固定床离子交换工作过程是怎样的?

2021-09-13 10:31发布

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环境界 - ENVTIME
1楼-- · 2021-09-13 10:44

(l)交换。将离子交换树脂装于塔或罐内,以类似过滤的方式运行。交换时树脂层不动,则构成固定床操作。现以树脂(RA)交换水中B为例来讨论,如下图所示。

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当含B浓度为c0的原水自上而下通过RA树脂层时,顶层树脂中A首先和B交换,达到交换平衡时,这层树脂被饱和而失效。此后进水中的B不再和失效树脂交换,交换作用移至下一树脂层。在交换区内,每个树脂颗粒均交换部分B,因上层树脂接触的B浓度高,故树脂的交换量大于下层树脂。经过交换区,B自c0降至接近于0。ce是与饱和树脂中B浓度呈平衡的液相B浓度,可视同c0。因流出交换区的水流中不含B,故交换区以下的床层未发挥作用,是新鲜树脂。水质也不发生变化。继续运行时,失效区逐渐扩大,交换区向下移动,未用区逐渐缩小。当交换区下缘到达树脂层底部时(见图8一1(c)),出水中开始有B漏出,此时称为树脂层穿透。再继续运行,出水中B浓度迅速增加,直至与进水c0相同,此时,全塔树脂饱和。

从交换开始到穿透为止,树脂所达到的交换容量称为工作交换容量,其值一般为树脂总交换容量的60%一70%。

在床层穿透以前,树脂分属于饱和区、交换区和未用区,真正工作的只有交换区内树脂。交换区的上端面处液相B浓度为ce,下端面处为O。如果同时测定各树脂层的液相B浓度,可得交换区内的浓度分布曲线(见图8一1(b))。浓度分布曲线也是交换区中树脂的负荷曲线。曲线上面的面积Ω1表示利用了的交换容量,而曲线下面的面积Ω2则表示尚未利用的交换容量。Ω1与总面积(Ω1+Ω2)之比称为树脂的利用率。

交换区的厚度取决于所用的树脂、B离子种类和浓度以及工作条件。当前两者一定时,则主要取决于水流速度。这可用离子供应速度和离子交换速度的相对大小来解释。单位时间内流人某一树脂层的离子数量称为离子供应速度v1。在进水浓度一定时,流速愈大,则离子供应愈快。单位时间内交换的离子数量称为离子交换速度v2。对给定的树脂和B,交换速度基本上是一个常数。当v1v2时,交换区的厚度小,树脂利用率高;当v1>v2时,进人的B离子来不及交换就流过去了,故交换区厚度大,树脂利用率低。合适的水流速度通常由实验确定,一般为10m/h一30m/h。交换区厚度除可实测以外,也常用经验公式估算。

上述讨论仅限于原水中只含B一种离子,实际原水中常含有多种可与树脂交换的离子。天然原水中常见的阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+。如用RH树脂处理,这些阳离子都可以与之交换。按照选择性顺序Ca2+>Mg2+Na+,树脂依次交换Ca2+、Mg2+、Na+。某一时刻树脂层液相中三种离子的浓度分布曲线如图8一1(e)所示。交换器出水浓度随时间变化如图8一1(f)所示。随着进水量增加,穿透离子的顺序依次为Na+Mg2+Ca2+

图8一1(f)表明,制水初期,进水中所用阳离子均交换出H+,生成相当量的无机酸,出水酸度保持定值。运行至a点时,Na+首先穿透,且迅速增加,同时酸度降低,当Na+泄漏量增大到与进水中强酸阴离子含量总和相当时,出水开始呈现碱性;当Na+增加到与进水阳离子含量总和相等时,出水碱度也增加到与进水碱度相等。至此,H离子交换结束,交换器开始进行Na+交换,稳定运行至b点之后,硬度离子开始穿透,出水Na+含量开始下降,最后出水硬度接近进水硬度,出水Na+接近进水Na+,树脂层全部饱和。

(2)再生。在树脂失效后,必须再生才能再使用。通过树脂再生,一方面可恢复树脂的交换能力,另一方面可回收有用物质,化学再生是交换的逆过程。根据离子交换平衡式:RA+B=RB+A,如果显著增加A离子浓度,在浓差作用下,大量A离子向树脂内扩散,而树脂内的B则向溶液扩散。反应向左进行,从而达到树脂再生的目的。

固定床再生操作包括反洗、再生和正洗三个过程。反洗是逆交换水流方向通人冲洗水和空气,以松动树脂层,清除杂物和破碎的树脂。经反洗后,将再生剂以一定流速(4m/h一8m/h)通过树脂层,再生一定时间(> 30min),当再生液中浓度低于某个规定值后,停止再生,通水正洗,正洗时水流方向与交换时水流方向相同。有时再生后还需要对树脂做转型处理。