技術文章
Technical articles分析工作中需用的純水用量很大,必須注意節約用水、水質檢查和正確保存,勿使其受器皿和空氣等來源的污染,必要時裝蘇打-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的沸點不同,經過外加熱使所產生的水蒸氣經冷凝后制得。蒸餾法制得的蒸餾水,由于經過高溫處理,不易長霉;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。實驗室自制時可用電熱蒸餾水器,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蒸餾水,質量較差,必須先檢查后才能使用。
離子交換法可制得質量較高的純水——去離子水,一般是用自來水通過離子純水器制得,因未經高溫滅菌,往往容易長霉。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。
水通過交換樹脂獲得的純水稱離子交換水或去離子水。離子交換樹脂是一種不溶性的高分子化合物。組成樹脂的骨架部分具有網狀結構,對酸堿及一般溶劑相當穩定,而骨架上又有能與溶液中陽離子或陰離子進行交換的活性基團。在樹脂龐大的結構中,磺酸基(—SO3-H+)或季銨基[—CH2N+(CH3)3OH-,簡作==N+OH-]等是活性基團,其余的網狀結構是樹脂的骨架,可以用R表示。上述兩種樹脂的結構可簡寫為R—SO3H和R=NOH。當水流通過裝有離子交換樹脂的交換器時,水中的雜質離子被離子交換樹脂所截留。這是因為離子交換基中的H+或OH-與水中的雜質離子(如Na+、Ca2+、Cl-、 SO42-)交換,交換下來的H+和OH-結合為H2O,而雜質離子則被吸附在樹脂上,以陽離子Na+和陰離子Cl-為例,其化學反應式為:
上述離子反應是可逆的,當H+與OH-的濃度增加到一定程度時,反應向相反方向進行,這就是離子交換樹脂再生的原理。在純水制造中,通常采用強酸性陽離子交換樹脂(如國產732樹脂)和強堿性陰離子樹脂(如國產717樹脂)。新的商品樹脂一般是中性鹽型式的樹脂(常制成R—SO3Na和R=NCl等型式),性質較穩定,便于貯存。在使用之前必須進行凈化和轉型處理,使之轉化為所需的H+與OH-型和型樹脂。
離子交換樹脂的性能與活性基團和網狀骨架、樹脂的粒度和溫度、pH等有關。①活性基團越多,交換量越大。一般樹脂的交換容量為3~6mol·kg-1,干樹脂(離子型式)。活性基團和種類不同,能交換的離子基團也不同。②網狀骨架的網眼是由交聯劑形成的。例如上述苯乙烯系離子交換樹脂結構中的長碳鏈,是由若干個苯乙烯聚合而成。長鏈之間則用二乙烯苯交聯起來,二乙烯苯就是交聯劑。樹脂骨架中所含交聯劑的質量百分率就是交聯度。交聯度小時,樹脂的水溶性強,泡水后的膨脹性大,網狀結構的網眼大,交換速度快,大小離子都容易進入網眼,交換的選擇性低。反之,交聯度大時,則水溶性弱,網眼小,交換慢,大的離子不易進入,具有一定的選擇性。制備純水的樹脂,要求能除去多種離子,所以交聯度要適當小。但同時以要求樹脂難溶于水,以免沾污純水,所以交聯度雙要適當地大。實際選用時,交聯度以7%~12%為宜。③樹脂的粒度越小(顆粒越小),工作交換量(實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。制備純水用的樹脂粒度以在0.3~1.2mm(50~16目)之間為宜。④溫度過高或過低,對樹脂的強度和交換容量都有很大的影響。溫度降低時,樹脂的交換容量和機械強度都隨之降低;冷至≤0℃時,樹脂即凍結,并由于內部水分的膨脹而使樹脂破裂,從而影響壽命。溫度過高,則容易使樹脂的活性基團分解,從而影響樹脂的交換容量和使用壽命。一般陽離子樹脂的耐熱性高于陰離子樹脂;鹽型樹脂以Na型。水的pH對于樹脂活性基團的離解也有影響。因為H+與OH-離子是活性基團的解離產物。顯然pH下降將抑制陽離子樹脂活性基團的離解;pH上升,則抑制陰離子樹脂活性基團的離解。這種抑制作用對酸、堿性較強的樹脂的影響較小,對酸、堿性較弱的樹脂則影響較大。
中性鹽式的樹脂,性質較穩定,便于貯存,所以商品樹脂常制成R—SO3Na和R=NCl等型式。新樹脂使用時要先經凈化和“轉型”處理:用水和酒精洗去低聚物、色素、灰沙等雜質,分別裝入交換柱,用稀HCl和NaOH溶液分別浸洗陽、陰離子交換樹脂,使之轉化為H+與OH-樹脂,再用純水洗去過量的酸堿和生成的鹽。轉型后將各交換柱按照陽→陰→陽→陰的順序串聯起來。潔凈的天然水通過各柱,即得去離子水。樹脂使用老化后,就要分別用HCl和NaOH再生為H+與OH-型。再生的反應和轉型的反應相似,上述交換方法稱為復柱法。它的設備和樹脂再生處理都很簡單,便于推廣;串聯的柱數越多,所得去離子水的純度越高。它的缺點是,柱中的交換產物多少會引起逆反應,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、陰離子按1:1.5或1:2或1:3的比例(隨兩種樹脂交換能力的相對大小而定)混合裝在交換柱中,它相當于陽、陰離子交換柱的無限次串聯。一種樹脂的交換產物(例如HCl或Ca(OH)2等)可立即被另一種樹脂交換除去,整個系統的交換產物就是中性的水,因此交換作用更*,所得去離子水的純度也更高。但混合柱中兩種樹脂再生時,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脂浮升到陽離子交換樹脂上面,用水洗滌后,再在柱的上下兩層分別進行陽、陰離子交換樹脂的再生。也可以采用聯合法,即在“復柱”后面安裝一個“混合柱”,按照陽→陰→混的順序串聯各柱,則可純水,可以減少混合柱中樹脂分離和再生的次數。
關于新樹脂的預處理、純水器的裝置、樹脂的再生、純水的制備等操作細節,可查閱商品的說明書。