离子交换与吸附(1)

§3.5 离子交换设备
§ 3.5.1 概述
• 离子交换设备分类:
– 按其结构类型，可分为罐式、塔式与槽式三类;
– 按其操作方式分为间歇式，周期式与连续式;
– 按树脂与溶液的接触方式分为固定床、流化床与移动 床三类。
• 对离子交换设备的基本要求是：
（1）树脂与溶液应接触良好;
（2）树脂在柱内停留时间要长，溶液在柱内停留时间在保 证吸附率前提下应尽量短;
（3）树脂相与溶液相容易分离;
（4）尽量减少或避免树脂的磨损与破碎。
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§3.5.2 典型离子交换设备
§3.5.2.1 固定床
– 固定床是工程上使用最为普遍的一类离子交换 设备
– 优点
• 结构简单，操作方便，树脂磨损少,适应于澄清料液 的交换,操作费用也低。
– 缺点
• 管线复杂，阀门多，不适合悬浮物较多的料液. • 树脂利用率低,投资费用高。
如苛性碱，硫化物，亚硫酸盐。它们都可作为 连多硫酸盐的解吸剂。
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用氢氧化物解吸时，发生下列反应：
4 S 4 O 6 2 6 O 5 H S 2 O 3 2 2 S 3 O 6 2 3 H 2 O
连三硫酸盐对树脂的亲合力较小，所以可从树脂 上洗下，进一步再用NaCl溶液洗脱，可将树脂上残 留的连三硫酸盐与硫代硫酸盐解吸下来。
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§ 3.6.1.3 连多硫酸盐中毒
连多硫酸盐属于化学通式为SxO62-的一族多硫代 化合物，其中x＝2～6。
连多硫酸盐一般产生于含硫矿石的浸出过程。 碱性浸出时生成碱金属硫化物，它可被迅速氧化 成连多硫酸盐甚至硫酸盐。酸性浸出时有可能生 成硫代硫酸盐，它在强氧化剂存在条件下可能转 化成连多硫酸盐。
另一种解毒方法是用浓HNO3洗涤树脂，浓HNO3 可使连多硫酸盐分解。
S 4 O 6 2 1 N 3 4 8 H O 4 S 4 2 O 1 N 2 4 4 H O 2 O
硝酸量不足时，则会折出硫
S 4 O 6 2 2 N O 3 2 S O 2 4 2 N 2 2 O S
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§ 3.6.1.4 有机物中毒
离子交换树脂吸附有机物现象，在中性和碱 性介质中很普遍，酸性介质中次之。至于能否发 生树脂中毒，则视有机物存在条件和在树脂上积 累的速率而定。
浸出液中有机物来源于矿石本身所含有机物 质如页岩、地沥青；或者各种生物，微生物残骸 及其演变产物；或者来源于工艺用水，工艺漏油， 木材碎屑等工艺过程带入的有机物。
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§3.6 树脂中毒及树脂选择
§ 3.6.1 树脂中毒及处理 某些离子或分子不可逆地被树脂吸附，采
用通常的方法不能将其解吸下来而逐渐地在 树脂上积累，使树脂容量显著下降的现象称 为离子交换树脂中毒。
– 化学中毒 – 物理中毒
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化学中毒通常指的是树脂的交换基团被具有亲
和力很强的离子牢固地占据，用简单的解吸方法 不能解吸的现象。物理中毒或机械中毒是指某种 物质吸附于树脂表面或沉积于树脂孔道中，从而 阻碍离子交换的进行。实际情况可能两种原因兼 而有之。有些毒物采用特殊洗脱技术可将其从树 脂上除掉，称之为暂时性毒物，这种现象称为暂 时中毒；相反，有些毒物除非破坏树脂，否则就 不能除掉，称之为永久性毒物，这种现象称之为 永久性中毒。
τ= V R ( h r ) W
VR－床层中的树脂体积（m3） W－液相体积流量m3/h
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空间速度（SV）:
SV W VR
指单位时间，单位床容积所处理的料量， 或者说单位时间处理的料液体积是床层容积的 若干倍，故也称为设备负荷。
EBCT 1 SV
S VW A•u u VR A•H H
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减少有机物的吸附可采用如下措施:
（i）采用活性碳或多孔吸附树脂，预先吸附有机物 的预处理措施。
（ii）选择凝胶树脂进行交换作业。
（iii） 对于已经发生有机物中毒的树脂，可采用下 列措施再生:
解决硅中毒的措施有：
（i）尽量减少吸附液中的硅酸含量，包括从浸出液中 添加铝盐除硅。
（ii）不同树脂对硅的吸附能力不一样，因此应选择尽 可能吸附硅少的树脂。
（iii）采用连续逆流交换设备，以减少树脂与溶液相的 接触时间。
（iv）用洗脱剂洗硅。
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§ 3.6.1.2 铁矾中毒
矿石的硫酸浸出液中，存在一定数量的 铁离子与钠、钾离子，在合适的条件下，它 们 有 可 能 生 成 组 成 为 AFe3(SO4)2(OH)6 的 铁 矾，其中A表示K、Na等离子。在离子交换 过程中，铁钒在树脂表面聚集、沉淀，最后 形成相当牢固的包壳，将树脂包于其中。严 重时树脂床中有严重结块现象，由于铁矾的 包裹，使树脂丧失交换性能，称之为铁矾中 毒。
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§3.5.2.2 移动床 1)希金斯连续离子交换设备
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2)阿沙希连续离子交换设备
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§3.5.2.2 流化床 1.塔式流化床
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2.槽式流化床
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§ 5.3 离子交换设备的计算
仅讨论固定床设备计算:
（1）计算参数 体流速：（W）液相体积流量（m3/h） 线流速：（u）液相单位时间移动距离（m/h、cm/s） 固液两相接触时间(τ) ：又称空床接触时间(EBCT)，空间 时间或液相停留时间。
u(SV)H
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(2)固定床离子交换设备的放大
A：按设备几何形状相似原则放大
保持小设备与大设备的SV值相等，即两者有 相同的接触时间，在维持大设备与小设备有相同几 何形状，相同高径比（H／D）的条件下，进行放 大计算.
B：按操作流速相等的原则放大
按此原则放大时，应使大设备与小设备有相 同的床层高度H，只是放大床层直径。因为u与H有 相同的数值，表明大、小设备具有相同的接触时间。
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树脂中毒对生产所造成的影响，可大致归纳为：
（i）离子交换树脂性能恶化，操作容量下降； （ii）设备周转紧张或产量下降； （iii）产品质量下降； （iv）操作和设备复杂化。
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§ 3.6.1.1 硅与钙中毒
硅在酸性浸出液中可以低聚合体硅，胶 体硅，悬浮体等形式存在。低聚合体硅是造 成硅中毒的毒物。