再生离子交换树脂主要物理及力学特性试验研究

郭选英， 王秀玲， 孙东坡

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)



再生离子交换树脂主要物理及力学特性试验研究

郭选英， 王秀玲， 孙东坡

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

为系统、全面地了解再生离子交换树脂模型沙的主要物理及力学特性，参照河流泥沙动力学、土力学相关知识和规范，采用模型沙粒度分析、量筒、玻璃水槽试验及室内土力学试验等方法，对其粒径级配、膨胀率、密度、干密度、起动流速、水下休止角、抗剪特性等进行了试验研究。得到如下结论：①原状再生离子交换树脂密度为1.234 t/m3，直径为1.0～1.2 mm，经机械粉碎后可测得的最小粒径为0.005 mm；②原状再生离子交换树脂在水中的膨胀率为5.1%，膨胀性较强；③量筒法测得中值粒径d50=0.100～0.370 mm的再生离子交换树脂的干密度值基本稳定在0.540 m3/t左右，但在有压条件下或淤积时间过长时，其干密度值有较大幅度的增加，其中d50=0.100 mm的再生离子交换树脂的起动流速随淤积时间的延长有较明显的增加，不利于长周期的试验；④d50=0.100～0.370 mm的再生离子交换树脂的水下休止角为11°00′00″～33°10′00″，与天然沙的水下休止角值接近；⑤d50=0.100～0.270 mm的再生离子交换树脂在1 m高水压条件下固结24 h后，其黏结力为1.44～3.24 kPa，内摩擦角为14.49°～27.55°，树脂颗粒间黏性较小，淤积体的凝聚主要依靠摩擦阻力的作用。

再生离子交换树脂；物理特性；力学特性；试验研究

1 国内外研究现状

离子交换树脂起源于1935年A.Aadms和E.L.Holmeb等合成的多价苯酚类与甲醛的缩聚物[1]。虽然我国自改革开放以后才开始重视离子交换树脂这门学科的研究，但是经过半个多世纪的发展，我国在常规离子交换树脂的制造和应用技术方面的研究已较为成熟，水平与国外相当。对于离子交换树脂的分类，最基本的方法是根据离子交换树脂所带活性基团的性质不同进行分类，可分为强酸阳离子、弱酸阳离子、强碱阴离子、弱碱阴离子、鳌合性、两性及氧化还原等类。近年来又出现了反常规均粒混床树脂、两性功能基团离子交换树脂等新型树脂[2]。

最初，离子交换树脂被广泛应用于电力、食品、医药卫生、石油化工、电子、冶金和环保等多个领域。近年来，鉴于其密度小、性能稳定、干净卫生、可重复利用等特点，被各大科研院校和单位用作物理模型试验中的模型沙[3]。由于再生离子交换树脂除在较高程度上保持了原有离子交换树脂的性质[4]外，还具有更高的性价比，因此得到了更加广泛的使用。

目前，对离子交换树脂模型沙物理特性及力学特性的系统性研究较少，且研究对象多为新树脂[5]或经改造的新型树脂[6]，对再生离子交换树脂的相关研究还未见报道。为此，笔者选择山东省某污水处理厂经还原处理后的再生离子交换树脂为研究对象，对其主要物理特性和力学特性进行试验研究。

2 主要物理特性

2.1 基本物理特性

原状再生离子交换树脂颗粒为半透明至不透明的不规则球状，表面光滑，粒径较不均匀，直径为1.0～1.2 mm，颜色为深褐色或红褐色，无特殊气味。经机械粉碎后呈不规则状或粉末状，色泽浅黄并泛白，接近天然沙的颜色。

2.2 粒径级配

为扩大再生离子交换树脂的粒径范围，以满足不同物理模型试验对模型沙粒径的要求，使用4种不同型号的粉碎机对原状再生离子交换树脂颗粒进行了粉碎，并分析了粉碎后试样的粒度分布情况。

粉碎过程中，DC-350型高速多功能粉碎机单次粉碎量少，耗时长，而800型高速粉碎机对试样粉碎1遍时，可测得的最小粒径已达0.005 mm。考虑到长时间粉碎工作对工人身体健康的不利影响，使DC-350型、800型这2种粉碎机对试样进行1次粉碎，HK-250+万能粉碎机和350型高速粉碎机分别对试样进行2次粉碎。由于不同型号粉碎机粉碎后的再生离子交换树脂的粒径差别较大，参照相关规范要求[7]，分别选择筛分法和消光法对不同粒径范围的再生离子交换树脂进行粒度分析，试验仪器为符合规范要求[8]的标准编织试验筛和LK-2型光电颗分仪，筛分结果见表1并如图1所示。

表1 再生离子交换树脂粉碎程度及颗分结果

图1 不同粉碎程度再生离子交换树脂颗粒级配曲线

由表1和图1可知，再生离子交换树脂经粉碎后，中值粒径为0.030～0.300 mm，可测得的最小粒径为0.005 mm，此值已非常接近天然沙中黏性沙(粒径小于0.004 mm)的粒径，在模型试验中可以用作模拟黏性淤积物。

2.3 膨胀性

再生离子交换树脂具有一定的吸水膨胀性，在模型试验中模型沙吸水膨胀将导致模型淤积体体积值较理论值大，使试验结果产生偏差，因此有必要对其膨胀率进行测定。

试验中对再生离子交换树脂膨胀率的测定方法选择量筒法。具体测定步骤如下：①取一定量原状再生离子交换树脂颗粒于1 000 mL量筒中加水并充分搅拌后静置；②待量筒内形成明显水沙分界面时开始计时，并定时记录该水沙分界面的刻度变化，精确到0.1 mL；③直至前后2次读数差值小于0.2 mL时，该模型沙则达到膨胀稳定；④根据式(1)计算该沙样的膨胀率，精确到1.0%。

(1)

式中：δ为试样膨胀率，%；Vw0为试样膨胀后体积，mL；V0为试样初始体积，mL。

经3次平行测定发现，再生离子交换树脂在最初遇水几十秒内迅速膨胀，直至720s左右膨胀稳定，各试样的膨胀率结果见表2，最终计算得再生离子交换树脂膨胀率平均值为5.1%。

表2 试验测定的再生离子交换树脂试样的膨胀率

2.4 密度及干密度

2.4.1 密度

密度是试样实有重量与实有体积的比值，符号为γ,国际单位为N/m3,工程界习惯以t/m3为单位，其数值等于比重[9]。使用量筒法测定的原状再生离子交换树脂密度的具体结果见表3。由表3可知，再生离子交换树脂密度的均值为1.234 t/m3。

表3 试验测定的再生离子交换树脂试样的密度

2.4.2 干密度

试样烘干后，其重量与烘干前试样总体积的比值为试样的干密度，用γ0表示，常用单位为t/m3、kg/m3、g/cm3[9]。为研究再生离子交换树脂干密度与各主要影响因素间的关系，分别选用量筒法和环刀法测定其干密度。

2.4.2.1 量筒法

将烘干后试样的重量除以量筒中淤积体在不同时刻的体积，即可得该试样对应时刻的干密度以及淤积稳定时的干密度[10]。经测定，d50为0.100、0.220、0.270 mm的再生离子交换树脂的干密度值最终分别稳定在0.56、0.54、0.53 t/m3，随中值粒径d50的增大，其干密度值略有减小，具体测定结果见表4。

表4 量筒法测定的再生离子交换树脂试样的干密度 t/m3

2.4.2.2 环刀法

用环刀法测定试样干密度时，首先需将试样在一定条件下进行淤积固结，之后使用环刀对淤积体进行原状取样，并测定其干密度。试验中分别测定了无水压条件下不同埋藏深度、不同淤积历时的淤积物的干密度，以及1 m高水压条件下固结24 h后表层淤积物的干密度，以便分析再生离子交换树脂的干密度与埋深、淤积历时以及淤积体上覆水压力之间的关系，测定结果见表5—7。

表5 无压条件下不同埋藏深度淤积物的干密度 t/m3

表6 无压条件下不同固结时间的淤积物的干密度 t/m3

表7 1 m高水压条件下固结24 h表层淤积物的干密度

表5—7显示，再生离子交换树脂干密度随埋藏深度的增加、固结时间的延长和淤积体上覆水压力的增大而增大，这与天然沙的相关研究成果相符[11]。对比3种因素(埋藏深度、淤积时间、淤积体上覆水压力)对淤积体干密度的影响程度发现，淤积体上覆水压力对其干密度的影响较其他2

种因素显著，如d50=0.270 mm的再生离子交换树脂在1 m高水压下固结24 h，其干密度为0.488 t/m3，与无水压条件下固结72 h的干密度(0.482 t/m3)相当。

对比量筒法及环刀法所测得的试样干密度的结果(表8)知，量筒法测得d50=0.100～0.27 mm的再生离子交换树脂的干密度基本稳定在0.540 t/m3左右；环刀法测得的再生离子交换树脂的干密度随试样所承受压力值的增大及淤积时间的延长有较明显的增加，变化范围为0.436～0.616 t/m3，这一特点不利于再生离子交换树脂在长周期的物理模型试验中使用。

表8 2种方法测定的再生离子交换树脂的干密度结果对比 t/m3

3 主要力学特性

3.1 水下休止角

由于摩擦力的作用，试样在静水中可以堆积成具有一定角度的稳定倾斜面而不至塌落，此倾斜面与水平面的夹角即为试样的水下休止角。试验中采用自然落淤法测定不同中值粒径的再生离子交换树脂的水下休止角，取3次平行测定值的平均值作为水下休止角的最终取值，结果见表9。

表9 试验测定的再生离子交换树脂的水下休止角

表9显示，d50=0.100～0.370 mm的再生离子交换树脂水下休止角随中值粒径d50的增大而减小，d50=0.370 mm时，水下休止角最小,其值为11°00′00″，d50=0.100 mm时试验测定的水下休止角最大，其值为33°10′00″，与天然沙的水下休止角接近[12]。

3.2 起动流速

起动流速的测定在宽30 cm、高50 cm、长17 m的玻璃水槽内进行，使用多通道红外旋桨流速仪测定起动流速。试样起动临界状态的判定参照Kramer提出的少量起动标准[12]，即纵向床面上出现少数泥沙的间隙运动,并有一定的连续性。试样起动时的状态用肉眼观察，即用一定角度的强光照射，从水槽侧壁用肉眼观察床面泥沙的运动情况[13]。试验结果见表10—12，并如图2所示。

表10 再生离子交换树脂未固结状态的起动流速

表11 再生离子交换树脂固结24 h后的起动流速

表12 再生离子交换树脂固结6 d后的起动流速

由表10—12及图2可以看出，中值粒径d50=0.100 mm的再生离子交换树脂起动流速随试样在水下的淤积时间的延长以及水槽内水深的增加而明显地增大，最大起动流速为24.67 cm/s，最小起动流速为10 cm/s。

图2 再生离子交换树脂起动流速变化曲线

3.3 抗剪特性

内摩擦角和黏结力作为表示淤积体抗剪特性的2个重要指标，在水库冲刷方面有着广泛的应用，是研究水库进水塔防淤堵的关键因子[14]。为研究再生离子交换树脂的抗剪特性，首先将不同中值粒径的再生离子交换树脂进行淤积固结(固结时淤积体上覆水体高度为1 m，固结时间为24 h)。之后使用环刀对淤积体进行取样，并按照相关规范要求[15]对所取试样进行直接剪切试验，将试验结果绘制成τ-p曲线，如图3所示。

图3 不同中值粒径的再生离子交换树脂τ-p曲线

根据库仑定律[16]，用式(2)计算试样的内摩擦角和黏结力(式(2))，结果见表13。

τ=σtanφ+C。

(2)

式中：τ为土体抗剪强度，kPa；σ为直剪试验中土体所受法向压力，kPa；φ为内摩擦角，(°)；C为黏结力，kPa。

表13 再生离子交换树脂的内摩擦角及黏结力的测定值

表13显示，再生离子交换树脂的内摩擦角和黏结力均随中值粒径d50的增大而减小，即在同样的淤积固结条件下，粒径越小、颗粒越细的再生离子交换树脂黏结程度越高，越不容易发生剪切破坏。d50=0.100～0.270 mm的再生离子交换树脂在1 m高水压条件下固结24 h后的黏结力为1.44～3.24 kPa，内摩擦角为14.49°～27.55°。虽然颗粒间黏结力较小，但由于内摩擦角大，颗粒间具有较强的摩擦阻力[16]，使得淤积体不易发生剪切破坏，实际试验过程中可参考相似材料配制的原理[17]，对再生离子交换树脂的抗剪特性进行调整。

4 结语

1)原状再生离子交换树脂颗粒为半透明至不透明的不规则球状，直径为1.000～1.200 mm，颜色为深褐色或红褐色，无特殊气味，密度为1.234 t/m3，在水中的膨胀率为5.1%，大于其他模型沙的膨胀率，使用时应予以注意。经4种不同型号的粉碎机粉碎后，可测得的再生粒子交换树脂最小粒径为0.005 mm，呈黄色泛白的粉末状，中值粒径d50为0.030～0.370 mm。

2)量筒法测得d50=0.100～0.370 mm的再生离子交换树脂的干密度值基本稳定在0.540 t/m3左右；当再生离子交换树脂在有压环境下固结一段时间后，其干密度及起动流速均有明显的增大，其中d50=0.100 mm的再生离子交换树脂在离子交换固结6 d后，其起动流速由10 cm/s增长到24.67 cm/s，以上现象均不利于长周期的试验。

3)d50=0.100～0.370 mm的再生离子交换树脂的水下休止角随中值粒径d50的增大而减小，其值为11°00′00″～33°10′00″，与天然沙的水下休止角值接近，在模型试验中易满足淤积体与原型沙形态相似的要求。

4)d50=0.100～0.27 mm的再生离子交换树脂在 1 m高水压条件下固结24 h后的黏结力与内摩擦角均随中值粒径d50的增大而减小。其中，黏结力为1.44～3.24 kPa、内摩擦角为14.49°～27.55 °，颗粒间黏性较小，淤积体的凝聚主要依靠摩擦阻力的作用。

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(责任编辑：杜明侠)

Experimental Study on Main Physical and Mechanical Properties of Regenerated Ion-exchange Resin

GUO Xuanying, WANG Xiuling, SUN Dongpo

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In order to know the main physical and mechanical properties of regenerated ion-exchange resin integrally, referring to the relevant knowledge and specification of river sediment dynamics and soil dynamics, its particle size distribution, expansion ratio, density, dry density, starting velocity, underwater repose angle and shear strength were studied by the methods of particle size analysis of model sediments, measuring cylinder, glass-flume experiment and indoor experiment of soil dynamics. The results and conclusions are as follows: ①The density of regenerated ion-exchange resin in primary form is 1.234 t/m3, and the diameter of the resin is 1.0～1.2 mm, the minimum particle size is 0.005 mm after mechanical smash;②The regenerated ion-exchange resin in primary form has a large expansion ratio, which is 5.1%; ③When the particle sized50is 0.100～0.370 mm, the dry density of the regenerated ion-exchange resin steadies at about 0.540 t/m3measured by cylinder method, while the dry density will significantly increase when there is a pressure or a longer deposit time, and the starting velocity of the regenerated ion-exchange resin will increase when the particle sized50is 0.100～0.370 mm and it has a longer deposit time, so a long period experiment is not good; ④The underwater repose angle of the regenerated ion-exchange resin is 11°00′00″33°～10′00″ when the particle sized50is 0.100～0.370 mm which is close to that of natural sand; ⑤When the particle sized50is 0.100～0.270 mm, the cohesive force and internal friction angle of regenerated ion-exchange resin is respectively 1.44～3.24 kPa and 14.49～27.55° after consolidating 24 hours under a water pressure of 1 meter high, the cohesive force between the particles is smaller, and the cohesion of the deposit mainly depends on the frictional resistance.

regenerated ion-exchange resin; physical properties; mechanical properties; experimental research

2016-10-15

国家自然科学基金重点项目(51579103)。

郭选英(1963—),女,河南汤阴人,教授级高级工程师,从事泥沙利用技术、水土保持及环境保护方面的研究。E-mail:guoxuanying@126.com。 通信作者：王秀玲(1990—),女，河南濮阳人，硕士研究生，从事泥沙特性方面的研究。E-mail:907264399@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.016

TV131

A

1002-5634(2017)02-0082-06