离子交换层态分析和逆流再生技术的探讨

1、4离子交换层态分析和逆流再生技术的探讨离子交换层态分析和逆流再生技术的探讨胡 正 王华星( 华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200002)摘要 本文从离子交换动力学和色层理论出发, 分析离子交换过程中树脂层形态的变化, 从理论上剖析顺流再生、逆流再生技术的优、缺点。关键词 离子交换层态 逆流再生 离子交换动力学 色层理论Analysis and Exploration of lon-exchange Resin Layer Behaviorand Up- flow Regeneration TechnologyHu ZhengWang Huaxing( East China Design

2、and Research of Ar chitecture I nstitute Co.L td , Shanghai200002)Abstract In this paper, starting from dynam ics of ion- exchange and theory of chromatog raphy, analysed the exchange of behav ior of ion- exchange resin layer in ion- exchange processes and demontstrated the advantages and disadvanta

3、ges of dow n- flow and up- flow regenerationKeywords behavior of ion- exchange resin layer up- flow regeneration dynam ics of ion- ex change theory of chromatography离子交换技术自三十年代进入实际工业生产领域, 应用技术和范围不断提高和扩大, 六十年代逆流再生技术的出现以及各种床型的相继使用使离子交换应用技术得到了更快发展。从离子交换动力学和色层理论分析, 离子交换应用技术的关键在于树脂层态的合理运用。逆( 顺)流再生固定床、浮动床

4、、双对流床等床型都是树脂层态的不同运用方式。深入分析离子交换过程中树脂层态的变化规律, 可以从理论上认识各种床型的优劣, 掌握它们的技术要点并指导实际运行, 进一步引导离子交换应用技术的发展。1 离子交换动力学及色层理论1. 1 离子交换动力学离子交换是非均相反应, 服从于当量定律和质量恒定律, 是离子在液固相间的可逆反应, 终点即为动态平衡点。离子交换的反应方程式通常用下式表达:RA + B+ =RB + A +在交换平衡时, 可建立平衡常数( K ) 表达式:K =( RB )( A + )( RA )( B+ )式中, R代表树脂本体;( RA ) ( RB )代表固相( 树脂) 所含离

5、子浓度;( A ) + ( B + ) 代表溶液中离子浓度。在离子交换中, K 又被称为选择性系数或亲合力系数。它反应了离子交换正逆相反应速率的差异 ; 代表了树脂对参与交换离子的亲合力大小及树脂对离子的选择特性和反应的难易程度。在多种离子共存的稀溶液中, 树脂优先交换 K 值大的离子。例如, 苯乙烯系强酸性氢型阳离子交换树脂对常温、稀溶液中常见离子的交换顺序如下:Fe3+ Al3+ Ni2+ Ca2+ M g2+ K + NH4+ Na+ H+可参考的 K 值如下:Na+K+K H+NH42. 55; K H+2. 9;2. 1; K H+Mg2+Ca2+Pb2 +9. 91K H +3.

6、3; K H+5. 2; K H+苯乙烯系强碱性氢氧 型阴离子交换树脂对常净水技术 Vol. 21 NO . 1 20025温、稀溶液中常见离子的交换顺序如下:PO34- H SO -4 NO-3 Cl- F- HCO-3 HSiO-3 OH-可参考的 K值如下:-Cl-H CO36. 0;22;HSO485K OH- 3K OH -K OH-通过改变溶液条件从而改变树脂的选择系数,使离子交换反应逆向进行, 饱和树脂重新获得交换基团, 即被称为树脂的再生过程。在这种情况下树脂的选择性系数 K 的变化规律较为复杂, 目前尚未掌握其规律。一般认为, 亲合力大的离子再生较为困难; 交换时亲合力小的离

7、子, 再生较为容易。1. 2 离子交换色层理论通常我们用色层理论来描述动态离子交换过程, 在本文所涉及范围内的要点有:1. 2. 1 交换达到预定溶液浓度( 出水水质) 所需的离子交换树脂层厚度称为交换带。影响交换带厚度的因素主要有: 原液中树脂可交换离子的性质、浓度及其在原液组份中的比例、流出液中可交换离子允许的浓度、树脂的再生度、交换流速、溶液温度、树脂品种等。生) 过程取得最佳的效果。1. 2. 4 离子交换终端( 出水端) 树脂层的再生度越高, 则离子交换越彻底。这是由于终端树脂层是交换进行时正逆向反应的动态平衡终点, 此点树脂层的再生度越高, 则树脂中杂质离子含量就越少, 出水水质越

8、好。此外, 离子交换终端树脂层的再生度越高, 树脂的交换势越强, 达到预定出水水质所需的交换带厚度越小, 则树脂的使用率就越高, 树脂层的平均工作交换容量就越高。2 顺流再生固定床的层态分析顺流再生固定床是最早运用的一种离子交换方式, 以交换液与再生液流动方向( 一般是自上而下)相同为特征。其交换运行初期的树脂层型态( 即再生终了层态) 如图 1; 交换运行过程中的树脂层态如图 2; 交换运行终了时的树脂层型态( 失效层态或称再生开始时层态) 如图 3。1. 2. 2 由于树脂对溶液中离子是有选择地交换, 且优先交换与其亲合力大的离子, 而亲合力大的离子又可以交换取代树脂中已吸附的亲合力小的离

9、子,使树脂由已形成的亲合力小的离子型态转换成亲合力大的离子形态, 因此在交换带中进行的是多种形顺流再生固定床层态变化特征如下:式的复杂交换。2. 1 再生时再生液自上而下首先接触的是饱和度1. 2. 3 离子交换继续进行, 交换带沿溶液流动方向推进, 在树脂层中将依次出现各种离子型态的饱和最高, 亲合力最大的离子型态树脂层。当再生液逐渐向下流动时, 同时发生下述四种变化:树脂层, 排列顺序与树脂对离子的选择性交换顺序A . 所接触的树脂层饱和度逐渐减小;相同; 各种离子型态在整个树脂层中所占的比例与B. 所接触的树脂层, 由亲合力较大的离子型溶液中该离子所占比例及树脂对该离子的交换容量态逐渐变

10、为亲合力较小的离子型态;有关。如存在 Ca2+ 、M g2+ 、Na+ 三种离子的溶液在进行强酸氢型交换时, 树脂对上述三种离子的选择C . 再生液中有效成分迅速减少;D . 再生液中杂质离子成分迅速增加。顺序是 Ca2+ Mg2+ Na+ H+ , 各种离子型态的2+Ca2 +这四种变化给再生过程带来的影响是:树脂在树脂层中所占比例依次为 Ca/ EH+、( 1) 由于 A 、C 的作用, 再生液的再生能力自上Mg2+Na+M g2+而下的递减, 再生结果是上层树脂再生度最高, 与交/ EH+、Na/ EH + 。在离子交换( 或再生) 过程中, 若树脂层不发生换进行时所期望的树脂层再生度分

11、布相反。为使底紊乱( 即上下层树脂颗粒搅乱) , 则树脂层中离子型层树脂达到必要的再生度( 既达到预定水质所必需态的组成和分布将按上述规律演变。所谓合理利用的再生度) 则需使用更多的再生剂。树脂层态, 就是在交换( 或再生) 过程中, 遵循树脂层( 2) 由于 B 、D 的作用, 再生液流经上层树脂离子形态的组成及分布规律并加以利用, 使交换( 再时, 置换进入再生液中的亲合力较大的离子, 会使下6离子交换层态分析和逆流再生技术的探讨层树脂中亲合力较小的离子型态部分转换成亲合力较大的离子型态, 增加再生的困难。( 3) 底层树脂所接触的是已经通过整个树脂层的再生液, 其间必然存在上层树脂置换出

12、的杂质离子, 故再生液的有效成分较低, 再生结果是底层树脂留有一定量的杂质离子。除非使用大量的再生剂,使整个树脂层的再生度都提高, 才能使底层达到相应的纯度。( 4) 上述作用还导致再生液中有效成分的利用率降低, 不但增加了再生剂用量, 还使再生废液中排出的有效成分较多, 增加了废液排放处理的困难。2. 2 交换时原液首先接触的是再生度最高的树脂层, 再通过再生度较低的树脂层, 最后流经再生度最低的且含有一定量杂质离子的树脂层出流。这样的交换过程与通过交换取得较好水质的预期目的恰好相反, 因此必然导致:( 1) 交换进行得不彻底和底层杂质离子的缓慢释放, 使出水水质较差。( 2) 底层树脂受出

13、水水质制约, 运行结束时树脂饱和度不可能太高; 而顶层树脂受下层树脂交换势的影响, 也不可能充分发挥交换能力, 因而整个树脂层的交换能力不能充分发挥。( 3) 底层树脂再生度较差, 所需的保护层厚度较大, 影响整个树脂层的利用率, 使树脂层的平均工作交换容量较低。综上所述, 顺流再生固定床的层态演变规律与交换目的所期望层态不符, 因而出水水质较差, 再生药剂比耗较高, 排出废液中再生剂有效成分较多, 树脂层利用率较低, 平均工作交换容量较低。这些都已在实际运行中证实。但顺流再生固定床有丰富的运行管理经验, 操作简便, 运行所需控制的参数较少, 所需配置的管阀件较少, 容易实现自动化。故目前仍有

14、大量的使用, 尤其是在自动化控制的离子交换设备中较为普遍。从提高效率、降低成本、节约能耗来分析, 这种床型是需要改进的。3 逆流再生固定床的层态分析逆流再生固定床是七十年代初投入运行的离子交换形式, 以交换液与再生液逆向流动为特征。其交换运行初期的树脂层型态( 即再生终了层态) 见图4; 交换运行过程中树脂层型态见图 5; 交换运行终了时的树脂层型态( 又称失效层态即再生开始时的层态) 见图 6。逆流再生固定床层态变化的特征如下:3. 1 再生时再生液自下而上首先接触饱和度最低、亲合力最小的离子型态的树脂, 当再生液逐步向上推移时, 同时发生下述四种变化:A . 所接触的树脂层饱和度逐渐增加;

15、B. 所接触的树脂层由亲合力较小的离子型态, 逐渐转变为亲合力较大的离子型态;C . 再生液中有效成分减少;D . 再生液中杂质离子成分增加。这四种变化对再生过程的影响是:( 1) 在再生液有效成分减少的同时, 所接触的树脂层饱和度增大, 再生液中有效成分对树脂保持一定的再生作用, 直到再生液排出前所接触顶层树脂的饱和度最大, 再生液中有效成分几乎可以全部利用。因此逆流再生的再生液利用率高, 再生废液排出的有效成分少。( 2) 通过底层树脂后再生液中所增加的离子是亲合力小的离子( 如图中 Na + ) , 对上层亲合力大的离子有再生作用, 有利于树脂层的再生。( 3) 底层树脂接触的再生液有效

16、成分高, 再生剂相对比耗高( 所接触的是整个树脂层所需的再生液 ) 。再生的结果是底层有很高的再生度, 而顶层树脂的再生度较低, 情况与顺流再生恰好相反。3. 2 交换时交换液首先接触的是再生度较低的树脂, 然后通过较高再生度的树脂层, 再流经再生度最高的底层树脂层出流, 这样的交换过程与预期的目的一致, 因此:( 1) 交换进行得彻底, 出水水质好;( 2) 出水端树脂再生度高, 需要的保护层厚度净水技术 Vol . 21 NO . 1 20027反渗透工艺系统郅玉声( 同济大学环境科学与工程学院 上海同济水净化工程有限公司, 上海 200092)摘要 本文简述了应用于地表水和地下水的七种反

17、渗透( RO) 工艺系统, 并且对如何防止在这些系统中出现的由于无机物的析出、颗粒的沉积( 胶体) 、有机物的吸附以及微生物的粘附和生长所导致的 RO 膜元件污堵的问题进行了分析与讨论。关键词 反渗透 膜元件 污堵Revere Osmosis Process SystemZhi Yusheng( Shanghai Tongj i Water Purif ication Engineering Co . L td .School of Envir onmental Science & T echnologyTongji University ,Shanghai200092)AbstractIn

18、this paper, seven kinds of reverse osmosis( RO) process systems operating on surface andg round w ater were introduced briefly and some problems in the application of these systems were discussed,w hich w ere related to the membrane scaling/ fouling resulting from the inorg anic precipitation, parti

19、culate andcolloidal accumulation, organic adsorption and microbiological adhesion and growth.Keywordsreverse osmosis( RO)mem brane elementscaling / fouling1 概述反渗透( RO) 是一种高效的膜分离技术。依目前应用情况来分析, 原水含盐量高于 200mg/ L 时,采用该 RO 技术用于水质除盐或预除盐是经济合理的。但是, 如何根据原水水质情况正确选择 RO 工艺系统, 尤其是预处理工艺, 将直接影响着 RO 装置能否长期稳定的运行。非正常运行的 RO 装置将出现产水量下降、除盐率下降、操作压力增加等现象,原因为膜元件的污堵。现已查明, 污堵来源于无机物的沉积、颗粒的沉积( 胶体) 、有机分子的吸附以及微生物的粘附和生长 1 。2 工艺系统RO 工艺系统按功能划分为预处理