离子交换装置

1、交换器结构

分流再生离子交换器的结构与逆流再生离子交换器基本相似，只是将中排装置设置在树脂层表面下约400~600mm处，不设压脂层。

2、工作过程

交换器失效后，先进行上部反洗，水由中排装置进入， 由交换器顶部排出，使中排管以上的树脂层得以反洗。然后进行再生，再生液分两段，小部分自上部、大部分自下部同时进入交换器，废液均从中排装置排出。置换的流程与进再生液相同。在这种交换器中，下部树脂层为对流再生，上部树脂层为顺流式。

采用浮动床水处理工艺运行的设备称浮床式离子交换器，也简称浮动床或浮床。浮动床的运行是在整个树脂层被托起的状态下（称成床）进行的，离子交换反应是在水向上流动的过程中完成的。树脂失效后，停止进水，使整个树脂层下落（称落床），于是可进行自上而下的再生。

1、交换器的结构

浮动床本体结构如右图3所示。

（1）底部迸水装置。该装置起分配进水和汇集再生废液的作用，有穹形孔板石英砂垫层式、多孔板加水帽式。大、中型设备用得最多的是穹形孔板石英砂垫层式。

（2）顶部出水装置。该装置起收集处理好的水、分配再生液和清洗水的作用。常用型式有多孔板夹滤网式、多孔板加水帽式和弧形母管支管式。前两者多用于小直径浮动床；大直径浮动床多采用弧形母管支管式的出水装置。

（3）树脂层和水垫层。 运行时，树脂层在上部，水垫层在下部；再生时， 树脂层在下部， 水垫层在上部。为防止成床或落床时树脂乱层，浮动床内树脂基本上是装满的，水垫层很薄。

（4）倒U形排液管。浮动床再生时，如废液直接由底部排出容易造成交换器内负压而进入空气。因交换器内树脂层以上空间很小，空气会进入上部树脂层并在那时积聚，使这里的树脂不能与再生液充分接触。为解决这一间题，常在再生排液管上加装倒U形管，并在倒U形管顶开孔通大气，以破坏可能造成的虹吸，倒U形管顶应高出交换器上封头。

2、 运行

浮动床的运行过程：制水→落床→进再生液→置换→下流清洗→成床，上流清洗→制水。这些过程构成一个运行周期。

（1）落床。落床分自然落床和压力落床。 自然落床是当运行至出水水质达到失效标准时，关闭出、入口门2~3min，停止制水，靠树脂自身重力从下部起逐层下落，在这一过程中同时还可起到疏松树脂层、排除气泡的作用。压力落床是关入口门，开下部排水门，利用出门水的压力强迫树脂整齐下落，时间约lmin。两种落床方式相比较，压力落床速度快，床层的扰动小，适用于水垫层稍高和阀门有程序控制或远方操作的设备。 自然落床速度慢，适用于水垫层低的设备。

（2）进再生液。一般采用水射器输送。先启动再生专用泵（也称自用水泵），调整再生流速；再开启再生计量箱出口门，调整再生液浓度，进行再生。

（3）置换。待再生液进完后，关闭计量箱出口门，继续按再生流速和流向进行置换。

（4）下流清洗。置换结束后，开清洗水门。

（5）成床、上流清洗。进行上流清洗，直至出水水质达标时，即可转入制水。

顺流再生离子交换器是离子交换装置中应用最早的床型，这种设备运行时，水流自上而下通过树脂层；再生时，再生液也是自上而下通过树脂层，即水和再生液的流向相同。

1、交换器的结构交换器的主体是一个密封的圆柱形压力容器，器体上设有人孔、树脂装卸孔和用来观察树脂状态的窥视孔。体内设有进水装置、排水装置和再生液分配装置。交换器中装有一定高度的树脂，树脂层上面留有一定的反洗空间，内部结构如右图1所示。

（1）进水装置。进水装置的作用是均匀分布进水于交换器的过水断面上，所以也称布水装置，它的另一个作用是均匀收集反洗排水。由于这种设备运行时树脂层上方有较厚的水垫层，因此对进水装置要求不高。

（2）排水装置。排水装置的作用是均匀收集处理好的水，也起均匀分配反洗进水的作用，所以也称配水装置。一般对排水装置集水的均匀性要求较高，常用的排水装置有穹形孔板石英砂垫层式、多孔板加水帽式等。

（3）再生液分配装置。再生液分配装置。应能保证再生液均匀地分布在树脂层面上。

直按冲击树脂层面造成凹凸不平，从而使水流在交换器断面上均匀分布。

2、交换器的运行

顺流再生离子交换器的运行通常分为五步，从交换器失效后算起为反洗、进再生液、置换、正洗和制水。这五个步骤组成交换器的一个运行循环，称运行周期。

（1）反洗。交换器中的树脂失效后，在迸再生液之前，常先用水自下而上进行短时间强烈的反冲洗。反洗的目的是：松动树脂层以及清除树脂上层中的悬浮物、碎粒。反洗水的水质应不污染树脂。对于阳离子交换器可用清水，阴离子交换器可用阳离子交换器的出水，或者采用该交换器上次再生时收集起来的正洗水。反洗也可以依据具体情况在运行几个周期后定期进行。这是因为有时在交换器中悬浮物的累积并不很快，而且树脂层并不是一下子压得很实，所以有时没必要每次再生前都要迸行反洗。

（2）进再生液。进再生液前，先将交换器内的水放至树脂层表面以上约100~200mm处，然后用一定浓度的再生液以一定流速自上而下流过树脂层。再生是离子交换器运行操作中很重要的一环。影响再生效果的因素很多，如再生剂的种类、纯度、用量、浓度、流速。温度等。

（4）正洗。置换结束后，为了清除交换器内残留的再生液和置换出的离子，应用运行时的进水自上而下清洗树脂层。正洗一直进行到出水水质合格为止。正洗水量一般为树脂层体积的3~10倍，因设备和树脂不同而有所差异。

（5）制水。正洗合格后即可投人正常运行阶段，即制水阶段，一级阳离子交换器运行的流速一般控制在20~30m/h。此流速与进水水质、交换剂的性质有关，如进水中离子浓度越大，则流速应控制得越小。每个离子交换器的最优运行条件可通过调整试验来确定。

为了克服顺流再生中出水端树脂再生度低的缺点，广泛采用对流再生工艺，即运行时水流方向与再生时再生液流动方向相对迸行的水处理工艺。习惯上将运行时水自上而下。再生时再生液自下而上的对流水处理工艺称为逆流再生工艺，采用逆流再生工艺的装置称逆流再生离子交换攒；将运行时水由下向上流动、再生时再生液由上向下流动的对流水处理工艺称为浮动床水处理工艺。

由于逆流再生工艺中再生液及置换水都是从下而上流动的，如果不采取措施，流速稍大时，就会发生与反洗那样使树脂层扰动的现象，有利于再生的层态会因此而被打乱，这种现象通常称为乱层。若再生后期发生乱层，则会将上层再生差的树脂或多或少地翻到底部，这样就必然失去逆流再生工艺的特点。为此，在采用逆流再生工艺时，必须从设备结构和运行操作采取措施，以防发生乱层现象。

1、交换器的结构

逆流再生离子交换器的结构如右图2所示。与顺流再生离子交换器结构不同的地方是，在树脂层表面处设有中间排液装置，以及在中间排液装置上面加有压脂层。

（1）中间排液装置。该装置的作用主要是使向上流动的再生液利清洗水能均匀地从此装置排走，不会因为有水流流向树脂层上面的空间而扰动树脂层。其次，它还兼作小反洗的进水装置和小正洗的排水装置。 常用的形式是母管支管式。

(2）压脂层。设置压脂层的目的是为了在溶液向上流动时树脂不乱层，但实际上压脂层产生的压力很小，并不能靠自身起到压脂作用。压脂层真正的作用：一是过滤掉水中的悬浮物，使它不进入下部树脂层中，这样便于将其洗去而不影响下部的树脂层态；二是可以使顶压空气或水通过压脂层均匀地作用于整个树脂层表面，从而起到防止树脂向上窜动的作用。

2、交换器的运行

在逆流再生离子交换器的运行操作中，制水过程和顺流式没有区别。只是在再生操作以为防止树脂乱层措施的不同而异。

3、无顶压逆流再生

逆流再生离子交换器为了保持再生时树脂层稳定，必须采用空气顶压或水顶压，这不仅增加了一套顶压设备和系统，而且操作也比较麻烦。研究指出，如果将中排装置_匕的孔开得足够大，使这些孔的水流阻力较小，并且在中排装置以上仍装有一定厚度的压脂层，那么在无顶压情况下，逆流再生操作时就不会出现水面超过压脂层的现象，因而树脂层就不会发生扰动，这就是元顶压逆流再生。

如果在逆流再生固定床中装入强型和弱型两种树脂 (保留压脂层)，由于两种树脂的密度不同，反洗后可以形成明显的分层，弱型树脂在上面，强型树脂在下面，即形成双层床。双层床的结构、运行操作与逆流再生固定床完全相同。双层床充分发挥强型、弱型树脂各自的长处而克服其不足，优点是：再生剂利用率高，制水成本低；树脂的工作交换容量大，周期制水量大；抗有机污染能力强。缺点是阻力大，运行时水头损失大，反洗难度大。

如果在两层树脂之间加上多孔隔板，弱型树脂位于上室，强型树脂位于下室 (树脂顶部设有一层惰性树脂)，双层床就演变为双室床。双室床相当于两级 (强型树脂和弱型树脂)逆流再生固定床的串联，优点是对树脂密度无特殊要求，无需顶压再生，操作简单。缺点是再生时强型树脂易乱层；因各室树脂填充较满，需要进行体外清洗，树脂移进移出，不仅操作复杂，且易导致树脂破碎。

（1）晶格交换理论：离子交换树脂的交换机理与晶体中的晶格离子和电解质溶液离子间的交换相似，可以把各种阳离子和阴离子交换树脂看做为具有大分子量的聚合电解质，与离子交换树脂中的功能基结合的离子像晶体的联接离子一样，可与相接触的电解质溶液中的某些离子进行交换。

（2）双电层理论：对离子交换的解释建立在古维和斯特恩的双电层模型上，这种模型认为离子交换树脂在溶液中与胶体类似。存在一个双电层。离子交换树脂的功能基构成固定不变的内层，与功能基结合的离子为可扩散移动的外层。扩散外层中的离子一直延伸到外面溶液的介质中，溶液中的一些离子将会替代某些原来处于这一层中的离子，发生离子交换，这种交换按化学计量进行。

（3）道南膜理论：假定离子交换树脂由不能渗透扩散的离子和能扩散的交换离子组成，把离子交换树脂看成是浓的电解质溶液，离子交换树脂和液的接触界面作为膜，离子交换树脂中的可交换离子和溶液中某些带相同电荷的离子，在适当条件下，穿过假定膜发生交换。

离子交换反应是指离子交换剂功能基中的阳离子或阴离子与溶液中同性离子进行可逆交换的过程。用于湿法冶金的离子交换剂主要是离子交换树脂。具有固定阴离子的离子交换树脂，它交换的离子带正电荷，其交换过程称为阳离子交换；而具有固定阳离子的离子交换树脂，所交换的离子带有负电荷，其交换过程，称为阴离子交换。离子交换是在离子交换设备中进行的，通过离子交换剂的吸附和解吸作用进行物质的分离或富集以及离子交换树脂再生。涉及离子交换的主要参数有离子交换树脂分配吸收、交换率。在离子交换工艺过程中，按处理的料液是否含有悬浮固体，分为矿浆吸附法和清液吸附法。顾名思义，矿浆吸附法是用于离子交换树脂直接在矿浆中进行吸附作业，而清液吸附法是在不含悬浮固体料液中进行吸附的离子交换工艺。