離子交換裝置分流再生

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(shù)脂層表面下約400~600mm處，不設(shè)壓脂層。

2、工作過(guò)程

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

為了克服順流再生中出水端樹(shù)脂再生度低的缺點(diǎn)，廣泛采用對(duì)流再生工藝，即運(yùn)行時(shí)水流方向與再生時(shí)再生液流動(dòng)方向相對(duì)迸行的水處理工藝。習(xí)慣上將運(yùn)行時(shí)水自上而下。再生時(shí)再生液自下而上的對(duì)流水處理工藝稱(chēng)為逆流再生工藝，采用逆流再生工藝的裝置稱(chēng)逆流再生離子交換攢；將運(yùn)行時(shí)水由下向上流動(dòng)、再生時(shí)再生液由上向下流動(dòng)的對(duì)流水處理工藝稱(chēng)為浮動(dòng)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(dòng)的，如果不采取措施，流速稍大時(shí)，就會(huì)發(fā)生與反洗那樣使樹(shù)脂層擾動(dòng)的現(xiàn)象，有利于再生的層態(tài)會(huì)因此而被打亂，這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為亂層。若再生后期發(fā)生亂層，則會(huì)將上層再生差的樹(shù)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(diǎn)。為此，在采用逆流再生工藝時(shí)，必須從設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(shù)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(dòng)的再生液利清洗水能均勻地從此裝置排走，不會(huì)因?yàn)橛兴髁飨驑?shù)脂層上面的空間而擾動(dòng)樹(shù)脂層。其次，它還兼作小反洗的進(jìn)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(dòng)時(shí)樹(shù)脂不亂層，但實(shí)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(guò)濾掉水中的懸浮物，使它不進(jìn)入下部樹(shù)脂層中，這樣便于將其洗去而不影響下部的樹(shù)脂層態(tài)；二是可以使頂壓空氣或水通過(guò)壓脂層均勻地作用于整個(gè)樹(shù)脂層表面，從而起到防止樹(shù)脂向上竄動(dòng)的作用。

2、交換器的運(yùn)行

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

3、無(wú)頂壓逆流再生

逆流再生離子交換器為了保持再生時(shí)樹(shù)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(kāi)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(wú)頂壓情況下，逆流再生操作時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)水面超過(guò)壓脂層的現(xiàn)象，因而樹(shù)脂層就不會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，這就是元頂壓逆流再生。

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(yùn)行時(shí)，水流自上而下通過(guò)樹(shù)脂層；再生時(shí)，再生液也是自上而下通過(guò)樹(shù)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(gè)密封的圓柱形壓力容器，器體上設(shè)有人孔、樹(shù)脂裝卸孔和用來(lái)觀察樹(shù)脂狀態(tài)的窺視孔。體內(nèi)設(shè)有進(jìn)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(shù)脂，樹(shù)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(jìn)水裝置。進(jìn)水裝置的作用是均勻分布進(jìn)水于交換器的過(guò)水?dāng)嗝嫔希砸卜Q(chēng)布水裝置，它的另一個(gè)作用是均勻收集反洗排水。由于這種設(shè)備運(yùn)行時(shí)樹(shù)脂層上方有較厚的水墊層，因此對(duì)進(jìn)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(jìn)水的作用，所以也稱(chēng)配水裝置。一般對(duì)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(shù)脂層面上。

直按沖擊樹(shù)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(yùn)行

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

（1）反洗。交換器中的樹(shù)脂失效后，在迸再生液之前，常先用水自下而上進(jìn)行短時(shí)間強(qiáng)烈的反沖洗。反洗的目的是：松動(dòng)樹(shù)脂層以及清除樹(shù)脂上層中的懸浮物、碎粒。反洗水的水質(zhì)應(yīng)不污染樹(shù)脂。對(duì)于陽(yáng)離子交換器可用清水，陰離子交換器可用陽(yáng)離子交換器的出水，或者采用該交換器上次再生時(shí)收集起來(lái)的正洗水。反洗也可以依據(jù)具體情況在運(yùn)行幾個(gè)周期后定期進(jìn)行。這是因?yàn)橛袝r(shí)在交換器中懸浮物的累積并不很快，而且樹(shù)脂層并不是一下子壓得很實(shí)，所以有時(shí)沒(méi)必要每次再生前都要迸行反洗。

（2）進(jìn)再生液。進(jìn)再生液前，先將交換器內(nèi)的水放至樹(shù)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(guò)樹(shù)脂層。再生是離子交換器運(yùn)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(lèi)、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(yùn)行時(shí)的進(jìn)水自上而下清洗樹(shù)脂層。正洗一直進(jìn)行到出水水質(zhì)合格為止。正洗水量一般為樹(shù)脂層體積的3~10倍，因設(shè)備和樹(shù)脂不同而有所差異。

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

采用浮動(dòng)床水處理工藝運(yùn)行的設(shè)備稱(chēng)浮床式離子交換器，也簡(jiǎn)稱(chēng)浮動(dòng)床或浮床。浮動(dòng)床的運(yùn)行是在整個(gè)樹(shù)脂層被托起的狀態(tài)下（稱(chēng)成床）進(jìn)行的，離子交換反應(yīng)是在水向上流動(dòng)的過(guò)程中完成的。樹(shù)脂失效后，停止進(jìn)水，使整個(gè)樹(shù)脂層下落（稱(chēng)落床），于是可進(jìn)行自上而下的再生。

1、交換器的結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)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(jìn)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(dòng)床；大直徑浮動(dòng)床多采用弧形母管支管式的出水裝置。

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

（4）倒U形排液管。浮動(dòng)床再生時(shí)，如廢液直接由底部排出容易造成交換器內(nèi)負(fù)壓而進(jìn)入空氣。因交換器內(nèi)樹(shù)脂層以上空間很小，空氣會(huì)進(jìn)入上部樹(shù)脂層并在那時(shí)積聚，使這里的樹(shù)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(kāi)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(yùn)行

浮動(dòng)床的運(yùn)行過(guò)程：制水→落床→進(jìn)再生液→置換→下流清洗→成床，上流清洗→制水。這些過(guò)程構(gòu)成一個(gè)運(yùn)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(yùn)行至出水水質(zhì)達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，關(guān)閉出、入口門(mén)2~3min，停止制水，靠樹(shù)脂自身重力從下部起逐層下落，在這一過(guò)程中同時(shí)還可起到疏松樹(shù)脂層、排除氣泡的作用。壓力落床是關(guān)入口門(mén)，開(kāi)下部排水門(mén)，利用出門(mén)水的壓力強(qiáng)迫樹(shù)脂整齊下落，時(shí)間約lmin。兩種落床方式相比較，壓力落床速度快，床層的擾動(dòng)小，適用于水墊層稍高和閥門(mén)有程序控制或遠(yuǎn)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(jìn)再生液。一般采用水射器輸送。先啟動(dòng)再生專(zhuān)用泵（也稱(chēng)自用水泵），調(diào)整再生流速；再開(kāi)啟再生計(jì)量箱出口門(mén)，調(diào)整再生液濃度，進(jìn)行再生。

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

（4）下流清洗。置換結(jié)束后，開(kāi)清洗水門(mén)。

（5）成床、上流清洗。進(jìn)行上流清洗，直至出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)，即可轉(zhuǎn)入制水。

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

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

（1）晶格交換理論：離子交換樹(shù)脂的交換機(jī)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(yáng)離子和陰離子交換樹(shù)脂看做為具有大分子量的聚合電解質(zhì)，與離子交換樹(shù)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(jìn)行交換。

（2）雙電層理論：對(duì)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(rèn)為離子交換樹(shù)脂在溶液中與膠體類(lèi)似。存在一個(gè)雙電層。離子交換樹(shù)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(kuò)散移動(dòng)的外層。擴(kuò)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(huì)替代某些原來(lái)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(jì)量進(jìn)行。

（3）道南膜理論：假定離子交換樹(shù)脂由不能滲透擴(kuò)散的離子和能擴(kuò)散的交換離子組成，把離子交換樹(shù)脂看成是濃的電解質(zhì)溶液，離子交換樹(shù)脂和液的接觸界面作為膜，離子交換樹(shù)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(guò)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(yáng)離子或陰離子與溶液中同性離子進(jìn)行可逆交換的過(guò)程。用于濕法冶金的離子交換劑主要是離子交換樹(shù)脂。具有固定陰離子的離子交換樹(shù)脂，它交換的離子帶正電荷，其交換過(guò)程稱(chēng)為陽(yáng)離子交換；而具有固定陽(yáng)離子的離子交換樹(shù)脂，所交換的離子帶有負(fù)電荷，其交換過(guò)程，稱(chēng)為陰離子交換。離子交換是在離子交換設(shè)備中進(jìn)行的，通過(guò)離子交換劑的吸附和解吸作用進(jìn)行物質(zhì)的分離或富集以及離子交換樹(shù)脂再生。涉及離子交換的主要參數(shù)有離子交換樹(shù)脂分配吸收、交換率。在離子交換工藝過(guò)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(shù)脂直接在礦漿中進(jìn)行吸附作業(yè)，而清液吸附法是在不含懸浮固體料液中進(jìn)行吸附的離子交換工藝。