離子交換裝置

1、交換器結(jié)構(gòu)

分流再生離子交換器的結(jié)構(gòu)與逆流再生離子交換器基本相似，只是將中排裝置設(shè)置在樹脂層表面下約400~600mm處，不設(shè)壓脂層。

2、工作過程

交換器失效后，先進行上部反洗，水由中排裝置進入， 由交換器頂部排出，使中排管以上的樹脂層得以反洗。然后進行再生，再生液分兩段，小部分自上部、大部分自下部同時進入交換器，廢液均從中排裝置排出。置換的流程與進再生液相同。在這種交換器中，下部樹脂層為對流再生，上部樹脂層為順流式。

采用浮動床水處理工藝運行的設(shè)備稱浮床式離子交換器，也簡稱浮動床或浮床。浮動床的運行是在整個樹脂層被托起的狀態(tài)下（稱成床）進行的，離子交換反應(yīng)是在水向上流動的過程中完成的。樹脂失效后，停止進水，使整個樹脂層下落（稱落床），于是可進行自上而下的再生。

1、交換器的結(jié)構(gòu)

浮動床本體結(jié)構(gòu)如右圖3所示。

（1）底部迸水裝置。該裝置起分配進水和匯集再生廢液的作用，有穹形孔板石英砂墊層式、多孔板加水帽式。大、中型設(shè)備用得最多的是穹形孔板石英砂墊層式。

（2）頂部出水裝置。該裝置起收集處理好的水、分配再生液和清洗水的作用。常用型式有多孔板夾濾網(wǎng)式、多孔板加水帽式和弧形母管支管式。前兩者多用于小直徑浮動床；大直徑浮動床多采用弧形母管支管式的出水裝置。

（3）樹脂層和水墊層。 運行時，樹脂層在上部，水墊層在下部；再生時， 樹脂層在下部， 水墊層在上部。為防止成床或落床時樹脂亂層，浮動床內(nèi)樹脂基本上是裝滿的，水墊層很薄。

（4）倒U形排液管。浮動床再生時，如廢液直接由底部排出容易造成交換器內(nèi)負壓而進入空氣。因交換器內(nèi)樹脂層以上空間很小，空氣會進入上部樹脂層并在那時積聚，使這里的樹脂不能與再生液充分接觸。為解決這一間題，常在再生排液管上加裝倒U形管，并在倒U形管頂開孔通大氣，以破壞可能造成的虹吸，倒U形管頂應(yīng)高出交換器上封頭。

2、 運行

浮動床的運行過程：制水→落床→進再生液→置換→下流清洗→成床，上流清洗→制水。這些過程構(gòu)成一個運行周期。

（1）落床。落床分自然落床和壓力落床。 自然落床是當(dāng)運行至出水水質(zhì)達到失效標準時，關(guān)閉出、入口門2~3min，停止制水，靠樹脂自身重力從下部起逐層下落，在這一過程中同時還可起到疏松樹脂層、排除氣泡的作用。壓力落床是關(guān)入口門，開下部排水門，利用出門水的壓力強迫樹脂整齊下落，時間約lmin。兩種落床方式相比較，壓力落床速度快，床層的擾動小，適用于水墊層稍高和閥門有程序控制或遠方操作的設(shè)備。 自然落床速度慢，適用于水墊層低的設(shè)備。

（2）進再生液。一般采用水射器輸送。先啟動再生專用泵（也稱自用水泵），調(diào)整再生流速；再開啟再生計量箱出口門，調(diào)整再生液濃度，進行再生。

（3）置換。待再生液進完后，關(guān)閉計量箱出口門，繼續(xù)按再生流速和流向進行置換。

（4）下流清洗。置換結(jié)束后，開清洗水門。

（5）成床、上流清洗。進行上流清洗，直至出水水質(zhì)達標時，即可轉(zhuǎn)入制水。

順流再生離子交換器是離子交換裝置中應(yīng)用最早的床型，這種設(shè)備運行時，水流自上而下通過樹脂層；再生時，再生液也是自上而下通過樹脂層，即水和再生液的流向相同。

1、交換器的結(jié)構(gòu)交換器的主體是一個密封的圓柱形壓力容器，器體上設(shè)有人孔、樹脂裝卸孔和用來觀察樹脂狀態(tài)的窺視孔。體內(nèi)設(shè)有進水裝置、排水裝置和再生液分配裝置。交換器中裝有一定高度的樹脂，樹脂層上面留有一定的反洗空間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如右圖1所示。

（1）進水裝置。進水裝置的作用是均勻分布進水于交換器的過水?dāng)嗝嫔?，所以也稱布水裝置，它的另一個作用是均勻收集反洗排水。由于這種設(shè)備運行時樹脂層上方有較厚的水墊層，因此對進水裝置要求不高。

（2）排水裝置。排水裝置的作用是均勻收集處理好的水，也起均勻分配反洗進水的作用，所以也稱配水裝置。一般對排水裝置集水的均勻性要求較高，常用的排水裝置有穹形孔板石英砂墊層式、多孔板加水帽式等。

（3）再生液分配裝置。再生液分配裝置。應(yīng)能保證再生液均勻地分布在樹脂層面上。

直按沖擊樹脂層面造成凹凸不平，從而使水流在交換器斷面上均勻分布。

2、交換器的運行

順流再生離子交換器的運行通常分為五步，從交換器失效后算起為反洗、進再生液、置換、正洗和制水。這五個步驟組成交換器的一個運行循環(huán)，稱運行周期。

（1）反洗。交換器中的樹脂失效后，在迸再生液之前，常先用水自下而上進行短時間強烈的反沖洗。反洗的目的是：松動樹脂層以及清除樹脂上層中的懸浮物、碎粒。反洗水的水質(zhì)應(yīng)不污染樹脂。對于陽離子交換器可用清水，陰離子交換器可用陽離子交換器的出水，或者采用該交換器上次再生時收集起來的正洗水。反洗也可以依據(jù)具體情況在運行幾個周期后定期進行。這是因為有時在交換器中懸浮物的累積并不很快，而且樹脂層并不是一下子壓得很實，所以有時沒必要每次再生前都要迸行反洗。

（2）進再生液。進再生液前，先將交換器內(nèi)的水放至樹脂層表面以上約100~200mm處，然后用一定濃度的再生液以一定流速自上而下流過樹脂層。再生是離子交換器運行操作中很重要的一環(huán)。影響再生效果的因素很多，如再生劑的種類、純度、用量、濃度、流速。溫度等。

（4）正洗。置換結(jié)束后，為了清除交換器內(nèi)殘留的再生液和置換出的離子，應(yīng)用運行時的進水自上而下清洗樹脂層。正洗一直進行到出水水質(zhì)合格為止。正洗水量一般為樹脂層體積的3~10倍，因設(shè)備和樹脂不同而有所差異。

（5）制水。正洗合格后即可投人正常運行階段，即制水階段，一級陽離子交換器運行的流速一般控制在20~30m/h。此流速與進水水質(zhì)、交換劑的性質(zhì)有關(guān)，如進水中離子濃度越大，則流速應(yīng)控制得越小。每個離子交換器的最優(yōu)運行條件可通過調(diào)整試驗來確定。

為了克服順流再生中出水端樹脂再生度低的缺點，廣泛采用對流再生工藝，即運行時水流方向與再生時再生液流動方向相對迸行的水處理工藝。習(xí)慣上將運行時水自上而下。再生時再生液自下而上的對流水處理工藝稱為逆流再生工藝，采用逆流再生工藝的裝置稱逆流再生離子交換攢；將運行時水由下向上流動、再生時再生液由上向下流動的對流水處理工藝稱為浮動床水處理工藝。

由于逆流再生工藝中再生液及置換水都是從下而上流動的，如果不采取措施，流速稍大時，就會發(fā)生與反洗那樣使樹脂層擾動的現(xiàn)象，有利于再生的層態(tài)會因此而被打亂，這種現(xiàn)象通常稱為亂層。若再生后期發(fā)生亂層，則會將上層再生差的樹脂或多或少地翻到底部，這樣就必然失去逆流再生工藝的特點。為此，在采用逆流再生工藝時，必須從設(shè)備結(jié)構(gòu)和運行操作采取措施，以防發(fā)生亂層現(xiàn)象。

1、交換器的結(jié)構(gòu)

逆流再生離子交換器的結(jié)構(gòu)如右圖2所示。與順流再生離子交換器結(jié)構(gòu)不同的地方是，在樹脂層表面處設(shè)有中間排液裝置，以及在中間排液裝置上面加有壓脂層。

（1）中間排液裝置。該裝置的作用主要是使向上流動的再生液利清洗水能均勻地從此裝置排走，不會因為有水流流向樹脂層上面的空間而擾動樹脂層。其次，它還兼作小反洗的進水裝置和小正洗的排水裝置。 常用的形式是母管支管式。

(2）壓脂層。設(shè)置壓脂層的目的是為了在溶液向上流動時樹脂不亂層，但實際上壓脂層產(chǎn)生的壓力很小，并不能靠自身起到壓脂作用。壓脂層真正的作用：一是過濾掉水中的懸浮物，使它不進入下部樹脂層中，這樣便于將其洗去而不影響下部的樹脂層態(tài)；二是可以使頂壓空氣或水通過壓脂層均勻地作用于整個樹脂層表面，從而起到防止樹脂向上竄動的作用。

2、交換器的運行

在逆流再生離子交換器的運行操作中，制水過程和順流式?jīng)]有區(qū)別。只是在再生操作以為防止樹脂亂層措施的不同而異。

3、無頂壓逆流再生

逆流再生離子交換器為了保持再生時樹脂層穩(wěn)定，必須采用空氣頂壓或水頂壓，這不僅增加了一套頂壓設(shè)備和系統(tǒng)，而且操作也比較麻煩。研究指出，如果將中排裝置_匕的孔開得足夠大，使這些孔的水流阻力較小，并且在中排裝置以上仍裝有一定厚度的壓脂層，那么在無頂壓情況下，逆流再生操作時就不會出現(xiàn)水面超過壓脂層的現(xiàn)象，因而樹脂層就不會發(fā)生擾動，這就是元頂壓逆流再生。

如果在逆流再生固定床中裝入強型和弱型兩種樹脂 (保留壓脂層)，由于兩種樹脂的密度不同，反洗后可以形成明顯的分層，弱型樹脂在上面，強型樹脂在下面，即形成雙層床。雙層床的結(jié)構(gòu)、運行操作與逆流再生固定床完全相同。雙層床充分發(fā)揮強型、弱型樹脂各自的長處而克服其不足，優(yōu)點是：再生劑利用率高，制水成本低；樹脂的工作交換容量大，周期制水量大；抗有機污染能力強。缺點是阻力大，運行時水頭損失大，反洗難度大。

如果在兩層樹脂之間加上多孔隔板，弱型樹脂位于上室，強型樹脂位于下室 (樹脂頂部設(shè)有一層惰性樹脂)，雙層床就演變?yōu)殡p室床。雙室床相當(dāng)于兩級 (強型樹脂和弱型樹脂)逆流再生固定床的串聯(lián)，優(yōu)點是對樹脂密度無特殊要求，無需頂壓再生，操作簡單。缺點是再生時強型樹脂易亂層；因各室樹脂填充較滿，需要進行體外清洗，樹脂移進移出，不僅操作復(fù)雜，且易導(dǎo)致樹脂破碎。

（1）晶格交換理論：離子交換樹脂的交換機理與晶體中的晶格離子和電解質(zhì)溶液離子間的交換相似，可以把各種陽離子和陰離子交換樹脂看做為具有大分子量的聚合電解質(zhì)，與離子交換樹脂中的功能基結(jié)合的離子像晶體的聯(lián)接離子一樣，可與相接觸的電解質(zhì)溶液中的某些離子進行交換。

（2）雙電層理論：對離子交換的解釋建立在古維和斯特恩的雙電層模型上，這種模型認為離子交換樹脂在溶液中與膠體類似。存在一個雙電層。離子交換樹脂的功能基構(gòu)成固定不變的內(nèi)層，與功能基結(jié)合的離子為可擴散移動的外層。擴散外層中的離子一直延伸到外面溶液的介質(zhì)中，溶液中的一些離子將會替代某些原來處于這一層中的離子，發(fā)生離子交換，這種交換按化學(xué)計量進行。

（3）道南膜理論：假定離子交換樹脂由不能滲透擴散的離子和能擴散的交換離子組成，把離子交換樹脂看成是濃的電解質(zhì)溶液，離子交換樹脂和液的接觸界面作為膜，離子交換樹脂中的可交換離子和溶液中某些帶相同電荷的離子，在適當(dāng)條件下，穿過假定膜發(fā)生交換。

離子交換反應(yīng)是指離子交換劑功能基中的陽離子或陰離子與溶液中同性離子進行可逆交換的過程。用于濕法冶金的離子交換劑主要是離子交換樹脂。具有固定陰離子的離子交換樹脂，它交換的離子帶正電荷，其交換過程稱為陽離子交換；而具有固定陽離子的離子交換樹脂，所交換的離子帶有負電荷，其交換過程，稱為陰離子交換。離子交換是在離子交換設(shè)備中進行的，通過離子交換劑的吸附和解吸作用進行物質(zhì)的分離或富集以及離子交換樹脂再生。涉及離子交換的主要參數(shù)有離子交換樹脂分配吸收、交換率。在離子交換工藝過程中，按處理的料液是否含有懸浮固體，分為礦漿吸附法和清液吸附法。顧名思義，礦漿吸附法是用于離子交換樹脂直接在礦漿中進行吸附作業(yè)，而清液吸附法是在不含懸浮固體料液中進行吸附的離子交換工藝。