離解;pH上升,則抑制陰離子樹(shù)脂活性基團(tuán)的離解。這種抑制作用對(duì)酸、堿性較強(qiáng)的樹(shù)脂的影響較小,對(duì)酸、堿性較弱的樹(shù)脂則影響較大。
中性鹽式的樹(shù)脂,性質(zhì)較穩(wěn)定,便于貯存,所以商品樹(shù)脂常制成R—SO3Na和R=NCl等型式。新樹(shù)脂使用時(shí)要先經(jīng)凈化和“轉(zhuǎn)型”處理:用水和酒精洗去低聚物、色素、灰沙等雜質(zhì),分別裝入交換柱,用稀HCl和NaOH溶液分別浸洗陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂,使之轉(zhuǎn)化為H+與OH-樹(shù)脂,再用純水洗去過(guò)量的酸堿和生成的鹽。轉(zhuǎn)型后將各交換柱按照陽(yáng)→陰→陽(yáng)→陰的順序串聯(lián)起來(lái)。潔凈的天然水通過(guò)各柱,即得去離子水。樹(shù)脂使用老化后,就要分別用HCl和NaOH再生為H+與OH-型。再生的反應(yīng)和轉(zhuǎn)型的反應(yīng)相似,上述交換方法稱為復(fù)柱法。它的設(shè)備和樹(shù)脂再生處理都很簡(jiǎn)單,便于推廣;串聯(lián)的柱數(shù)越多,所得去離子水的純度越高。它的缺點(diǎn)是,柱中的交換產(chǎn)物多少會(huì)引起逆反應(yīng),制得水的純度不是很高。
制取純度很高的水,可采用混合柱法:將陽(yáng)、陰離子按1:1.5或1:2或1:3的比例(隨兩種樹(shù)脂交換能力的相對(duì)大小而定)混合裝在交換柱中,它相當(dāng)于陽(yáng)、陰離子交換柱的無(wú)限次串聯(lián)。一種樹(shù)脂的交換產(chǎn)物(例如HCl或Ca(OH)2等)可立即被另一種樹(shù)脂交換除去,整個(gè)系統(tǒng)的交換產(chǎn)物就是中性的水,因此交換作用更*,所得去離子水的純度也更高。但混合柱中兩種樹(shù)脂再生時(shí),需要先用較濃的NaOH或HCl溶液逆流沖洗,使比重較小的陰離子交換樹(shù)脂浮升到陽(yáng)離子交換樹(shù)脂上面,用水洗滌后,再在柱的上下兩層分別進(jìn)行陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂的再生。也可以采用聯(lián)合法,即在“復(fù)柱”后面安裝一個(gè)“混合柱”,按照陽(yáng)→陰→混的順序串聯(lián)各柱,則可純水,可以減少混合柱中樹(shù)脂分離和再生的次數(shù)。
關(guān)于新樹(shù)脂的預(yù)處理、純水器的裝置、樹(shù)脂的再生、純水的制備等操作細(xì)節(jié),可查閱商品的說(shuō)明書(shū)。
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