离子交换层态分析和逆流再生技术的讨论

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1、2007年6月高能量密度物理第2期离子交换层态分析和逆流再生技术的讨论王利鸣,王永伟,李远,李劲,王敏鸿,周智,戴文华(中国工程物理研究院流体物理研究所106室,四川绵阳621900)摘要:从离子交换动力学和色层理论出发,分析了离子交换过程中树脂层型态的变化;结合实际应用,介绍了顺流再生和逆流再生技术的优、缺点。关键词:离子交换动力学;色层理论;离子交换层态;逆流再生1引言离子交换技术于20世纪30年代进入工业领域,应用范围和技术不断扩大和提高,60年[1]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

2、的发展。基于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、双对流床等床型都是树脂层态的不同应用方式。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。2离子交换动力学及色层理论2.1离子交换动力学离子交换是非均相反应,服从当量定律和质量守恒定律,是离子在液固相间的可逆反应,[2]++终点即为动态平衡点。离子交换的反应方程式通常表示为RA+B=RB+A。在交换平[3]衡时,可建立平衡常数k的表达式+(RB)×(A

3、)k=+(RA)×(B)++式中:R代表树脂本体,(RA)和(RB)代表固相(树脂)所含离子浓度,(A)和(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和力系数。它反映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和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[4]阳离子交换树脂对常温、稀溶液中常见离子的交换顺序为3+3+2+2+2+2+++++Fe>Al>Pb>Ni>Ca>Mg>K>NH4>Na>H[4]苯乙烯系强碱

4、性氢氧I型阴离子交换树脂对常温、稀溶液中常见离子的交换顺序为3--------PO4>HSO4>NO3>Cl>F>HCO3>HSiO3>OH通过对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。一般认为,交换时亲和力大的离子再生较为困难,亲和力小的离子再生较为容易。第2期王利鸣等:离子交换层态分析和逆流再生技术的讨论2.2离子交换色层理论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被称为交换带。影响交换带厚度的主要因素有原液中树脂可交换离子的性质、浓度及

5、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,树脂的品种等。由于树脂对溶液中离子是有选择的交换,且优先交换与其亲和力大的离子,而亲和力大的离子又可以交换取代树脂中已吸附的亲和力小的离子,使树脂由已形成的亲和力小的离子型态转换成亲和力大的离子型态,因此在交换带中进行的是多种形式的复杂交换。离子交换进行时,交换带沿溶液流动方向推进,在树脂层中依次出现各种离子型态的饱和树脂层,排列顺序与树脂对离子的选择性交换顺序相同;各种离子型态在整个树脂层中所占的比例与溶液中该离子所占比例及树脂对该离子的交

6、换容量有关。在离子交换(或再生)过程中,若树脂层不发生紊乱(即上下层树脂颗粒被搅乱),则树脂层中离子型态的组成和分布将按上述规律演变。所谓合理利用树脂层态,就是在交换(或再生)过程中,遵循树脂层离子型态的组成和分布规律并加以利用,使交换(再生)过程取得最佳效果。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,则树脂中杂质离子的含量就越少,出水水质越好。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

7、度就越小,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。3层态分析3.1顺流再生固定床顺流再生固定床是最早运用的一种离子交换方式,以交换液与再生液的流动方向(一般是自上而下)相同为特征。2MeV注入器的去离子水交换系统在交换运行各阶段的树脂层型态如图1所示。图1顺流再生固定床层态顺流再生固定床层态变化特性:71高能量密度物理2007年6月再生时再生液自上而下首先接触的是饱和度最高、亲和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4种变化:(1)所接触的树脂层饱和度逐渐减小;(2)所接触的树脂层由亲和力较大的

8、离子型态逐渐变为亲和力较小的离子型态;(3)再生液中有效成分迅速减小;(4)再生液中杂质离子成分迅速增加。这4种变化给再生过程带来的影响:(a)由于(1)、(3)的作用,再生液的再生能力自上而下递减,再生结果是上层树脂再生度最高,与交换进行时所期望的树脂层再生度分布相反。为使