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摘要：离子交换树脂在水处理、食品工业、制药、合成化学、环境保护等领域运用广泛，其中水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，主要运用于火力发电厂、原子能、半导体、电子工业等纯水处理上，以下主要以半导体行业超纯水的制备来介绍离子交换树脂的运用。
关键词：离子交换树脂;交换原理;树脂再生
1离子交换树脂介绍
离子交换树脂（Ion Exchange Resin）是一种高分子量，带有官能性基团（有交换离子的活性基团）的多聚物，结构呈网状的不溶性高分子化合物，通常为球形颗粒物。离子交换树脂可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。
2离子交换设备及工作原理
在半导体行业中制备纯水的工艺中，由于水量较大，水质对于电导率、Si及B的指标很低，树脂交换是常用的处理工艺;常分成两个阶段：预处理阶段和精处理阶段。
2.1阳床（H Tower）
阳床作为阳离子树脂交换的场所，内部重要结构主要由进水散水管、集水板、上层CC2型BD水帽和下层BD水帽组成，结构如下图1;塔体常采用碳钢内衬胶以达到防腐的作用，树脂装填分上下两层，上层水帽安装完成后装填少量体积的阳离子树脂作为惰性树脂，下层安装完成水帽后，装填约10公分厚度的玻璃球作为承托层，然后装填强酸性阳离子树脂;下层为树脂离子交换的主要场所，当离子交换过程进行时，部分树脂发生破碎产生损耗，上层树脂可通过旁侧连通管阀门控制为下层树脂进行补充，以调节下层树脂的填充率，达到长期的交换效果。
2.2阴床（OH Tower）
阴床为阴离子树脂交换的场所，内部同样主要由进水散水管、集水板以及上中下三層水帽组成，结构如图2所示，阴床也常采用碳钢内衬胶结构，阴树脂装填分三层进行，上层水帽安装检查完毕后装填少量体积的阴离子树脂作为惰性树脂，为后续的损伤的树脂进行补充，中层充填强碱性阴离子树脂，下层充填一定体积弱碱型阴离子树脂，中层和下层作为阴离子交换的主要场所进行交换反应。
2.3混床（Mixed Bed）
混床是针对离子交换技术设计的另外一种设备，主要用于降低水中的碱度和硬度，使其成为软化水或者去离子水;混床将一定比例的阳、阴离子交换树脂混合装填于同一交换装置中，对水中的阴、阳离子进行交换去除，一般混床的树脂装填比例为1：2或者1：1.5，由于阳树脂比重大于阴树脂，所以混床中阴树脂在上阳树脂在下;混床一般设置在电渗析器或者RO之后，对谁进一步进行脱盐处理，混床具有出水水质优良，出水接近中性，回收率高等优点;混床外壳常采用优质304不锈钢或者碳钢内衬胶制造，内部主要由进水散水管、进药分散器、BD型水帽及集水板等组成。
3树脂的再生过程和原理
随着处理水量的加大，树脂交换逐渐饱和，当树脂工作交换容量降低时，处理能力降低，而离子交换树脂最大的特点是失效后可以通过再生而进行反复使用，这也大大的降低了水处理的成本[2]。
3.1再生过程和原理
树脂失效后再生的方式有多种，大致可分为静态再生和动态再生两类，静态再生是在容器内用酸碱药剂浸泡树脂，使之恢复到原来的工作状态，可分为体内再生和体外再生;动态再生是使用酸碱药剂反复进行冲洗进行，有顺流再生、逆流再生以及对流再生三种方式，顺流再生过程酸碱药液进入方向与交换时工作水流的方向一致，自上而下的再生方式是上层部分的树脂再生程度高，越往下层再生程度越低，这种再生方式导致酸碱药液的利用效率降低，进而导致处理水质不好。
3.1.1阳、阴床再生
阳床和阴床再生的步骤相同，只是所用的再生液、再生流量和再生液浓度不同，其再生的操作步骤分为产水降流、反冲洗、逆流再生和正冲洗。
3.1.2混床再生
混床再生主要是进行分步处理，先将已失效的混床用水进行反洗，由于阴离子交换树脂较轻而上浮与阳离子交换树脂分开，进行阴离子树脂再生时，NaOH再生剂从混床上部加入，再生废液从阴阳树脂分解面的排液管排出，为了避免NaOH向下进入阳树脂层，从上部加入再生剂的同时，用原水从下往上通过阳树脂层作为支持层;在进行阳离子交换树脂再生时，HC1再生剂从从底部加入，废酸再生液同样在阴阳离子交换树脂分界面排出，同时从混床上部通入一定量的纯水，在分别再生结束后，混床上下同时通入纯水清洗树脂;最后通入氮气将两种树脂进行充分混合，抛光床一般不进行再生，而是每隔几年失效后进行树脂更换。
3.1.3影响再生的因素
通常离子树脂再生的效率受到再生剂的选择、用量、流速以及再生剂温度的影响
3.1.3.1再生剂的选择
再生剂主要有阳离子树脂再生剂和阴离子再生剂，阳离子树脂再生剂主要有HC1溶液、H2SO4溶液、HNO3溶液，阴离子树脂再生剂主要有NaOH溶液和碱性NaC1浓液等。
3.1.3.2再生剂用量
理论上分析，再生剂的用量与树脂工作交换容量相当，但由于交换反应是可逆的，再生剂用量需要远远超过理论用量才能满足再生要求，再生剂的用量增加可以提高交换树脂的再生程度，但增加一定程度后，再生程度提高很少，所以过多的再生剂的用量是不经济的，实际再生过程中再生剂的用量为理论计算量的3～4倍，树脂的工作交换容量可以恢复到原来的70%～80%。
3.1.3.3再生剂流速
再生剂适合控制在保证再生反应充分的流速，流速的选择主要取决于离子的扩散速度，同时与离子的价态有关，一般离子的价态越高，需要反应的时间越长，加快再生剂的流速有利于离子的扩散，但减少了再生剂与树脂的接触时间，再生效果反而可能降低，流速太小则不利于离子扩散，再生效果也会受到影响。
3.1.3.4再生剂的温度
提高再生剂的温度，能同时加快离子的内扩散和外扩散，提升温度同时能大大改善对树脂中铁、铜以及其氧化物和硅杂质的清除程度，但由于树脂的热稳定性的限制，再生剂的温度不宜过高，所以再生剂的温度一般控制在25～40℃最为适合。
参考文献：
[1]闻瑞梅，王在忠主编.《高纯水的制备及检测技术》 科学出版社.
[2]徐兵华，徐爱春，杜喜波编.《复床树脂再生操作工艺优化》 河南化工.
（作者单位：江苏中电创新环境科技有限公司）
关键词：离子交换树脂;交换原理;树脂再生
1离子交换树脂介绍
离子交换树脂（Ion Exchange Resin）是一种高分子量，带有官能性基团（有交换离子的活性基团）的多聚物，结构呈网状的不溶性高分子化合物，通常为球形颗粒物。离子交换树脂可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。
2离子交换设备及工作原理
在半导体行业中制备纯水的工艺中，由于水量较大，水质对于电导率、Si及B的指标很低，树脂交换是常用的处理工艺;常分成两个阶段：预处理阶段和精处理阶段。
2.1阳床（H Tower）
阳床作为阳离子树脂交换的场所，内部重要结构主要由进水散水管、集水板、上层CC2型BD水帽和下层BD水帽组成，结构如下图1;塔体常采用碳钢内衬胶以达到防腐的作用，树脂装填分上下两层，上层水帽安装完成后装填少量体积的阳离子树脂作为惰性树脂，下层安装完成水帽后，装填约10公分厚度的玻璃球作为承托层，然后装填强酸性阳离子树脂;下层为树脂离子交换的主要场所，当离子交换过程进行时，部分树脂发生破碎产生损耗，上层树脂可通过旁侧连通管阀门控制为下层树脂进行补充，以调节下层树脂的填充率，达到长期的交换效果。
2.2阴床（OH Tower）
阴床为阴离子树脂交换的场所，内部同样主要由进水散水管、集水板以及上中下三層水帽组成，结构如图2所示，阴床也常采用碳钢内衬胶结构，阴树脂装填分三层进行，上层水帽安装检查完毕后装填少量体积的阴离子树脂作为惰性树脂，为后续的损伤的树脂进行补充，中层充填强碱性阴离子树脂，下层充填一定体积弱碱型阴离子树脂，中层和下层作为阴离子交换的主要场所进行交换反应。
2.3混床（Mixed Bed）
混床是针对离子交换技术设计的另外一种设备，主要用于降低水中的碱度和硬度，使其成为软化水或者去离子水;混床将一定比例的阳、阴离子交换树脂混合装填于同一交换装置中，对水中的阴、阳离子进行交换去除，一般混床的树脂装填比例为1：2或者1：1.5，由于阳树脂比重大于阴树脂，所以混床中阴树脂在上阳树脂在下;混床一般设置在电渗析器或者RO之后，对谁进一步进行脱盐处理，混床具有出水水质优良，出水接近中性，回收率高等优点;混床外壳常采用优质304不锈钢或者碳钢内衬胶制造，内部主要由进水散水管、进药分散器、BD型水帽及集水板等组成。
3树脂的再生过程和原理
随着处理水量的加大，树脂交换逐渐饱和，当树脂工作交换容量降低时，处理能力降低，而离子交换树脂最大的特点是失效后可以通过再生而进行反复使用，这也大大的降低了水处理的成本[2]。
3.1再生过程和原理
树脂失效后再生的方式有多种，大致可分为静态再生和动态再生两类，静态再生是在容器内用酸碱药剂浸泡树脂，使之恢复到原来的工作状态，可分为体内再生和体外再生;动态再生是使用酸碱药剂反复进行冲洗进行，有顺流再生、逆流再生以及对流再生三种方式，顺流再生过程酸碱药液进入方向与交换时工作水流的方向一致，自上而下的再生方式是上层部分的树脂再生程度高，越往下层再生程度越低，这种再生方式导致酸碱药液的利用效率降低，进而导致处理水质不好。
3.1.1阳、阴床再生
阳床和阴床再生的步骤相同，只是所用的再生液、再生流量和再生液浓度不同，其再生的操作步骤分为产水降流、反冲洗、逆流再生和正冲洗。
3.1.2混床再生
混床再生主要是进行分步处理，先将已失效的混床用水进行反洗，由于阴离子交换树脂较轻而上浮与阳离子交换树脂分开，进行阴离子树脂再生时，NaOH再生剂从混床上部加入，再生废液从阴阳树脂分解面的排液管排出，为了避免NaOH向下进入阳树脂层，从上部加入再生剂的同时，用原水从下往上通过阳树脂层作为支持层;在进行阳离子交换树脂再生时，HC1再生剂从从底部加入，废酸再生液同样在阴阳离子交换树脂分界面排出，同时从混床上部通入一定量的纯水，在分别再生结束后，混床上下同时通入纯水清洗树脂;最后通入氮气将两种树脂进行充分混合，抛光床一般不进行再生，而是每隔几年失效后进行树脂更换。
3.1.3影响再生的因素
通常离子树脂再生的效率受到再生剂的选择、用量、流速以及再生剂温度的影响
3.1.3.1再生剂的选择
再生剂主要有阳离子树脂再生剂和阴离子再生剂，阳离子树脂再生剂主要有HC1溶液、H2SO4溶液、HNO3溶液，阴离子树脂再生剂主要有NaOH溶液和碱性NaC1浓液等。
3.1.3.2再生剂用量
理论上分析，再生剂的用量与树脂工作交换容量相当，但由于交换反应是可逆的，再生剂用量需要远远超过理论用量才能满足再生要求，再生剂的用量增加可以提高交换树脂的再生程度，但增加一定程度后，再生程度提高很少，所以过多的再生剂的用量是不经济的，实际再生过程中再生剂的用量为理论计算量的3～4倍，树脂的工作交换容量可以恢复到原来的70%～80%。
3.1.3.3再生剂流速
再生剂适合控制在保证再生反应充分的流速，流速的选择主要取决于离子的扩散速度，同时与离子的价态有关，一般离子的价态越高，需要反应的时间越长，加快再生剂的流速有利于离子的扩散，但减少了再生剂与树脂的接触时间，再生效果反而可能降低，流速太小则不利于离子扩散，再生效果也会受到影响。
3.1.3.4再生剂的温度
提高再生剂的温度，能同时加快离子的内扩散和外扩散，提升温度同时能大大改善对树脂中铁、铜以及其氧化物和硅杂质的清除程度，但由于树脂的热稳定性的限制，再生剂的温度不宜过高，所以再生剂的温度一般控制在25～40℃最为适合。
参考文献：
[1]闻瑞梅，王在忠主编.《高纯水的制备及检测技术》 科学出版社.
[2]徐兵华，徐爱春，杜喜波编.《复床树脂再生操作工艺优化》 河南化工.
（作者单位：江苏中电创新环境科技有限公司）