再生離子交換樹(shù)脂主要物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究

郭選英， 王秀玲， 孫東坡

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

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再生離子交換樹(shù)脂主要物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究

郭選英， 王秀玲， 孫東坡

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

為系統(tǒng)、全面地了解再生離子交換樹(shù)脂模型沙的主要物理及力學(xué)特性，參照河流泥沙動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)相關(guān)知識(shí)和規(guī)范，采用模型沙粒度分析、量筒、玻璃水槽試驗(yàn)及室內(nèi)土力學(xué)試驗(yàn)等方法，對(duì)其粒徑級(jí)配、膨脹率、密度、干密度、起動(dòng)流速、水下休止角、抗剪特性等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得到如下結(jié)論：①原狀再生離子交換樹(shù)脂密度為1.234 t/m3，直徑為1.0～1.2 mm，經(jīng)機(jī)械粉碎后可測(cè)得的最小粒徑為0.005 mm；②原狀再生離子交換樹(shù)脂在水中的膨脹率為5.1%，膨脹性較強(qiáng)；③量筒法測(cè)得中值粒徑d50=0.100～0.370 mm的再生離子交換樹(shù)脂的干密度值基本穩(wěn)定在0.540 m3/t左右，但在有壓條件下或淤積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，其干密度值有較大幅度的增加，其中d50=0.100 mm的再生離子交換樹(shù)脂的起動(dòng)流速隨淤積時(shí)間的延長(zhǎng)有較明顯的增加，不利于長(zhǎng)周期的試驗(yàn)；④d50=0.100～0.370 mm的再生離子交換樹(shù)脂的水下休止角為11°00′00″～33°10′00″，與天然沙的水下休止角值接近；⑤d50=0.100～0.270 mm的再生離子交換樹(shù)脂在1 m高水壓條件下固結(jié)24 h后，其黏結(jié)力為1.44～3.24 kPa，內(nèi)摩擦角為14.49°～27.55°，樹(shù)脂顆粒間黏性較小，淤積體的凝聚主要依靠摩擦阻力的作用。

再生離子交換樹(shù)脂；物理特性；力學(xué)特性；試驗(yàn)研究

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

離子交換樹(shù)脂起源于1935年A.Aadms和E.L.Holmeb等合成的多價(jià)苯酚類與甲醛的縮聚物[1]。雖然我國(guó)自改革開(kāi)放以后才開(kāi)始重視離子交換樹(shù)脂這門(mén)學(xué)科的研究，但是經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)在常規(guī)離子交換樹(shù)脂的制造和應(yīng)用技術(shù)方面的研究已較為成熟，水平與國(guó)外相當(dāng)。對(duì)于離子交換樹(shù)脂的分類，最基本的方法是根據(jù)離子交換樹(shù)脂所帶活性基團(tuán)的性質(zhì)不同進(jìn)行分類，可分為強(qiáng)酸陽(yáng)離子、弱酸陽(yáng)離子、強(qiáng)堿陰離子、弱堿陰離子、鰲合性、兩性及氧化還原等類。近年來(lái)又出現(xiàn)了反常規(guī)均?；齑矘?shù)脂、兩性功能基團(tuán)離子交換樹(shù)脂等新型樹(shù)脂[2]。

最初，離子交換樹(shù)脂被廣泛應(yīng)用于電力、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、石油化工、電子、冶金和環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，鑒于其密度小、性能穩(wěn)定、干凈衛(wèi)生、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，被各大科研院校和單位用作物理模型試驗(yàn)中的模型沙[3]。由于再生離子交換樹(shù)脂除在較高程度上保持了原有離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)[4]外，還具有更高的性價(jià)比，因此得到了更加廣泛的使用。

目前，對(duì)離子交換樹(shù)脂模型沙物理特性及力學(xué)特性的系統(tǒng)性研究較少，且研究對(duì)象多為新樹(shù)脂[5]或經(jīng)改造的新型樹(shù)脂[6]，對(duì)再生離子交換樹(shù)脂的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此，筆者選擇山東省某污水處理廠經(jīng)還原處理后的再生離子交換樹(shù)脂為研究對(duì)象，對(duì)其主要物理特性和力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 主要物理特性

2.1 基本物理特性

原狀再生離子交換樹(shù)脂顆粒為半透明至不透明的不規(guī)則球狀，表面光滑，粒徑較不均勻，直徑為1.0～1.2 mm，顏色為深褐色或紅褐色，無(wú)特殊氣味。經(jīng)機(jī)械粉碎后呈不規(guī)則狀或粉末狀，色澤淺黃并泛白，接近天然沙的顏色。

2.2 粒徑級(jí)配

為擴(kuò)大再生離子交換樹(shù)脂的粒徑范圍，以滿足不同物理模型試驗(yàn)對(duì)模型沙粒徑的要求，使用4種不同型號(hào)的粉碎機(jī)對(duì)原狀再生離子交換樹(shù)脂顆粒進(jìn)行了粉碎，并分析了粉碎后試樣的粒度分布情況。

粉碎過(guò)程中，DC-350型高速多功能粉碎機(jī)單次粉碎量少，耗時(shí)長(zhǎng)，而800型高速粉碎機(jī)對(duì)試樣粉碎1遍時(shí)，可測(cè)得的最小粒徑已達(dá)0.005 mm。考慮到長(zhǎng)時(shí)間粉碎工作對(duì)工人身體健康的不利影響，使DC-350型、800型這2種粉碎機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行1次粉碎，HK-250+萬(wàn)能粉碎機(jī)和350型高速粉碎機(jī)分別對(duì)試樣進(jìn)行2次粉碎。由于不同型號(hào)粉碎機(jī)粉碎后的再生離子交換樹(shù)脂的粒徑差別較大，參照相關(guān)規(guī)范要求[7]，分別選擇篩分法和消光法對(duì)不同粒徑范圍的再生離子交換樹(shù)脂進(jìn)行粒度分析，試驗(yàn)儀器為符合規(guī)范要求[8]的標(biāo)準(zhǔn)編織試驗(yàn)篩和LK-2型光電顆分儀，篩分結(jié)果見(jiàn)表1并如圖1所示。

表1 再生離子交換樹(shù)脂粉碎程度及顆分結(jié)果

圖1 不同粉碎程度再生離子交換樹(shù)脂顆粒級(jí)配曲線

由表1和圖1可知，再生離子交換樹(shù)脂經(jīng)粉碎后，中值粒徑為0.030～0.300 mm，可測(cè)得的最小粒徑為0.005 mm，此值已非常接近天然沙中黏性沙(粒徑小于0.004 mm)的粒徑，在模型試驗(yàn)中可以用作模擬黏性淤積物。

2.3 膨脹性

再生離子交換樹(shù)脂具有一定的吸水膨脹性，在模型試驗(yàn)中模型沙吸水膨脹將導(dǎo)致模型淤積體體積值較理論值大，使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差，因此有必要對(duì)其膨脹率進(jìn)行測(cè)定。

試驗(yàn)中對(duì)再生離子交換樹(shù)脂膨脹率的測(cè)定方法選擇量筒法。具體測(cè)定步驟如下：①取一定量原狀再生離子交換樹(shù)脂顆粒于1 000 mL量筒中加水并充分?jǐn)嚢韬箪o置；②待量筒內(nèi)形成明顯水沙分界面時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，并定時(shí)記錄該水沙分界面的刻度變化，精確到0.1 mL；③直至前后2次讀數(shù)差值小于0.2 mL時(shí)，該模型沙則達(dá)到膨脹穩(wěn)定；④根據(jù)式(1)計(jì)算該沙樣的膨脹率，精確到1.0%。

(1)

式中：δ為試樣膨脹率，%；Vw0為試樣膨脹后體積，mL；V0為試樣初始體積，mL。

經(jīng)3次平行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，再生離子交換樹(shù)脂在最初遇水幾十秒內(nèi)迅速膨脹，直至720s左右膨脹穩(wěn)定，各試樣的膨脹率結(jié)果見(jiàn)表2，最終計(jì)算得再生離子交換樹(shù)脂膨脹率平均值為5.1%。

表2 試驗(yàn)測(cè)定的再生離子交換樹(shù)脂試樣的膨脹率

2.4 密度及干密度

2.4.1 密度

密度是試樣實(shí)有重量與實(shí)有體積的比值，符號(hào)為γ,國(guó)際單位為N/m3,工程界習(xí)慣以t/m3為單位，其數(shù)值等于比重[9]。使用量筒法測(cè)定的原狀再生離子交換樹(shù)脂密度的具體結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，再生離子交換樹(shù)脂密度的均值為1.234 t/m3。

表3 試驗(yàn)測(cè)定的再生離子交換樹(shù)脂試樣的密度

2.4.2 干密度

試樣烘干后，其重量與烘干前試樣總體積的比值為試樣的干密度，用γ0表示，常用單位為t/m3、kg/m3、g/cm3[9]。為研究再生離子交換樹(shù)脂干密度與各主要影響因素間的關(guān)系，分別選用量筒法和環(huán)刀法測(cè)定其干密度。

2.4.2.1 量筒法

將烘干后試樣的重量除以量筒中淤積體在不同時(shí)刻的體積，即可得該試樣對(duì)應(yīng)時(shí)刻的干密度以及淤積穩(wěn)定時(shí)的干密度[10]。經(jīng)測(cè)定，d50為0.100、0.220、0.270 mm的再生離子交換樹(shù)脂的干密度值最終分別穩(wěn)定在0.56、0.54、0.53 t/m3，隨中值粒徑d50的增大，其干密度值略有減小，具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 量筒法測(cè)定的再生離子交換樹(shù)脂試樣的干密度 t/m3

2.4.2.2 環(huán)刀法

用環(huán)刀法測(cè)定試樣干密度時(shí)，首先需將試樣在一定條件下進(jìn)行淤積固結(jié)，之后使用環(huán)刀對(duì)淤積體進(jìn)行原狀取樣，并測(cè)定其干密度。試驗(yàn)中分別測(cè)定了無(wú)水壓條件下不同埋藏深度、不同淤積歷時(shí)的淤積物的干密度，以及1 m高水壓條件下固結(jié)24 h后表層淤積物的干密度，以便分析再生離子交換樹(shù)脂的干密度與埋深、淤積歷時(shí)以及淤積體上覆水壓力之間的關(guān)系，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5—7。

表5 無(wú)壓條件下不同埋藏深度淤積物的干密度 t/m3

表6 無(wú)壓條件下不同固結(jié)時(shí)間的淤積物的干密度 t/m3

表7 1 m高水壓條件下固結(jié)24 h表層淤積物的干密度

表5—7顯示，再生離子交換樹(shù)脂干密度隨埋藏深度的增加、固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)和淤積體上覆水壓力的增大而增大，這與天然沙的相關(guān)研究成果相符[11]。對(duì)比3種因素(埋藏深度、淤積時(shí)間、淤積體上覆水壓力)對(duì)淤積體干密度的影響程度發(fā)現(xiàn)，淤積體上覆水壓力對(duì)其干密度的影響較其他2

種因素顯著，如d50=0.270 mm的再生離子交換樹(shù)脂在1 m高水壓下固結(jié)24 h，其干密度為0.488 t/m3，與無(wú)水壓條件下固結(jié)72 h的干密度(0.482 t/m3)相當(dāng)。

對(duì)比量筒法及環(huán)刀法所測(cè)得的試樣干密度的結(jié)果(表8)知，量筒法測(cè)得d50=0.100～0.27 mm的再生離子交換樹(shù)脂的干密度基本穩(wěn)定在0.540 t/m3左右；環(huán)刀法測(cè)得的再生離子交換樹(shù)脂的干密度隨試樣所承受壓力值的增大及淤積時(shí)間的延長(zhǎng)有較明顯的增加，變化范圍為0.436～0.616 t/m3，這一特點(diǎn)不利于再生離子交換樹(shù)脂在長(zhǎng)周期的物理模型試驗(yàn)中使用。

表8 2種方法測(cè)定的再生離子交換樹(shù)脂的干密度結(jié)果對(duì)比 t/m3

3 主要力學(xué)特性

3.1 水下休止角

由于摩擦力的作用，試樣在靜水中可以堆積成具有一定角度的穩(wěn)定傾斜面而不至塌落，此傾斜面與水平面的夾角即為試樣的水下休止角。試驗(yàn)中采用自然落淤法測(cè)定不同中值粒徑的再生離子交換樹(shù)脂的水下休止角，取3次平行測(cè)定值的平均值作為水下休止角的最終取值，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 試驗(yàn)測(cè)定的再生離子交換樹(shù)脂的水下休止角

表9顯示，d50=0.100～0.370 mm的再生離子交換樹(shù)脂水下休止角隨中值粒徑d50的增大而減小，d50=0.370 mm時(shí)，水下休止角最小,其值為11°00′00″，d50=0.100 mm時(shí)試驗(yàn)測(cè)定的水下休止角最大，其值為33°10′00″，與天然沙的水下休止角接近[12]。

3.2 起動(dòng)流速

起動(dòng)流速的測(cè)定在寬30 cm、高50 cm、長(zhǎng)17 m的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，使用多通道紅外旋槳流速儀測(cè)定起動(dòng)流速。試樣起動(dòng)臨界狀態(tài)的判定參照Kramer提出的少量起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[12]，即縱向床面上出現(xiàn)少數(shù)泥沙的間隙運(yùn)動(dòng),并有一定的連續(xù)性。試樣起動(dòng)時(shí)的狀態(tài)用肉眼觀察，即用一定角度的強(qiáng)光照射，從水槽側(cè)壁用肉眼觀察床面泥沙的運(yùn)動(dòng)情況[13]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10—12，并如圖2所示。

表10 再生離子交換樹(shù)脂未固結(jié)狀態(tài)的起動(dòng)流速

表11 再生離子交換樹(shù)脂固結(jié)24 h后的起動(dòng)流速

表12 再生離子交換樹(shù)脂固結(jié)6 d后的起動(dòng)流速

由表10—12及圖2可以看出，中值粒徑d50=0.100 mm的再生離子交換樹(shù)脂起動(dòng)流速隨試樣在水下的淤積時(shí)間的延長(zhǎng)以及水槽內(nèi)水深的增加而明顯地增大，最大起動(dòng)流速為24.67 cm/s，最小起動(dòng)流速為10 cm/s。

圖2 再生離子交換樹(shù)脂起動(dòng)流速變化曲線

3.3 抗剪特性

內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力作為表示淤積體抗剪特性的2個(gè)重要指標(biāo)，在水庫(kù)沖刷方面有著廣泛的應(yīng)用，是研究水庫(kù)進(jìn)水塔防淤堵的關(guān)鍵因子[14]。為研究再生離子交換樹(shù)脂的抗剪特性，首先將不同中值粒徑的再生離子交換樹(shù)脂進(jìn)行淤積固結(jié)(固結(jié)時(shí)淤積體上覆水體高度為1 m，固結(jié)時(shí)間為24 h)。之后使用環(huán)刀對(duì)淤積體進(jìn)行取樣，并按照相關(guān)規(guī)范要求[15]對(duì)所取試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果繪制成τ-p曲線，如圖3所示。

圖3 不同中值粒徑的再生離子交換樹(shù)脂τ-p曲線

根據(jù)庫(kù)侖定律[16]，用式(2)計(jì)算試樣的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力(式(2))，結(jié)果見(jiàn)表13。

τ=σtanφ+C。

(2)

式中：τ為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；σ為直剪試驗(yàn)中土體所受法向壓力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；C為黏結(jié)力，kPa。

表13 再生離子交換樹(shù)脂的內(nèi)摩擦角及黏結(jié)力的測(cè)定值

表13顯示，再生離子交換樹(shù)脂的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力均隨中值粒徑d50的增大而減小，即在同樣的淤積固結(jié)條件下，粒徑越小、顆粒越細(xì)的再生離子交換樹(shù)脂黏結(jié)程度越高，越不容易發(fā)生剪切破壞。d50=0.100～0.270 mm的再生離子交換樹(shù)脂在1 m高水壓條件下固結(jié)24 h后的黏結(jié)力為1.44～3.24 kPa，內(nèi)摩擦角為14.49°～27.55°。雖然顆粒間黏結(jié)力較小，但由于內(nèi)摩擦角大，顆粒間具有較強(qiáng)的摩擦阻力[16]，使得淤積體不易發(fā)生剪切破壞，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可參考相似材料配制的原理[17]，對(duì)再生離子交換樹(shù)脂的抗剪特性進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

1)原狀再生離子交換樹(shù)脂顆粒為半透明至不透明的不規(guī)則球狀，直徑為1.000～1.200 mm，顏色為深褐色或紅褐色，無(wú)特殊氣味，密度為1.234 t/m3，在水中的膨脹率為5.1%，大于其他模型沙的膨脹率，使用時(shí)應(yīng)予以注意。經(jīng)4種不同型號(hào)的粉碎機(jī)粉碎后，可測(cè)得的再生粒子交換樹(shù)脂最小粒徑為0.005 mm，呈黃色泛白的粉末狀，中值粒徑d50為0.030～0.370 mm。

2)量筒法測(cè)得d50=0.100～0.370 mm的再生離子交換樹(shù)脂的干密度值基本穩(wěn)定在0.540 t/m3左右；當(dāng)再生離子交換樹(shù)脂在有壓環(huán)境下固結(jié)一段時(shí)間后，其干密度及起動(dòng)流速均有明顯的增大，其中d50=0.100 mm的再生離子交換樹(shù)脂在離子交換固結(jié)6 d后，其起動(dòng)流速由10 cm/s增長(zhǎng)到24.67 cm/s，以上現(xiàn)象均不利于長(zhǎng)周期的試驗(yàn)。

3)d50=0.100～0.370 mm的再生離子交換樹(shù)脂的水下休止角隨中值粒徑d50的增大而減小，其值為11°00′00″～33°10′00″，與天然沙的水下休止角值接近，在模型試驗(yàn)中易滿足淤積體與原型沙形態(tài)相似的要求。

4)d50=0.100～0.27 mm的再生離子交換樹(shù)脂在 1 m高水壓條件下固結(jié)24 h后的黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角均隨中值粒徑d50的增大而減小。其中，黏結(jié)力為1.44～3.24 kPa、內(nèi)摩擦角為14.49°～27.55 °，顆粒間黏性較小，淤積體的凝聚主要依靠摩擦阻力的作用。

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51579103)。

郭選英(1963—),女,河南湯陰人,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事泥沙利用技術(shù)、水土保持及環(huán)境保護(hù)方面的研究。E-mail:guoxuanying@126.com。 通信作者：王秀玲(1990—),女，河南濮陽(yáng)人，碩士研究生，從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