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(jìn)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)，兩端密圭寸， 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(shí)體積膨脹和防止反洗時(shí)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(xì)， 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(chǎn)能力。 有些裝載細(xì)顆粒樹脂的柱， 樹脂層的高度 只約 0.8m ，但它的工作周期時(shí)間亦較短。樹脂柱的底部裝上細(xì)孔平板及篩網(wǎng)， 樹脂放置在篩網(wǎng)之上。 一種設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(dāng)樹脂反洗時(shí)， 從底部進(jìn)水， 均勻 地沖動樹脂層， 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(shí)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(jì)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 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(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(jì) 算單位。糖液通過樹脂層與樹脂接觸的時(shí)間為通過速度 BV/h 的倒數(shù)， 如通過速 度為 3BV/h ，則接觸時(shí)間為 1/3 小時(shí)；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(jì) ） 。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(gè)系統(tǒng)， 樹脂在

5、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(gè)循環(huán)中順次進(jìn)行各項(xiàng)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(shè)計(jì)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(shí)， 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

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(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 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(shí)， 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(shí)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(shí)間后， 脫色效能不足，就要停下來再生。這個(gè)脫色工作時(shí)間一般為820小時(shí)；在處理低色值糖液時(shí)可延長到數(shù)十小時(shí)。停用后各種輔助工作和再生的時(shí)間需數(shù)小 時(shí)。離子交換樹脂的具體使用過程如下：(1預(yù)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(nèi)均勻 堆積，密度一致。在準(zhǔn)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(shí)回收的稀糖 液及濃糖液，各需時(shí) 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(gè)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(dá) 50 60oBx 和色值符合要求時(shí)， 即轉(zhuǎn)入正常脫色運(yùn)行。( 3 )正常運(yùn)行 控制一定的入料速度，使流出糖漿色值符合指標(biāo)規(guī)定。 入料流量速度的數(shù)值， 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(dá)不到要求。在運(yùn)行一段時(shí)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(dá)

9、到限定數(shù)值時(shí)，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(shí)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(dāng)洗出液低于濃度 0.5 oBx 時(shí) 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(shí)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(shí)， 樹脂能與再生液充分接觸和進(jìn)行反應(yīng)。反洗還可將樹脂層中混雜的懸浮物沖走。 這項(xiàng)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(shí)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(jìn)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(yùn)行一段 時(shí)間后， 樹脂層被壓實(shí)， 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(shí)間后，仍可再入料工作， 待下一次反洗后才進(jìn)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(shí)間后，吸

11、附的雜質(zhì)接近飽和狀態(tài)，就要進(jìn)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(shí)際運(yùn)用中， 為降低再生費(fèi)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(jì)合理的再生水平，通?？刂菩阅芑謴?fù)程度為7080%。如果要達(dá)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性， 選擇適當(dāng)?shù)脑偕?劑和工作條件。樹脂的再生特性與它的類型和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。 強(qiáng)酸性和強(qiáng)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

12、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(shí)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(jià)格較低的酸、 堿或 鹽。例如：鈉型強(qiáng)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(qiáng)酸性樹脂用強(qiáng)酸再生，用硫酸時(shí) 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% 的稀硫酸再生。氯型強(qiáng)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(jī)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(qiáng)堿陰 樹脂則用 4%NaOH 溶液再生。 樹脂再生時(shí)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(jìn)反應(yīng)向另一方進(jìn)行， 故提高再生液濃度 可加速再生反應(yīng)，并達(dá)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 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(shí) 間約為一小時(shí)。隨后用軟水順流沖洗樹脂約一小時(shí) （ 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(diào)校 pH 值。因?yàn)樵偕撼：袎A，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(shí)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(shí)間后，由于它所吸附的一部分雜質(zhì) （特別是大分子有機(jī)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(shí)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(jī)物污染，可提高堿鹽 溶液中的NaOH濃度至0.51.0%，以溶解有機(jī)物。近年國內(nèi)研究用糖化鈣溶液對使用過的

15、樹脂進(jìn)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。（2）特殊的再生處理 污染較嚴(yán)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(jī)物，再用 4%HCl 或分別用 10%NaOH 及 1%HCl溶解無機(jī)物，隨后再用10%NaCI+1%NaOH 處理，在約70 C下進(jìn)行。 如果上述處理的效果未達(dá)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(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

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(jìn)行一次氧化處理。 由于氯型樹脂有較強(qiáng)的耐氧化性， 故樹脂在氧化處理 前應(yīng)用鹽水處理，變?yōu)槁刃停@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(jī)物， 顏色很深。 用原糖 生產(chǎn)精糖時(shí)， 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(gè)難題。Ionresin 詳細(xì)研究了用化學(xué)方法處理再生液，使色素和其他有機(jī)物沉淀，除去 雜質(zhì)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(shù)量較小，沒有糖液的粘性，并能容許強(qiáng)烈的 條件如強(qiáng)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?，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(jī)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(shí)間后，由于吸附的雜質(zhì)未能在再生時(shí)完全洗脫除去， 性能就逐漸下降， 每個(gè)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(gè)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(shí)，每個(gè)周期處理的糖液量及所達(dá)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