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离子交换树脂及装置设计详解

离子交换有广泛应用领域。在给水处理中,可用于水质软化和脱盐,制取软化水、纯水和超纯水;在废水处理中,可除去废水中的某些有害物质,回收有价值化学品、重金属和稀有元素;在国防、化工、生物制药等方面,能有效地进行分离、浓缩、提纯等功能。离子交换是靠交换剂自身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的。推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲合能力,这就是离子交换的基本原理。

一、离于交换剂

(一)离子交换剂的种类

离子交换剂是实现交换功能的最基本物质。离子交换剂根据其材料可分为无机离子交换剂和有机离子交换剂,又可分为天然离子交换剂和人工合成离子交换剂等。天然离子剂如粘土、沸石、褐煤等。人工合成离子交换树脂有凝胶树脂、大孔树脂、吸附树脂、氧化还原树脂、螯合树脂等。其交换能力又可分为强碱性、弱碱性、强酸性、弱酸性等多种类型。

(二)离子交换树脂的基本特性

依其功能用途不同、原料性能不同,所制的树脂特性也不相同。常用的凝胶树脂的主要特性简介如下。

1.树脂的外观与粒度

凝胶型阳树脂为半透明的棕色或淡黄色的小球,阴树脂颜色略深。树脂粒度和均一度影响树脂的性能,粒度越小表面积就越大;但粒度过细不仅增大液体在树脂层内的阻力,而且也会影响树脂的机械程度,降低使用寿命。通常树脂小球直径为0.2-0.8mm。

2.树脂的密度

树脂密度分为干密度和湿密度。干密度是在温度115℃真空干燥后的密度。湿密度又分湿真密度和湿视密度

(1)湿真密度是树脂在水中充分膨胀后的质量与自身所占体积(不含树脂颗粒之的空隙)之比值(g/cm3)。不同类型树脂,湿真密度不同。即使同一类型的阳树脂或阴树脂,由于所含交换离子种类不同,湿真密度大小也不相同。

(2)湿视密度 湿视密度又称堆积密度,是指树脂在水中充分溶胀后,单位体积树脂所具有的质量。湿视密度可用来计算离子交换柱内填充树脂的所需量。

3.树脂的交联度

树脂的骨架是靠交联剂连接在一起的。交联度是指交联剂所占有的份数,一般用交联剂占单体质量百分数来表示。例如,聚苯乙烯树脂用二乙烯苯作交联剂,其用量占单体总料量的8%时,则这种树脂的交联度为8%。

交联度直接影响树脂的性能。交联度越高,树脂的机械强度就越大,对离子的选择性越强,但离子的交换速度就越慢。这是因为交联度高,表明树脂的结构紧密,孔隙率低,同时树脂在水中溶胀率也低,因而水中的离子在树脂内扩散速度小,影响了离子间的交换能力。

4、树脂的稳定性

(1)树脂的热稳定性 树脂的热稳定性与构成树脂结构中的各部分成分密切相关。盐型树脂比酸型、碱型都稳定。如钠型碳化聚苯乙烯树脂,能在120℃下使用,而其氢型只能在 100℃以下使用。而强碱性聚苯乙烯树脂可在60℃下使用。带有羟基的酚醛阴树脂只允许在30℃下长期使用。

(2)化学稳定性

①耐酸碱性能 一般无机离子交换剂是不耐酸碱的,只能在PH=6~7条件下使用。有机合成强酸、强碱性树脂可在PH=l~14中使用。弱酸阳树脂可在PH>4时使用,弱碱阴树脂应在PH<9时使用。一般树脂的抗酸仕优于抗碱性。无论是阳树脂还是阴树脂,当在碱的浓度超过1mol/L时,都会发生分解。

②抗氧化性能 各种氧化剂如氯、次氯酸、双氧水、氧、臭氧等会对树脂有不同程度的破坏作用,在使用前需要除去。不同类型的树脂,受到损坏的程度不同。就其抗氧化的能力来讲,交联度高的树脂优于交联度低的树脂;聚苯乙烯类树脂优于酚醛类树脂;钠型树脂优于氢型树脂;氯型树脂优于氢氧型树脂。大孔树脂优于凝胶树脂。

5 树脂的选择性与选择系数

树脂对不同的离子具有不同的亲和能力,对亲和能力强的离子优先选择,和它结合力强使之不易泄漏。但由于结合牢固,再生时,该离子被置换下来就很困难。

树脂对离子亲和能力的差异,取决于两个方面。一是树脂自身的性能,尤其是自身的交联度。交联度越大,对离子的选择性就越大,其亲和能力就越强。反之,就越弱。二是与溶液中离子的性质、组分和浓度有关。在常温低浓度的水溶液中,存在如下的规律性。

(1)强酸阳离子交换树脂 这种树脂对溶液中价数越高的离子,亲和能力越强。在同价数离子中,原子序数越大,亲和能力就越强。

(2)弱酸阳离子交换树脂 这种树脂对氢离子选择能力特别强,对多价离子的选择能力也优于低价离子。

(3)强碱阴离子交换树脂 一般而言,强碱阴树脂的选择性是随溶液中阴离子的价数增加而增大。

(4)弱碱阴离子交换树脂 弱碱阴树脂对离子的选择规律,取决于溶液中的离子价态、水合离子半径和离子结构。但弱碱阴树脂对OH一离子具有更强的选择性。弱

上述树脂的选择规律,只适于低浓度的水溶液中。在高浓度水溶液中(一般离子浓度在3mol/L以上),情况就比较复杂,甚至会出现相反的选择顺序。树脂的再生就是利用高浓度的酸、碱、盐来实现的。

同一种材料制备的树脂,由于交联度大小不同,对同一离子的选择系数也不相同,交联度越高,其选择性越强。 

6.树脂的交换量

树脂的交换量又称作交换容量,是指单位质量或体积(g或mL)的离子交换树脂所能够交换出离子的物质的量(mol)。交换容量是代表树脂质量的一项重要指标。

在树脂结构中,交换功能基越多,可交换的离子就越多,交换容量就越大。交换容量在不同条件下具有不同的表达形式,其数值也不相同。全交换容量,是指每单位量的树脂(g或L,在100℃干燥至质量恒定)能够交换的离子总量。工作交换容量,是指在某一指定的工作条件下,树脂实际上所能表现出来的离子交换的总量。工作交换容量一般小于全交换容量。穿漏交换容量,是指在使用中的离子交换柱出流液中,一出现要除去的某种离子时,树脂所交换的离子数量。在纯水的制备和废水处理过程中,这是一项控制指标。

 

二、离子交换过程

(一)发生离子交换的可行性

当带有A离子的树脂RA,放人含有B离子的溶液之中后,A离子能否与B离子发生交换反应及反应程度的指标是树脂的选择系数。

(1)当KAB》1时,说明 RA型树脂对 B离子选择性高,离子交换过程可以进行。KAB》l,表明对B离子选择性更高,交换过程进行更完全。

(2)当KAB<1时,表明RA树脂对A离子的选择性要比对B离子的选择性高,RA型树脂不适用于对含有B离子的交换溶液。通常这种反应过程无法进行。

(3)当KAB=1时,表明RA型树脂对A、B两种离子的选择能力相同,因而无法分开这两种离子。

从上述可以看出,只有在第一种情况下,离子交换过程才能够正常进行。

(二)影响离子交换速度的因素

从交换步骤看出,交换与被交换下来的离子,都要经过穿过树脂表面膜层。在树脂空隙内扩散、在功能基位置上进行交换这样相同的三过程。实际上化学交换在瞬间即可完成,因而影响离子交换速度的因素,只能产生于离子在膜层扩散和在树脂孔隙内扩散这两千过程之中。

1.提高离子穿过膜层的速度的措施

(1)加快交换体系搅拌速度或提高溶液的过流速度,以减低树脂表面的膜层厚度。

(2)提高溶液中的离子浓度。

(3)增大交换剂的表面积,即减小树脂的粒度。

(4)提高交换体系的温度,以加快扩散速度。

2 加快离子在树脂空隙内扩散速度的措施

(1)降低凝胶树脂的交联度,增加大孔树脂的致孔剂。以此提高树脂的孔隙率、孔度和深度,有利于离子的扩散。

(2)提高交换体系温度,以加快扩散速度。

(3)离子在孔隙内的扩散速度还与离子自身性质有关,离子价数越低或离子半径越小,则其扩散速度越快。

 

(三)交换过程的平衡,树脂的饱和与再生

离子在交换过程中,当树脂功能基上可交换的离子与溶液中的离子大部分或绝大部分进行了交换,或者当交换柱的出流液中,残存的离子浓度超过某一规定指标时,则可认为交换过程达到了平衡或树脂巳饱和,需要进行再生,为下一个交换过程创造条件。

1.固定床树脂的再生方式

(1)顺流再生 在交换柱中,再生液与被处理的溶液流向相同。一般在交换柱的上部进液,底部排出。

(2)逆流再生 在交换柱中,再生液与被处理溶液流向相反。一般被处理溶液在交换柱顶进底出,而再生液则底进顶出。

(3)分流再生 再生液从交换柱的顶部、底部同时进,从交换柱的体侧出。

(4)串联再生 当两个(或几个)离子交换柱串联使用时,被处理液由往顶进人底部,再由底部串人下一个往顶,以此串至最后,从柱底排出。再生液则由最后一个往顶进人底部排出,然后再串人下一个柱顶,直至首个交换柱底部排出。

(5)体外再生 在阴阳离于混合交换柱中,树脂饱和后,两种树脂全部或只有阴树脂移出交换柱,去进行再生。再生后的树脂再移回到混合交换柱中。

2.再生剂的用量

再生剂用量与树脂再生效果和运行费用密切相关。再生剂用量还同再生方式、树脂类型和再生剂的种类有关。

3.再生液的浓度

再生液浓度与再生方式、树脂类型有关。用硫酸作再生液时,建议分为三步逐次再生,再生效果较好。

4.再生液温度

在树脂允许的温度范围内,再生液温度越高,再生效果就越好。为节省运行费用,一般均在常温下再生。为了除去树脂中一些有害物质或再生困难的高于,再生液可加热到35~40c。

5.再生液的流速

再生液流速涉及到再生液和树脂的接触时间,直接影响再生效果。在离子交换柱中,再生液的流速一般控制在4~8m/h。

6.树脂再生后的清洗

树脂再生后,树脂层内残存一定量的再生剂,需用产品水(或去离子水)进行正洗或反洗,清洗水量可通过计算确定,在一般小型软化或纯水系统中,清洗水量约占总产品水量的10%~20%。也有采用清洗至出水pH为中性或接近于中性为止。

 

三、离子交换系统和设备

一个完整的离子交换系统,主要包括预处理单元、离子交换单元、再生单元和电控仪表等。对离子交换单元装置简介如下。

(一)离子交换单元装置分类

根据离子交换柱的构造、用途和运行方式,离子交换单元装置可按下图分类。

 

(二)离子交换固定床体系

所谓固定床体系是指树脂的交换和再生过程是在同一设备内,在不同时间内进行。因此再生时,交换程序就要停止运行固定床依据不同使用要求和水力流向,又分为以下几种形式。

(1)单床和多床形式 是指在交换柱内,只装填一种树脂。如用于水质软化只填充阳树脂。只需一个交换柱为单床,多个这样的交换柱串联或并联在一起称为多床。

(2)复床形式 有的交换柱要填充阳树脂,有的交换柱要填充阴树脂,将两种交换柱串联在一起使用称为复床。

(3)浮动床形式 被处理水自下而上,依靠水流的作用力将树脂层托浮起来,成为悬浮状态,故称浮动床。浮动床的工艺操作程序如图所示

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