離子交換樹脂的實際使用

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(jié)構(gòu)，兩端密封，能承受一定的工作壓力。它通 常用鋼板焊接制成，內(nèi)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(yīng)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，以免影響液體的通過， 降低它的生產(chǎn)能

2、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(wǎng)，樹脂放置在篩網(wǎng)之上。一種 設(shè)計采用三層篩網(wǎng)，分別為60、20、10目，也有采用70目篩， 以適應(yīng)顆粒較小的樹脂。有些設(shè)計不用篩網(wǎng)，在底部裝設(shè)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(jīng)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。底部分配器還連接反 沖洗水管，當(dāng)樹脂反洗時，從底部進水，均勻地沖動

3、樹脂層，將 樹脂中夾雜的懸浮物沖走，經(jīng)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(nèi)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(shè)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(zhì)（不用篩 網(wǎng)），先放置一層15cm厚的從46mm到611mm大小的 石英塊，在它的上面再裝一層15cm厚的從2.5X 1.5mm到 3.5X 1.5mm大小的石英砂，上面再裝樹脂

4、。樹脂柱最主要的規(guī)格參數(shù)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(shù)，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)，樹脂在器內(nèi)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(jīng)過循環(huán)管流回器內(nèi)，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

5、的設(shè)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(shè)備研究了 連續(xù)離子交換系統(tǒng)在甜菜糖廠的應(yīng)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(zhì)，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(shù)的糖液后的脫色率變 化如下表。通過糖液BV數(shù)苯乙烯系樹脂丙烯酸系樹脂原色值725原色值2

6、900原色值725原色值29000 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(shù)十小時。停用后各種輔助工作和再生 的時間需數(shù)小時。離子交換樹脂的具體使用過程如下：預(yù)備工作將樹脂與水混合一起傾入樹脂柱中

7、，借助水的浮力使樹脂自然沉 積，在柱內(nèi)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。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1015分鐘，控制流量速 度約為2.5BV/h，使樹脂中糖液濃度逐漸升高。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(dāng)濃度達5060 Bx和色值符合要求時， 即轉(zhuǎn)入正常脫色運行。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(shù)值，

8、視所處理原料的質(zhì)量及所要求的脫色效果 而定。對于已經(jīng)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(zhì)較多，脫色能力降低， 流出糖液的色值逐漸升高，當(dāng)達到限定數(shù)值時，即停用該柱而轉(zhuǎn) 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

9、 稀糖液，供溶糖之用。約洗20分鐘，當(dāng)洗出液低于濃度0.5 Bx 時可棄去。（5）反洗從樹脂柱底部開入7080C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 步再生時，樹脂能與再生液充分接觸和進行反應(yīng)。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(shù)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(wǎng)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(zhì)不多，只 是由于運行一段時間后，樹脂層被壓實，或

10、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常規(guī)的再生處理離子交換樹脂使用一段時間后，吸附的雜質(zhì)接近飽和狀態(tài)，就要 進行再生處理，用化學(xué)藥劑將樹脂所吸附的離子和其他雜質(zhì)洗脫 除去，使之恢復(fù)原來的組成和性能。在實際運用中，為降低再生 費用，要適當(dāng)控制再生劑用量，使樹脂的性能恢復(fù)到最經(jīng)濟合理 的再生水平，通?？刂菩阅芑謴?fù)程度為7080%。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(yīng)當(dāng)根據(jù)樹脂的種類、特性，以及運行的

11、經(jīng)濟性，選 擇適當(dāng)?shù)脑偕巹┖凸ぷ鳁l件。樹脂的再生特性與它的類型和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)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(dāng)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。 此外，大孔型和交聯(lián)度低的樹脂較易再生，而凝膠型和交聯(lián)度高 的樹脂則要較長的再生反應(yīng)時間。再生劑的種類應(yīng)根據(jù)樹脂的離子類型來選用，并適當(dāng)?shù)剡x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(yīng)生成硫酸鈣沉淀物。為此，宜先通入12% 的

12、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)用量為每升樹脂 用150200gNaCl，及34gNaOH。OH型強堿陰樹脂則用 4%NaOH溶液再生。樹脂再生時的化學(xué)反應(yīng)是樹脂原先的交換吸附的逆反應(yīng)。按化學(xué) 反應(yīng)平衡原理，提高化學(xué)反應(yīng)某一方物質(zhì)的濃度，可促進反應(yīng)向 另一方進行，故提高再生液濃度可加速再生反應(yīng)，并達到較高的 再生水平。為加速再生化學(xué)反應(yīng)，通常先將再生液加熱至7080C。它通 過樹脂的流速一般為12BV/h。也可采用先快后慢的方法，以 充分發(fā)揮再生劑的效能

13、。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。一些樹脂在再生和反洗之后，要調(diào)校pH值。因為再生液常含有 堿，樹脂再生后即使經(jīng)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(zhì)（特別是大 分子有機膠體物質(zhì)）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

14、；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(nèi)研究用糖化鈣溶液對使用過的樹脂進行再生，再生液返 回生產(chǎn)流程再用，不需要排放。免除了再生廢液處理的問題。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(fù)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%NaCl + 1%NaOH處理，在約70C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

15、洗滌，再用鹽水處理。應(yīng)當(dāng)注意， 氧化處理可能將樹脂結(jié)構(gòu)中的大分子的連接鍵氧化，造成樹脂的 降解，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(yīng)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。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(chǎn)精糖時，每100噸糖的再生廢液量約為69m3。要經(jīng)過處理才能排放（或循環(huán)），這也是一個難題。lonresin詳細研究了用化學(xué)方法處理再生液，使色素和其他有 機物沉淀，除去雜質(zhì)后再循環(huán)使用，減少排放，并充分利用

16、其中 的氯化鈉。由于再生液中色素的濃度比糖汁中高10倍以上，液 體數(shù)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(xué)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60C 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?，用次氯酸 鈉、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

17、等研究用 微生物將它的有色物降解，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(zhì)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(zhuǎn)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(shù)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