離子交換樹脂柱

1、1 、離子交換樹脂柱 離子交換樹脂是放置在樹脂柱中進行工作的， 這有利于發(fā)揮它的功能， 并便于再 生。國外糖廠樹脂柱的有效容積（裝載樹脂量）一般為310m3，直徑2.33.3m , 高3.34m，樹脂床的高度0.62m。樹脂柱為立式圓筒形結構，兩端密圭寸， 能承受一定的工作壓力。 它通常用鋼板焊接制成， 內壁整體襯上耐酸、 堿的橡膠 層，小型樹脂柱可全用不銹鋼制造。樹脂柱總高度約為樹脂層的兩倍， 以備樹脂工作時體積膨脹和防止反洗時樹脂被 沖走。如果樹脂的粒度較大， 對通過液體的阻力較小， 樹脂層可較高， 并相應縮 小柱體的直徑。 但如樹脂粒度較細， 對液體的阻力較大，則樹脂層不宜高， 以免 影

2、響液體的通過， 降低它的生產能力。 有些裝載細顆粒樹脂的柱， 樹脂層的高度 只約 0.8m ，但它的工作周期時間亦較短。樹脂柱的底部裝上細孔平板及篩網， 樹脂放置在篩網之上。 一種設計采用三層篩 網，分別為 60 、20 、10 目，也有采用 70 目篩，以適應顆粒較小的樹脂。有些 設計不用篩網，在底部裝設有大量微縫小孔的分配器， 匯集從樹脂床流出的液體。 在樹脂柱的頂部，裝有糖漿入料管及入料分配器，進入的糖漿經過它均勻分布， 然后向下通過樹脂層， 在底部集中排出。 在樹脂層的上方還有另一套分配器， 連 接洗水管及再生溶液管，洗水與再生液分別從該處進入，從上向下通過樹脂層， 到底部排出。 底部

3、分配器還連接反沖洗水管， 當樹脂反洗時， 從底部進水， 均勻 地沖動樹脂層， 將樹脂中夾雜的懸浮物沖走， 經頂部分配器排出。 另在柱頂部接 有壓縮空氣管， 在開始入料前， 開入壓縮空氣將樹脂顆粒略為壓緊， 使形成樹脂 床。樹脂柱底部亦接有壓縮空氣管， 必要時可通過壓縮空氣反沖樹脂層， 使其疏 松，然后再開水管反洗樹脂。 柱底部還有樹脂裝卸管。 樹脂柱內全部附件及連接 管路的材料均為不銹鋼， 成分通常為 1Cr18Ni12Mo2Ti 。樹脂柱的一種設計如 右圖。早期的樹脂柱亦有在底部用石英砂作為阻隔樹脂的介質（不用篩網 ），先放置一層15cm 厚的從 4 6mm 到 6 11mm 大小的石英塊，

4、在它的上面再裝一層 15cm 厚的從2.5 x 1.5mm 到3.5 x 1.5mm 大小的石英砂，上面再裝樹脂。 樹脂柱最主要的規(guī)格參數是它裝載的樹脂量 BV（Bed Volume,m3）。樹脂柱的處理能力與它的樹脂裝載量成正比。 各種物料的流量和速率以 BV 或 BV/h 為計 算單位。糖液通過樹脂層與樹脂接觸的時間為通過速度 BV/h 的倒數， 如通過速 度為 3BV/h ，則接觸時間為 1/3 小時；若樹脂層高 1.2m ，則糖液通過樹脂層 的流速為 6cm/min（ 按樹脂柱橫截面計 ） 。樹脂柱的工作是周期性的，工作效率不夠高。近年發(fā)展了多種連續(xù)工作的裝備， 只用一個系統(tǒng)， 樹脂在

5、器內連續(xù)地緩慢地移動， 流出器外與液體一起用低速泵輸 送，經過循環(huán)管流回器內， 在這個循環(huán)中順次進行各項操作； 或者分為交換柱和 再生柱，連續(xù)循環(huán)工作。具體的設計有多種，如 Higgins 系統(tǒng) Asahi 系統(tǒng)和雙 柱系統(tǒng)等。它們已較多地用在水處理和化工行業(yè)中， 但在制糖工業(yè)中還用得較少。 加拿大 Macdonald 等用小型模擬設備研究了連續(xù)離子交換系統(tǒng)在甜菜糖廠的應 用，說明它的脫色效果更穩(wěn)定，樹脂的效能可更充分地利用。2 、離子交換樹脂柱的工作過程 樹脂柱在連續(xù)通入糖液時， 樹脂逐漸吸附了色素和雜質， 其性能就逐漸下降， 流 出糖液的色值逐漸升高。例如，兩種原來色值不同 （725IU

6、和 2900IU） 的糖液 在分別通過兩種不同樹脂柱： 苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂， 通過不同 BV 數的 糖液后的脫色率變化如下表。通過糖液 BV 數 苯乙烯系樹脂 丙烯酸系樹脂 原色值 725 原色值 2900 原色值 725 原色值 2900 0 90 90 90 9010 84 60 84 7520 81 53 82 6930 79 46 81 6740 77 - 81 - 它說明了，在糖液原色值較高時， 樹脂性能下降得較快， 能處理的糖液總量較少； 淺色糖液的處理量則較大。 這兩類樹脂初時的脫色率相同， 但苯乙烯系樹脂的性 能下降較快，而丙烯酸系樹脂下降較慢，即較耐污染。樹脂柱使用一

7、定時間后， 脫色效能不足，就要停下來再生。這個脫色工作時間一般為820小時；在處理低色值糖液時可延長到數十小時。停用后各種輔助工作和再生的時間需數小 時。離子交換樹脂的具體使用過程如下：(1預備工作將樹脂與水混合一起傾入樹脂柱中， 借助水的浮力使樹脂自然沉積， 在柱內均勻 堆積，密度一致。在準備使用前，先將水排凈，然后通入壓縮空氣，壓出余水， 并將樹脂壓成“床”。再生后的樹脂亦要用無離子水浸泡，使用前排水和通壓縮 空氣。( 2)入料 樹脂柱入料前，先開入約 1BV 的甜水浸潤樹脂層，隨后開入脫糖時回收的稀糖 液及濃糖液，各需時 10 15 分鐘，控制流量速度約為 2.5BV/h ，使樹脂中糖

8、液濃度逐漸升高。這個過程稱為上糖或甜化 (sweetening) 。然后再開入所處理 的糖漿，并注意流出液的濃度和色值， 當濃度達 50 60oBx 和色值符合要求時， 即轉入正常脫色運行。( 3 )正常運行 控制一定的入料速度，使流出糖漿色值符合指標規(guī)定。 入料流量速度的數值， 視所處理原料的質量及所要求的脫色效果而定。 對于已經 過澄清處理的原糖回溶糖漿，一般控制 2 3BV/h ；而對于白糖回溶糖漿，因 其本身色值已較低，可用較大流速 (如 5BV/h) ；若流量過高，則脫色效果可能 達不到要求。在運行一段時間后， 樹脂吸附積聚的雜質較多， 脫色能力降低， 流出糖液的色值 逐漸升高，當達

9、到限定數值時，即停用該柱而轉用其他備用樹脂柱。( 4)脫糖在停止入料后， 要將樹脂床中的糖汁盡量排出， 這稱為脫糖 (desweetening) 開 入前段回收的濃糖液將樹脂層中的脫色糖漿壓出，控制流速約 2.5BV/h ，處理 約 30 分鐘。隨后開入稀糖液洗出濃糖液至貯箱備用。流速與時間同上。再以無 離子水洗出稀糖液，供溶糖之用。約洗 20 分鐘，當洗出液低于濃度 0.5 oBx 時 可棄去。( 5 )反洗從樹脂柱底部開入7080 C的軟水(汽凝水)，以46BV/h的流速反方向沖洗 樹脂層， 使在工作時被壓緊的樹脂層松散， 并自行按顆粒大小重新鋪排成床， 增 大顆粒之間的空隙， 以便于下一

10、步再生時， 樹脂能與再生液充分接觸和進行反應。反洗還可將樹脂層中混雜的懸浮物沖走。 這項操作通常需要數十分鐘， 直至洗出 液無明顯混濁為止。 為防止反洗時樹脂被沖走而損失， 反洗流速不可過大； 洗出 水通過簡單的隔篩 （如曲篩或網袋 ） 收回流失的樹脂。樹脂反洗后進行再生。 如果所處理的糖液含溶解性雜質不多， 只是由于運行一段 時間后， 樹脂層被壓實， 或被懸浮物阻塞而影響糖液通過， 樹脂仍有較好的交換 能力，則在反洗清除懸殊浮物并用無離子水浸漬一段時間后，仍可再入料工作， 待下一次反洗后才進行再生，以減少再生劑用量。3 、離子交換樹脂的再生（1）常規(guī)的再生處理 離子交換樹脂使用一段時間后，吸

11、附的雜質接近飽和狀態(tài)，就要進行再生處理， 用化學藥劑將樹脂所吸附的離子和其他雜質洗脫除去， 使之恢復原來的組成和性 能。在實際運用中， 為降低再生費用， 要適當控制再生劑用量， 使樹脂的性能恢 復到最經濟合理的再生水平，通?？刂菩阅芑謴统潭葹?080%。如果要達到 更高的再生水平，則再生劑量要大量增加，再生劑的利用率則下降。 樹脂的再生應當根據樹脂的種類、 特性，以及運行的經濟性， 選擇適當的再生藥 劑和工作條件。樹脂的再生特性與它的類型和結構有密切關系。 強酸性和強堿性樹脂的再生比較 困難，需用再生劑量比理論值高相當多； 而弱酸性或弱堿性樹脂則較易再生， 所 用再生劑量只需稍多于理論值。 此

12、外，大孔型和交聯度低的樹脂較易再生， 而凝 膠型和交聯度高的樹脂則要較長的再生反應時間。再生劑的種類應根據樹脂的離子類型來選用， 并適當地選擇價格較低的酸、 堿或 鹽。例如：鈉型強酸性陽樹脂可用 10%NaCl 溶液再生，用藥量為其交換容量 的 2 倍（用 NaCl 量為 117g/L 樹脂）；氫型強酸性樹脂用強酸再生，用硫酸時 要防止被樹脂吸附的鈣與硫酸反應生成硫酸鈣沉淀物。為此，宜先通入 12% 的稀硫酸再生。氯型強堿性樹脂， 主要以 NaCl 溶液來再生， 但加入少量堿有助于將樹脂吸附的 色素和有機物溶解洗出，故通常使用含 10%NaCl + 0.2%NaOH的堿鹽液再生，常規(guī)用量為每升

13、樹脂用 150 200gNaCl ，及 3 4gNaOH 。 OH 型強堿陰 樹脂則用 4%NaOH 溶液再生。 樹脂再生時的化學反應是樹脂原先的交換吸附的逆反應。按化學反應平衡原理， 提高化學反應某一方物質的濃度， 可促進反應向另一方進行， 故提高再生液濃度 可加速再生反應，并達到較高的再生水平。為加速再生化學反應，通常先將再生液加熱至 7080 C。它通過樹脂的流速一 般為 1 2BV/h 。也可采用先快后慢的方法， 以充分發(fā)揮再生劑的效能。 再生時 間約為一小時。隨后用軟水順流沖洗樹脂約一小時 （ 水量約 4BV） ，待洗水排清 之后，再用水反洗，至洗出液無色、無混濁為止。 一些樹脂在再

14、生和反洗之后，要調校 pH 值。因為再生液常含有堿，樹脂再生后 即使經水洗， 也常帶堿性。 而一些脫色樹脂 （特別是弱堿性樹脂 ） 宜在微酸性下工 作。此時可通入稀鹽酸，使樹脂pH值下降至6左右，再用水正洗，反洗各一次。 樹脂在使用較長時間后，由于它所吸附的一部分雜質 （特別是大分子有機膠體物 質）不易被常規(guī)的再生處理所洗脫，逐漸積累而將樹脂污染，使樹脂效能降低。 此時要用特殊的方法處理。例如：陽離子樹脂受含氮的兩性化合物污染，可用 4%NaOH 溶液處理，將它溶解而排掉；陰離子樹脂受有機物污染，可提高堿鹽 溶液中的NaOH濃度至0.51.0%，以溶解有機物。近年國內研究用糖化鈣溶液對使用過的

15、樹脂進行再生，再生液返回生產流程再 用，不需要排放。免除了再生廢液處理的問題。（2）特殊的再生處理 污染較嚴重的樹脂，可用酸或堿性食鹽溶液反復處理，如先用 10%NaCl +1%NaOH 堿鹽溶液溶解有機物，再用 4%HCl 或分別用 10%NaOH 及 1%HCl溶解無機物，隨后再用10%NaCI+1%NaOH 處理，在約70 C下進行。 如果上述處理的效果未達要求， 可用氧化法處理。 即用水洗滌樹脂后， 通入濃度 為0.5%的次氯酸鈉溶液，控制流速24BV/h ,通過量1020BV ,隨即用水 洗滌， 再用鹽水處理。 應當注意， 氧化處理可能將樹脂結構中的大分子的連接鍵 氧化，造成樹脂的降

16、解，膨脹度增大，容易碎裂，故不宜常用。通常使用 50 周 期后才進行一次氧化處理。 由于氯型樹脂有較強的耐氧化性， 故樹脂在氧化處理 前應用鹽水處理，變?yōu)槁刃?，這還可避免處理過程中的 pH 值變化，并使氧化作 用比較穩(wěn)定。（3）再生廢液的處置糖廠用樹脂脫色， 樹脂再生的廢液含有大量的色素和有機物， 顏色很深。 用原糖 生產精糖時， 每 100 噸糖的再生廢液量約為 69m3 。要經過處理才能排放 （或 循環(huán) ） ，這也是一個難題。Ionresin 詳細研究了用化學方法處理再生液，使色素和其他有機物沉淀，除去 雜質后再循環(huán)使用， 減少排放， 并充分利用其中的氯化鈉。 由于再生液中色素的 濃度比糖

17、汁中高 10 倍以上，液體數量較小，沒有糖液的粘性，并能容許強烈的 條件如強堿性和高溫等而無需顧慮糖的分解， 用化學處理比較方便。 再生液加入 510%容積的石灰乳（濃度為含CaO100g/L），加熱到60 C并輕微攪拌，大 量的有色物沉淀析出。 再加入碳酸鈉或二氧化碳、 磷酸鈉或磷酸并保持堿性， 都 可使較多的有色物沉淀。處理后的液體添加少量食鹽可返回作樹脂的初級再生 液，其后再用新的鹽水再生。對廢液的處理還研究過多種方法：用顆?；钚蕴课剑么温人徕c、次氯酸鈣、 氯氣或臭氧將它氧化， 用超過濾或反滲透法分離它的有機物， 或用粉狀樹脂吸附 等。最近 Guimaraes 等研究用微生物將它的有

18、色物降解，取得較好效果。4 、離子交換樹脂的工作壽命 離子交換樹脂在使用較長時間后，由于吸附的雜質未能在再生時完全洗脫除去， 性能就逐漸下降， 每個工作周期所能處理的糖液量逐漸減少。 一般在使用 300500 周期后， 其性能就不符合要求， 需要更新 （或轉作其他用途 ）。例如，一個日 處理240噸原糖的煉糖廠，一級脫色使用丙烯酸樹脂 （總量5m3 ）。在使用不 同周期數時，每個周期處理的糖液量及所達到的脫色率的平均值如下表。周期次序 每周期處理糖液量 BV 糖液脫色率 %1 200 48 85201 300 45 84301 400 45 82401 450 45 79451 500 42 70501 550 34 61可見，樹