離子交換器的結(jié)構(gòu)

1、離子交換器的結(jié)構(gòu)離子交換器主要用于純水和高純水的制備，也可用于鍋爐、熱電站、化工、 輕工、紡織、醫(yī)藥、生物、電子、原子能及純水處理的前道處理工序；工業(yè)生產(chǎn) 所需進(jìn)行硬水軟化、去離子水制備的場合；食品、藥物的脫色提純；貴重金屬、 化工原料的回收；電鍍廢水的處理等。離子交換器（柱）的外殼一般采用PVC （硬聚氯乙烯）、PVC-FRP （硬聚氯乙烯復(fù)合玻璃鋼）、PMMA （有機(jī)玻璃）、 PMMA-FRP （有機(jī)玻璃復(fù)合透明玻璃鋼）、JR （鋼襯膠）或不銹鋼襯膠等材質(zhì)加 工而成。1按交換離子的類型分類1.1復(fù)床復(fù)床也就是陰陽離子交換床，是指將電解質(zhì)溶液一次通過裝有氫型陽離子交 換樹脂的陽床和裝有氫氧型

2、陰離子交換樹脂的陰床的系統(tǒng)。其中，氫型陽床用于 除去電解質(zhì)溶液中的陽離子，而氫氧型陰床則用于除去水中的陰離子。通過復(fù)床 一般可將電解質(zhì)溶液中的離子基本除去。為達(dá)到較好的除鹽效果，陽床內(nèi)裝載的 是強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，陰床則裝載強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。些CCh圖2.復(fù)床系統(tǒng)1-強(qiáng)酸陽床2-弱堿陰床3-強(qiáng)堿陰床4-除二氧化碳器5中間水箱6-水泵1.2混床混合離子交換柱即混床是為更好利用離子交換技術(shù)而設(shè)計(jì)的設(shè)備。所謂混床， 是指把一定比例的陰、陽離子交換樹脂混合裝填于同一個交換柱中，以進(jìn)行離子 的交換和洗脫。一般來講，陽樹脂的比重會比陰樹脂大。因此，在混床內(nèi)陰樹脂 在陽樹脂之上。陰、陽樹脂的裝填比例一

3、般為2:1，也有裝填比例為1.5:1的，可 根據(jù)不同樹脂和工況要求酌情考慮選擇?；齑卜譃轶w內(nèi)同步再生式和體外再生式。體內(nèi)再生式混床的運(yùn)行和整個再生 過程均在混床內(nèi)部進(jìn)行，再生時樹脂不會移除設(shè)備以外，且陰陽樹脂同時再生。 這就有了它相較于體外再生式混床的優(yōu)勢，即所需附屬設(shè)備少，操作簡單?；齑惨话阍O(shè)置在一級復(fù)床之后，以便進(jìn)一步純化水質(zhì)。當(dāng)水質(zhì)要求不高的時 候，也可以單獨(dú)使用?；齑驳奶攸c(diǎn)包括：出水水質(zhì)優(yōu)良，pH值接近中性；出水 水量穩(wěn)定，短時間內(nèi)運(yùn)行條件（如進(jìn)水水質(zhì)或組分、運(yùn)行流速）的變化對混床出 水水質(zhì)影響不大；即使是間斷運(yùn)行，對出水水質(zhì)的影響也相對較小，恢復(fù)至停運(yùn) 前水質(zhì)所需要的時間較短；離子回

4、收率可達(dá)100%。1.3鈉離子交換器鈉離子交換器即軟化器是用于去除水中鈣離子、鎂離子，制取軟化水的離子 交換器。組成水中硬度的鈣、鎂離子與軟化器中的離子交換樹脂進(jìn)行交換，水中 的鈣、鎂離子被鈉離子交換，使水中不易形成碳酸鹽垢及硫酸鹽垢，從而獲得軟 化水。影響鈉離子交換器的三大選型標(biāo)準(zhǔn)是水質(zhì)硬度、產(chǎn)水量和安裝空間。離子交換器還可以按使用規(guī)模分類，大體包括實(shí)驗(yàn)室用小型交換柱和工業(yè)用 離子樹脂交換柱兩類。2實(shí)驗(yàn)室用小型交換柱實(shí)驗(yàn)室中一般將酸滴定管改裝為小型交換柱。在其底部填少許玻璃棉，然后 再倒入一層小的玻璃珠，最后裝填樹脂，便基本制成一個實(shí)驗(yàn)室用小型交換樹脂 柱。專用的小型玻璃交換柱下面有玻璃砂芯

5、墊板，這就可以直接裝入樹脂。較大 的交換柱可采用玻璃管，下部有出口，中間插入細(xì)玻璃管，作為入水口，上部用 橡膠塞封堵。內(nèi)徑50mm以上的多使用有機(jī)玻璃或聚氯乙烯材料，兩頭用法蘭封 口，并在柱的中間增加進(jìn)液口，能夠完成較復(fù)雜的試驗(yàn)。樹脂在裝柱前應(yīng)將其浸 泡在水中，然后將樹脂隨水一起倒入柱中，防止干的樹脂夾帶氣體。柱中裝填的 樹脂層稱為樹脂床。圖3.實(shí)驗(yàn)室用小型玻璃離子交換柱比較簡單的進(jìn)料方法是把料液儲存在分液漏斗中，用下面的旋塞控制流量， 待液體充滿交換柱后，開啟柱下面的旋塞，這種處理方式能讓進(jìn)出口的流量大體 一致。在交換進(jìn)行的過程中，一般會經(jīng)常更換接收從柱中流出液體的容器。此類 容器應(yīng)有用于計(jì)

6、取每次接收體積的容積刻度。在一定時間后，從流出液中取樣分 析被交換的離子濃度、pH值等參數(shù)的變化，進(jìn)而可以獲得流出液隨料液加入量 變化的相關(guān)曲線。為防止因柱內(nèi)液體流出速度快于進(jìn)液速度，從而造成柱內(nèi)液位 下降，可在出口后接一個細(xì)的“U”形管，并讓出口高度與交換柱需要控制的液面 相同，而出液則從出口溢流而出。3工業(yè)離子樹脂交換柱3.1固定床式圖4.固定式工業(yè)用離子交換柱在工業(yè)用離子樹脂交換柱中，最早使用也是最常見的一類交換柱是固定床示 離子樹脂交換柱。因其內(nèi)部的樹脂床不會隨著交換反應(yīng)的進(jìn)行而移動，故而得名。此類交換柱通常是高徑比在25之間的圓柱體，底部和頂部一般為球形或橢 球形。在柱的頂部和底部有

7、進(jìn)出液管。特別的，柱中部也有支管，用于進(jìn)液或出 液。小型設(shè)備常用聚氯乙烯或玻璃鋼等材料制作柱體和管道。對直徑大于1m的 設(shè)備，多采用碳鋼制造主架構(gòu)，再內(nèi)襯以聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠等防腐 材料。主體高度常取樹脂層高度的1.82倍，以給樹脂留有足夠的膨脹空間。這 是因?yàn)樵诮粨Q時，陽樹脂的層高可能膨脹75%，陰樹脂則可能膨脹1倍甚至更多。 樹脂層的高度由樹脂與交換體系的性質(zhì)來決定，一般在13m之間，也有高達(dá)幾 米的。需在樹脂床層的頂部預(yù)留一段空間，便于操作時充入適量的空氣或溶液。底部是底板，用于支承樹脂和透過溶液，多采用具有排水帽的孔板?？装逡?般為平板型，也有的采用下凹球面型。此外，有的柱底

8、采用鋪墊石英砂作為樹脂 承載層，底板仍然使用孔板。這里石英層的高度隨柱徑增大而提高，總高基本控 制在0.51m，分為4、5層鋪墊，粒度由上而下，逐層變細(xì)。為了使溶液在柱內(nèi)沿徑向均勻分布，使樹脂都能接觸到溶液，交換柱的頂部、 中部和底部都安排了布液裝置。頂部的布液器可采用噴頭、喇叭斗、多孔管或帶 排水帽的多孔板等。交換柱在逆流操作時會從中間拍液管出液，為均勻排出貧再 生液，中間排液管一般有多個出口孔且呈水平狀態(tài)均勻分布于交換柱的中上部。 下布液管常采用帶排水帽的孔板。3.2移動樹脂床設(shè)備圖5.移動床樹脂交換器在固定床的工作過程中，樹脂床層不發(fā)生移動，只有液體流經(jīng)床層。與此不 同，移動床在交換過程

9、中液體和樹脂均發(fā)生移動。如前所述，固定床的優(yōu)點(diǎn)是結(jié) 構(gòu)比較簡單，易于操作，且易于設(shè)計(jì)放大。此外，樹脂間沒有很強(qiáng)的摩擦，有利 于減少機(jī)械損失也是其一大優(yōu)勢。但固定床填裝的樹脂量大，使得投資較大；有 的樹脂在交換過程中，因難以與溶液充分接觸，故而不能參與反應(yīng)，樹脂利用率 較低；固定床也不能用于處理固體含量較高的料液。移動床是指運(yùn)行中樹脂床層在不斷移動的交換柱，即定期地排出一部分已失 效的樹脂同時補(bǔ)進(jìn)等量再生好的新鮮樹脂。被排出樹脂的再生是在另一專用設(shè)備 中進(jìn)行的。因交換和再生過程分別在專用設(shè)備中同時進(jìn)行，所以供水基本上是連 續(xù)的。在移動床系統(tǒng)中，交換劑的用量比固定床的用量要小很多。相同出液量時，

10、移動床僅為固定床系統(tǒng)的1/21/3。這是因?yàn)榻粨Q劑在移動床中經(jīng)常周轉(zhuǎn)，再生 次數(shù)也多，從而使得樹脂利用率大為提高。設(shè)計(jì)固定床一般按每天再生12次來 考慮。如再生次數(shù)過多，非生產(chǎn)的時間就占得長，對生產(chǎn)是不利的。移動床系統(tǒng) 中的交換、再生和清洗設(shè)備都會有交換劑運(yùn)行，相比固定床中的量要少許多。該 裝置的缺點(diǎn)是樹脂的頻繁遷移會增大樹脂破碎的概率，閥門反復(fù)開關(guān)，設(shè)備結(jié)構(gòu) 也較復(fù)雜。設(shè)計(jì)移動床系統(tǒng)時，為將交換器中失效的離子交換樹脂排放出來，運(yùn)行方式 均采用進(jìn)水快速上流型，并使部分樹脂在交換段內(nèi)循環(huán)，以適應(yīng)含有固體顆粒的 料液。當(dāng)溶液從樹脂床的下部進(jìn)入，向上流動時，因流速不同會有三種情況發(fā)生。 流速很慢時，

11、水流滲過樹脂床層流出，此時，樹脂床層較穩(wěn)定；流速稍快，樹脂 床層立即發(fā)生擾動，以致形成如同反沖洗時的情況，樹脂床層快速膨脹；若流速 再加快，會發(fā)生浮動床中出現(xiàn)的，整個樹脂床層全部被水流托起，頂至交換塔上 部，層間各顆粒間基本保持緊密地相連的的狀況?？雌饋砗孟裰皇菢渲矊釉谏?移。移動床中的交換過程就是按這種快速流方式進(jìn)行。移動床交換系統(tǒng)按其設(shè)備數(shù)量分三塔式、雙塔式和單塔式；按運(yùn)行方式可分 多周期式和單周期式。3.3流態(tài)化離子交換柱曠擎理生液圖6.圓錐形流態(tài)化交換柱1-礦漿壓力罐2-再生液壓力罐如果借助流態(tài)化方法使樹脂懸浮流動，不斷更新。這樣不但實(shí)現(xiàn)樹脂和料液 連續(xù)逆向運(yùn)動的要求，還能使交換反應(yīng)

12、的效率大為提高，顯著減少樹脂的使用量， 從而也節(jié)約了洗脫劑和洗滌用水。與移動床不同，一個流態(tài)化設(shè)備只能完成一個 工序，即交換和洗脫分別在不同的交換柱中進(jìn)行。因?yàn)楣桃簝上嗔鲬B(tài)化技術(shù)的日 臻成熟，各流態(tài)化離子交換柱的設(shè)計(jì)、制作呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展，其中很多已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。設(shè)備運(yùn)行時，料液周期性地進(jìn)入底部，再通過分流板向上流動，進(jìn)而自上而 下通過樹脂床層進(jìn)行交換。液流速度大到可使樹脂流態(tài)化。水平隔板則用于減少 液體和樹脂的反混，提高交換效率。完成交換后的液流從上部溢流而出。樹脂的運(yùn)動方向與液流相反，從頂部加入交換柱中。擴(kuò)大段和柱體直徑的比 例應(yīng)保證流體線速度在柱中可使樹脂流態(tài)化，而在柱頂可

13、讓樹脂和流體逆向流動。 從而實(shí)現(xiàn)流體從頂部溢出，樹脂在柱中自行下降。進(jìn)液周期間隙，液流會停止上 行，樹脂則從塔板孔隙下降，自上而下穿過床層，參與交換。底板上安放的泡罩 用于防止樹脂被全部排盡。樹脂排出柱后進(jìn)入一個容器，而后送至再生柱。流態(tài) 化離子交換柱的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于操縱、效率高。一般用于處理含少量固體 懸浮物的料液，特別適用于從礦石堆浸液中交換金屬。3.4槽型離子交換設(shè)備傳統(tǒng)濕法冶金過程中，高品位和高價值的礦石均先經(jīng)磨細(xì)而后再浸取，將含 金屬的溶液和浸取渣混在一起再行分離。目前，固液分離技術(shù)能耗大且耗時長。 因此人們希望能直接從礦漿中回收金屬離子。作為分離行業(yè)的主力軍，離子樹脂 交換技術(shù)被寄希望用于在礦漿中直接分離金屬離子，免去固液分離工序。工業(yè)上 把這種在礦漿中進(jìn)行的離子交換稱為樹脂在漿法。礦漿含固體高達(dá)20%40%， 流態(tài)化床雖有很大的優(yōu)越性，但也僅能處理固體為懸浮態(tài)且含量不高的原料，不 能適應(yīng)礦漿這種固體含量十分高、黏度特別大、且容易沉降的原料。要想適合礦漿中的離子交換，所用設(shè)備有兩個必需條件：一是能使礦漿懸浮 起來；二是樹脂顆粒與礦漿分離簡單。為此人們開發(fā)出了很多設(shè)備，這些設(shè)備有 三大特點(diǎn)：一是采用通氣或者機(jī)械攪拌的方式，使礦漿懸浮，從而讓樹脂和溶液 充分接觸；二是利用礦石微粒和樹