离子交换树脂柱

1、1 、离子交换树脂柱 离子交换树脂是放置在树脂柱中进行工作的， 这有利于发挥它的功能， 并便于再 生。国外糖厂树脂柱的有效容积（装载树脂量）一般为310m3，直径2.33.3m , 高3.34m，树脂床的高度0.62m。树脂柱为立式圆筒形结构，两端密圭寸， 能承受一定的工作压力。 它通常用钢板焊接制成， 内壁整体衬上耐酸、 碱的橡胶 层，小型树脂柱可全用不锈钢制造。树脂柱总高度约为树脂层的两倍， 以备树脂工作时体积膨胀和防止反洗时树脂被 冲走。如果树脂的粒度较大， 对通过液体的阻力较小， 树脂层可较高， 并相应缩 小柱体的直径。 但如树脂粒度较细， 对液体的阻力较大，则树脂层不宜高， 以免 影

2、响液体的通过， 降低它的生产能力。 有些装载细颗粒树脂的柱， 树脂层的高度 只约 0.8m ，但它的工作周期时间亦较短。树脂柱的底部装上细孔平板及筛网， 树脂放置在筛网之上。 一种设计采用三层筛 网，分别为 60 、20 、10 目，也有采用 70 目筛，以适应颗粒较小的树脂。有些 设计不用筛网，在底部装设有大量微缝小孔的分配器， 汇集从树脂床流出的液体。 在树脂柱的顶部，装有糖浆入料管及入料分配器，进入的糖浆经过它均匀分布， 然后向下通过树脂层， 在底部集中排出。 在树脂层的上方还有另一套分配器， 连 接洗水管及再生溶液管，洗水与再生液分别从该处进入，从上向下通过树脂层， 到底部排出。 底部

3、分配器还连接反冲洗水管， 当树脂反洗时， 从底部进水， 均匀 地冲动树脂层， 将树脂中夹杂的悬浮物冲走， 经顶部分配器排出。 另在柱顶部接 有压缩空气管， 在开始入料前， 开入压缩空气将树脂颗粒略为压紧， 使形成树脂 床。树脂柱底部亦接有压缩空气管， 必要时可通过压缩空气反冲树脂层， 使其疏 松，然后再开水管反洗树脂。 柱底部还有树脂装卸管。 树脂柱内全部附件及连接 管路的材料均为不锈钢， 成分通常为 1Cr18Ni12Mo2Ti 。树脂柱的一种设计如 右图。早期的树脂柱亦有在底部用石英砂作为阻隔树脂的介质（不用筛网 ），先放置一层15cm 厚的从 4 6mm 到 6 11mm 大小的石英块，

4、在它的上面再装一层 15cm 厚的从2.5 x 1.5mm 到3.5 x 1.5mm 大小的石英砂，上面再装树脂。 树脂柱最主要的规格参数是它装载的树脂量 BV（Bed Volume,m3）。树脂柱的处理能力与它的树脂装载量成正比。 各种物料的流量和速率以 BV 或 BV/h 为计 算单位。糖液通过树脂层与树脂接触的时间为通过速度 BV/h 的倒数， 如通过速 度为 3BV/h ，则接触时间为 1/3 小时；若树脂层高 1.2m ，则糖液通过树脂层 的流速为 6cm/min（ 按树脂柱横截面计 ） 。树脂柱的工作是周期性的，工作效率不够高。近年发展了多种连续工作的装备， 只用一个系统， 树脂在

5、器内连续地缓慢地移动， 流出器外与液体一起用低速泵输 送，经过循环管流回器内， 在这个循环中顺次进行各项操作； 或者分为交换柱和 再生柱，连续循环工作。具体的设计有多种，如 Higgins 系统 Asahi 系统和双 柱系统等。它们已较多地用在水处理和化工行业中， 但在制糖工业中还用得较少。 加拿大 Macdonald 等用小型模拟设备研究了连续离子交换系统在甜菜糖厂的应 用，说明它的脱色效果更稳定，树脂的效能可更充分地利用。2 、离子交换树脂柱的工作过程 树脂柱在连续通入糖液时， 树脂逐渐吸附了色素和杂质， 其性能就逐渐下降， 流 出糖液的色值逐渐升高。例如，两种原来色值不同 （725IU

6、和 2900IU） 的糖液 在分别通过两种不同树脂柱： 苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂， 通过不同 BV 数的 糖液后的脱色率变化如下表。通过糖液 BV 数 苯乙烯系树脂 丙烯酸系树脂 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 - 它说明了，在糖液原色值较高时， 树脂性能下降得较快， 能处理的糖液总量较少； 浅色糖液的处理量则较大。 这两类树脂初时的脱色率相同， 但苯乙烯系树脂的性 能下降较快，而丙烯酸系树脂下降较慢，即较耐污染。树脂柱使用一

7、定时间后， 脱色效能不足，就要停下来再生。这个脱色工作时间一般为820小时；在处理低色值糖液时可延长到数十小时。停用后各种辅助工作和再生的时间需数小 时。离子交换树脂的具体使用过程如下：(1预备工作将树脂与水混合一起倾入树脂柱中， 借助水的浮力使树脂自然沉积， 在柱内均匀 堆积，密度一致。在准备使用前，先将水排净，然后通入压缩空气，压出余水， 并将树脂压成“床”。再生后的树脂亦要用无离子水浸泡，使用前排水和通压缩 空气。( 2)入料 树脂柱入料前，先开入约 1BV 的甜水浸润树脂层，随后开入脱糖时回收的稀糖 液及浓糖液，各需时 10 15 分钟，控制流量速度约为 2.5BV/h ，使树脂中糖

8、液浓度逐渐升高。这个过程称为上糖或甜化 (sweetening) 。然后再开入所处理 的糖浆，并注意流出液的浓度和色值， 当浓度达 50 60oBx 和色值符合要求时， 即转入正常脱色运行。( 3 )正常运行 控制一定的入料速度，使流出糖浆色值符合指标规定。 入料流量速度的数值， 视所处理原料的质量及所要求的脱色效果而定。 对于已经 过澄清处理的原糖回溶糖浆，一般控制 2 3BV/h ；而对于白糖回溶糖浆，因 其本身色值已较低，可用较大流速 (如 5BV/h) ；若流量过高，则脱色效果可能 达不到要求。在运行一段时间后， 树脂吸附积聚的杂质较多， 脱色能力降低， 流出糖液的色值 逐渐升高，当达

9、到限定数值时，即停用该柱而转用其他备用树脂柱。( 4)脱糖在停止入料后， 要将树脂床中的糖汁尽量排出， 这称为脱糖 (desweetening) 开 入前段回收的浓糖液将树脂层中的脱色糖浆压出，控制流速约 2.5BV/h ，处理 约 30 分钟。随后开入稀糖液洗出浓糖液至贮箱备用。流速与时间同上。再以无 离子水洗出稀糖液，供溶糖之用。约洗 20 分钟，当洗出液低于浓度 0.5 oBx 时 可弃去。( 5 )反洗从树脂柱底部开入7080 C的软水(汽凝水)，以46BV/h的流速反方向冲洗 树脂层， 使在工作时被压紧的树脂层松散， 并自行按颗粒大小重新铺排成床， 增 大颗粒之间的空隙， 以便于下一

10、步再生时， 树脂能与再生液充分接触和进行反应。反洗还可将树脂层中混杂的悬浮物冲走。 这项操作通常需要数十分钟， 直至洗出 液无明显混浊为止。 为防止反洗时树脂被冲走而损失， 反洗流速不可过大； 洗出 水通过简单的隔筛 （如曲筛或网袋 ） 收回流失的树脂。树脂反洗后进行再生。 如果所处理的糖液含溶解性杂质不多， 只是由于运行一段 时间后， 树脂层被压实， 或被悬浮物阻塞而影响糖液通过， 树脂仍有较好的交换 能力，则在反洗清除悬殊浮物并用无离子水浸渍一段时间后，仍可再入料工作， 待下一次反洗后才进行再生，以减少再生剂用量。3 、离子交换树脂的再生（1）常规的再生处理 离子交换树脂使用一段时间后，吸

11、附的杂质接近饱和状态，就要进行再生处理， 用化学药剂将树脂所吸附的离子和其他杂质洗脱除去， 使之恢复原来的组成和性 能。在实际运用中， 为降低再生费用， 要适当控制再生剂用量， 使树脂的性能恢 复到最经济合理的再生水平，通常控制性能恢复程度为7080%。如果要达到 更高的再生水平，则再生剂量要大量增加，再生剂的利用率则下降。 树脂的再生应当根据树脂的种类、 特性，以及运行的经济性， 选择适当的再生药 剂和工作条件。树脂的再生特性与它的类型和结构有密切关系。 强酸性和强碱性树脂的再生比较 困难，需用再生剂量比理论值高相当多； 而弱酸性或弱碱性树脂则较易再生， 所 用再生剂量只需稍多于理论值。 此

12、外，大孔型和交联度低的树脂较易再生， 而凝 胶型和交联度高的树脂则要较长的再生反应时间。再生剂的种类应根据树脂的离子类型来选用， 并适当地选择价格较低的酸、 碱或 盐。例如：钠型强酸性阳树脂可用 10%NaCl 溶液再生，用药量为其交换容量 的 2 倍（用 NaCl 量为 117g/L 树脂）；氢型强酸性树脂用强酸再生，用硫酸时 要防止被树脂吸附的钙与硫酸反应生成硫酸钙沉淀物。为此，宜先通入 12% 的稀硫酸再生。氯型强碱性树脂， 主要以 NaCl 溶液来再生， 但加入少量碱有助于将树脂吸附的 色素和有机物溶解洗出，故通常使用含 10%NaCl + 0.2%NaOH的碱盐液再生，常规用量为每升

13、树脂用 150 200gNaCl ，及 3 4gNaOH 。 OH 型强碱阴 树脂则用 4%NaOH 溶液再生。 树脂再生时的化学反应是树脂原先的交换吸附的逆反应。按化学反应平衡原理， 提高化学反应某一方物质的浓度， 可促进反应向另一方进行， 故提高再生液浓度 可加速再生反应，并达到较高的再生水平。为加速再生化学反应，通常先将再生液加热至 7080 C。它通过树脂的流速一 般为 1 2BV/h 。也可采用先快后慢的方法， 以充分发挥再生剂的效能。 再生时 间约为一小时。随后用软水顺流冲洗树脂约一小时 （ 水量约 4BV） ，待洗水排清 之后，再用水反洗，至洗出液无色、无混浊为止。 一些树脂在再

14、生和反洗之后，要调校 pH 值。因为再生液常含有碱，树脂再生后 即使经水洗， 也常带碱性。 而一些脱色树脂 （特别是弱碱性树脂 ） 宜在微酸性下工 作。此时可通入稀盐酸，使树脂pH值下降至6左右，再用水正洗，反洗各一次。 树脂在使用较长时间后，由于它所吸附的一部分杂质 （特别是大分子有机胶体物 质）不易被常规的再生处理所洗脱，逐渐积累而将树脂污染，使树脂效能降低。 此时要用特殊的方法处理。例如：阳离子树脂受含氮的两性化合物污染，可用 4%NaOH 溶液处理，将它溶解而排掉；阴离子树脂受有机物污染，可提高碱盐 溶液中的NaOH浓度至0.51.0%，以溶解有机物。近年国内研究用糖化钙溶液对使用过的

15、树脂进行再生，再生液返回生产流程再 用，不需要排放。免除了再生废液处理的问题。（2）特殊的再生处理 污染较严重的树脂，可用酸或碱性食盐溶液反复处理，如先用 10%NaCl +1%NaOH 碱盐溶液溶解有机物，再用 4%HCl 或分别用 10%NaOH 及 1%HCl溶解无机物，随后再用10%NaCI+1%NaOH 处理，在约70 C下进行。 如果上述处理的效果未达要求， 可用氧化法处理。 即用水洗涤树脂后， 通入浓度 为0.5%的次氯酸钠溶液，控制流速24BV/h ,通过量1020BV ,随即用水 洗涤， 再用盐水处理。 应当注意， 氧化处理可能将树脂结构中的大分子的连接键 氧化，造成树脂的降

16、解，膨胀度增大，容易碎裂，故不宜常用。通常使用 50 周 期后才进行一次氧化处理。 由于氯型树脂有较强的耐氧化性， 故树脂在氧化处理 前应用盐水处理，变为氯型，这还可避免处理过程中的 pH 值变化，并使氧化作 用比较稳定。（3）再生废液的处置糖厂用树脂脱色， 树脂再生的废液含有大量的色素和有机物， 颜色很深。 用原糖 生产精糖时， 每 100 吨糖的再生废液量约为 69m3 。要经过处理才能排放 （或 循环 ） ，这也是一个难题。Ionresin 详细研究了用化学方法处理再生液，使色素和其他有机物沉淀，除去 杂质后再循环使用， 减少排放， 并充分利用其中的氯化钠。 由于再生液中色素的 浓度比糖

17、汁中高 10 倍以上，液体数量较小，没有糖液的粘性，并能容许强烈的 条件如强碱性和高温等而无需顾虑糖的分解， 用化学处理比较方便。 再生液加入 510%容积的石灰乳（浓度为含CaO100g/L），加热到60 C并轻微搅拌，大 量的有色物沉淀析出。 再加入碳酸钠或二氧化碳、 磷酸钠或磷酸并保持碱性， 都 可使较多的有色物沉淀。处理后的液体添加少量食盐可返回作树脂的初级再生 液，其后再用新的盐水再生。对废液的处理还研究过多种方法：用颗粒活性炭吸附，用次氯酸钠、次氯酸钙、 氯气或臭氧将它氧化， 用超过滤或反渗透法分离它的有机物， 或用粉状树脂吸附 等。最近 Guimaraes 等研究用微生物将它的有

18、色物降解，取得较好效果。4 、离子交换树脂的工作寿命 离子交换树脂在使用较长时间后，由于吸附的杂质未能在再生时完全洗脱除去， 性能就逐渐下降， 每个工作周期所能处理的糖液量逐渐减少。 一般在使用 300500 周期后， 其性能就不符合要求， 需要更新 （或转作其他用途 ）。例如，一个日 处理240吨原糖的炼糖厂，一级脱色使用丙烯酸树脂 （总量5m3 ）。在使用不 同周期数时，每个周期处理的糖液量及所达到的脱色率的平均值如下表。周期次序 每周期处理糖液量 BV 糖液脱色率 %1 200 48 85201 300 45 84301 400 45 82401 450 45 79451 500 42 70501 550 34 61可见，树