离子交换树脂的实际使用

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3～10m3，直径2.3～3.3m，高3.3～4m，树脂床的高度0.6～2m。树脂柱为立式圆筒形结构，两端密封，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，在它的上面再装一层15cm 厚的从2.5×1.5mm 到3.5×1.5mm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 90

10 84 60 84 75

20 81 53 82 69

30 79 46 81 67

40 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8～20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0.5oBx 时可弃去。

（5）反洗

从树脂柱底部开入70～80℃的软水(汽凝水)，以4～6BV/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70～80%。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1～2%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70～80℃。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0.5～1.0%，以溶解有机物。

近年国内研究用糖化钙溶液对使用过的树脂进行再生，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%NaCl+1%NaOH处理，在约70℃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2～4BV/h，通过量10～20BV，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6～

9m3。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5～10%容积的石灰乳(浓度为含CaO100g/L)，加热到60℃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300～500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 85

201～300 45 84

301～400 45 82

401～450 45 79

451～500 42 70

501～550 34 61

可见，树脂在使用超过450周期后，处理能力及脱色率均明显下降。按使用450周期计算，每m3树脂处理的糖浆固溶物量约为14000吨。

另一炼糖厂规模为600～700/d，使用丙烯酸树脂总量为12.5m3。每周期处理糖浆量为54BV(运行18小时，流速

3BV/h)，脱色率约80%。工作寿命为300周期。由此算出每m3树脂处理糖浆固溶物量约为12,000吨。

无疑，树脂的工作寿命在很大程度上决定于原料的色值及前面的清净处理的效果。树脂在长期使用过程中会有一些损失(破碎与流失)，因此，长期连续运行的树脂柱，每年约需补充5%。