離子交換樹脂在制糖工業(yè)的應(yīng)用

1、1、離子交換樹脂柱離子交換樹脂是放置在樹脂柱中進(jìn)行工作的，這有利于發(fā)揮它的功能，并便于再生。國(guó)外糖廠樹脂柱的有效容積（裝載樹脂量）一般為310m3，直徑2.33.3m，高3.34m，樹脂床的高度0.62m。樹脂柱為立式圓筒形結(jié)構(gòu)，兩端密封，能承受一定的工作壓力。它通常用鋼板焊接制成，內(nèi)壁整體襯上耐酸、堿的橡膠層，小型樹脂柱全部可以用不銹鋼制造。樹脂柱的總高度約為樹脂層兩倍，以備樹脂工作時(shí)體積膨脹和防止反洗時(shí)樹脂被沖走。如果樹脂的粒度較大，對(duì)通過(guò)液體的阻力較小，樹脂層可較高，并相應(yīng)減小柱體的直徑。但如樹脂粒度較細(xì)，對(duì)液體的阻力較大，則樹脂層不宜高，以免影響液體的通過(guò)，降低它的生產(chǎn)能力。有些裝載細(xì)

2、顆粒樹脂的柱，樹脂層的高度只約0.8m，但它的工作周期時(shí)間亦較短。樹脂柱的底部裝上細(xì)孔平板及篩網(wǎng)，樹脂放置在篩網(wǎng)之上。一種設(shè)計(jì)采用三層篩網(wǎng)，分別為60、20、10目，也有采用70目篩，以適應(yīng)顆粒較小的樹脂。有些設(shè)計(jì)不用篩網(wǎng)，在底部裝設(shè)有大量微縫隙小孔的分配器，匯集從樹脂床流出的液體。在樹脂柱的頂部，裝有糖漿進(jìn)料管及進(jìn)料分配器，進(jìn)入的糖漿經(jīng)過(guò)它均勻分布，然后向下通過(guò)樹脂層，在底部集中排出。在樹脂層的上方還有另一套分配器，連接洗水管及再生溶液管，洗水與再生液分別從該處進(jìn)入，從上向下通過(guò)樹脂層，到底部排出。底部分配器還連接反沖洗水管，當(dāng)樹脂反洗時(shí)，從底部進(jìn)水，均勻地沖動(dòng)樹脂層，將樹脂中夾雜的懸浮物沖

3、走，經(jīng)頂部分配器排出。另在柱頂部接有壓縮空氣管，在開始入料前，開入壓縮空氣將樹脂顆粒略為壓緊，使形成樹脂床。樹脂柱底部亦接有壓縮空氣管，必要時(shí)可通過(guò)壓縮空氣反沖樹脂層，使其疏松，然后再開水管反洗樹脂。柱底部還有樹脂裝卸管。樹脂柱內(nèi)全部附件及連接管路的材料均為不銹鋼，成分通常為 1Cr18Ni12Mo2Ti。樹脂柱的一種設(shè)計(jì)如右圖。 早期的樹脂柱亦有在底部用石英砂作為阻隔樹脂的介質(zhì)（不用篩網(wǎng)），先放置一層15cm厚的從46mm 到611mm大小的石英砂，在它的上面再裝一層15cm 厚的從2.5×1.5mm 到3.5×1.5mm大小的石英

4、砂，上面再裝樹脂。樹脂柱最主要的規(guī)格參數(shù)是它裝載的樹脂量BV(Bed Volume,m3)。樹脂柱的處理能力與它的樹脂裝載量成正比。各種物料的流量和速率以BV或BV/h為計(jì)算單位。糖液通過(guò)樹脂層與樹脂接觸的時(shí)間為通過(guò)速度BV/h的倒數(shù)，如通過(guò)速度為3BV/h，則接觸時(shí)間為1/3小時(shí)；如樹脂層高1.2m ，則糖液通過(guò)樹脂層的流速為6cm/min（按樹脂柱橫截面計(jì)）。樹脂柱的工作是周期性的，工作效率不夠高。近年發(fā)展了多種連續(xù)工作的裝備，只用一個(gè)系統(tǒng)，樹脂在器內(nèi)連續(xù)地緩慢地移動(dòng)，流出器外與液體一起用低速泵輸送，經(jīng)過(guò)循環(huán)管流回器內(nèi)，在這個(gè)循環(huán)中順次進(jìn)行各項(xiàng)操作；或者分為交換柱和再生柱，連續(xù)循環(huán)工作。具

5、體的設(shè)計(jì)有多種，如Higgins系統(tǒng)Asahi系統(tǒng)和雙柱系統(tǒng)等。它們已較多地用在水處理和化工行業(yè)中，但在制糖工業(yè)中還用得較少。加拿大Macdonald等用小型模擬設(shè)備研究了連續(xù)離子交換系統(tǒng)在甜菜糖廠的應(yīng)用，說(shuō)明它的脫色效果更穩(wěn)定，樹脂的效能可更充分地利用。2、離子交換樹脂柱的工作過(guò)程樹脂柱在連續(xù)通入糖液時(shí)，樹脂逐漸吸附了色素和雜質(zhì)，其性能就逐漸下降，流出糖液的色度值逐漸升高。例如，兩種原來(lái)色度值不同（725IU和2900IU）的糖液在分別通過(guò)兩種不同樹脂柱：苯乙烯系樹脂（TS-210）和丙烯酸系樹脂（TS-200），通過(guò)不同BV數(shù)的糖液后的脫色率變化如下表。 通過(guò)糖液BV數(shù) 

6、;苯乙烯系樹脂（TS-210） 丙烯酸系樹脂（TS-200） 原色值725 原色值2900 原色值725 原色值2900  0  90  90  90  90  10  84  60  84  75  20  81  53  82  69  30  79  46  81  67  40  77  -  81&

7、#160; -它說(shuō)明了，在糖液原色值較高時(shí)，樹脂性能下降得較快，能處理的糖液總量較少；淺色糖液的處理量則較大。這兩類樹脂初時(shí)的脫色率相同，但苯乙烯系樹脂的性能下降較快，而丙烯酸系樹脂下降較慢，即較耐污染。樹脂使用了一定時(shí)間后，脫色效能不足，就要停下來(lái)再生。這個(gè)脫色工作時(shí)間一般為820小時(shí)；在處理低色度值得糖液時(shí)可延長(zhǎng)到數(shù)十小時(shí)。停用后各種輔助工作和再生的時(shí)間需數(shù)小時(shí)。離子交換樹脂的具體使用過(guò)程如下：（1）預(yù)備工作 將樹脂與水混合一起傾入樹脂柱中，借助水的浮力使樹脂自然沉積，在柱內(nèi)均勻堆積，密度一致。在準(zhǔn)備使用前，先將水排凈，然后通入壓縮空氣，壓出余水，并將樹脂壓成“床”。再生后的樹脂

8、亦要用無(wú)離子水浸泡，使用前排水和通壓縮空氣。（2）進(jìn)料樹脂柱進(jìn)料前，先開入約1BV的甜水浸潤(rùn)樹脂層，隨后開入脫糖時(shí)回收的稀糖液及濃糖液，各需時(shí)1015分鐘，控制流量速度約為2.5BV/h，使樹脂中糖液濃度逐漸升高。這個(gè)過(guò)程稱為上糖或甜化（sweetening）。然后再開入所處理的糖漿，并注意流出液的濃度和色度值，當(dāng)濃度達(dá)5060ºBx和色度值已符合要求時(shí)，即轉(zhuǎn)入正常脫色運(yùn)行。（3）正常運(yùn)行控制一定的進(jìn)料速度，使流出糖漿色值符合指標(biāo)規(guī)定。進(jìn)料流量速度的數(shù)值，視所處理原料的質(zhì)量及所要求的脫色效果而定。對(duì)于已經(jīng)過(guò)澄清處理的原糖回溶糖漿，一般控制 23BV/h；而對(duì)于白糖回溶糖漿，

9、因其本身色度值已較低，可用較大流速（如5BV/h）；若流量過(guò)高，則脫色效果可能達(dá)不到要求。在運(yùn)行一段時(shí)間后，樹脂吸附積聚的雜質(zhì)較多，脫色能力降低，流出糖液的色值逐漸升高，當(dāng)達(dá)到限定數(shù)值時(shí)，即停用該柱而轉(zhuǎn)用其他備用樹脂柱。（4）脫糖在停止進(jìn)料后，要將樹脂床中的糖汁盡量排出，這稱為脫糖（desweetening）開入前段回收的濃糖液將樹脂層中的脫色糖漿壓出，控制流速約2.5BV/h，處理約30分鐘。隨后開入稀糖液洗出濃糖液至貯箱備用。流速與時(shí)間同上。再以無(wú)離子水洗出稀糖液，供溶解糖之用。約洗20分鐘，當(dāng)洗出液低于濃度0.5ºBx時(shí)可棄去。（5）反洗從樹脂柱底部開入7080的軟水（汽凝水）

10、，以46BV/h的流速反方向沖洗樹脂層，使在工作時(shí)被壓緊的樹脂層松散，并自行按顆粒大小重新鋪排成床，增大顆粒之間的空隙，以便于下一步再生時(shí)，樹脂能與再生液充分接觸和進(jìn)行反應(yīng)。反洗還可將樹脂層中混雜的懸浮物沖走。這項(xiàng)操作通常需要數(shù)十分鐘，直至洗出液無(wú)明顯混濁為止。為防止反洗時(shí)樹脂被沖走而損失，反洗流速不可過(guò)大；洗出水通過(guò)簡(jiǎn)單的隔篩（如曲篩或網(wǎng)袋）收回流失的樹脂。樹脂反洗后進(jìn)行再生。如果所處理的糖液含溶解性雜質(zhì)不多，只是由于運(yùn)行一段時(shí)間后，樹脂層被壓實(shí)，或被懸浮物阻塞而影響糖液通過(guò)，樹脂仍有較好的交換能力，則在反洗清除懸殊浮物并用無(wú)離子水浸漬一段時(shí)間后，仍可再入料工作，待下一次反洗后才進(jìn)行再生，以

11、減少再生劑用量。3、離子交換樹脂的再生（1）常規(guī)的再生處理離子交換樹脂使用一段時(shí)間后，吸附的雜質(zhì)接近飽和狀態(tài)，就要進(jìn)行再生處理，用化學(xué)藥劑將樹脂所吸附的離子和其他雜質(zhì)洗脫除去，使之恢復(fù)原來(lái)的組成和性能。在實(shí)際運(yùn)用中，為降低再生費(fèi)用，要適當(dāng)控制再生劑用量，使樹脂的性能恢復(fù)到最經(jīng)濟(jì)合理的再生水平，通?？刂菩阅芑謴?fù)程度為7080%。如果要達(dá)到更高的再生水平，則再生劑量要大量增加，再生劑的利用率則下降。樹脂的再生應(yīng)當(dāng)根據(jù)樹脂的種類、特性，以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，選擇適當(dāng)?shù)脑偕巹┖凸ぷ鳁l件。樹脂的再生特性與它的類型和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性樹脂的再生比較困難，需用再生劑量比理論值高相當(dāng)?shù)亩?；而弱酸性?/p>

12、弱堿性樹脂則較易再生，所用再生劑量只需稍多于理論值。此外，大孔型和交聯(lián)度低的樹脂較易再生，而凝膠型和交聯(lián)度高的樹脂則要較長(zhǎng)的再生反應(yīng)時(shí)間。再生劑的種類應(yīng)根據(jù)樹脂的離子類型來(lái)選用，并適當(dāng)?shù)剡x擇價(jià)格較低的酸、堿或鹽。例如：鈉型強(qiáng)酸性陽(yáng)樹脂可用10%NaCl溶液再生，用藥量為其交換容量的2倍（用NaCl 量為117g/L樹脂）；氫型強(qiáng)酸性樹脂用強(qiáng)酸再生，用硫酸時(shí)要防止被樹脂吸附的鈣與硫酸反應(yīng)生成硫酸鈣沉淀物。為此，宜先通入12%的稀硫酸再生。氯型強(qiáng)堿性樹脂，主要以NaCl溶液來(lái)再生，但加入少量堿有助于將樹脂吸附的色素和有機(jī)物溶解洗出，故通常使用含10%NaCl + 0.

13、2%NaOH的堿鹽液再生，常規(guī)用量為每升樹脂用150200gNaCl，及34gNaOH。OH型強(qiáng)堿陰樹脂則用4%NaOH溶液再生。樹脂再生時(shí)的化學(xué)反應(yīng)是樹脂原先的交換吸附的逆反應(yīng)。按化學(xué)反應(yīng)平衡原理，提高化學(xué)反應(yīng)某一方物質(zhì)的濃度，可促進(jìn)反應(yīng)向另一方進(jìn)行，因此提高再生液濃度可加速再生反應(yīng)，并達(dá)到較高的再生水平。為加速再生化學(xué)反應(yīng)，通常先將再生液加熱至7080。它通過(guò)樹脂的流速一般為12BV/h。也可采用先快后慢的方法，以充分發(fā)揮再生劑的效能。再生時(shí)間約為一小時(shí)。隨后用軟水順流沖洗樹脂約一小時(shí)（水量約4BV），待洗水排清之后，再用水反洗，至洗出液無(wú)色、無(wú)混濁為止。一些樹脂在再生和反洗之后，要調(diào)校p

14、H值。因?yàn)樵偕撼：袎A，樹脂再生后即使經(jīng)水洗，也常帶堿性。而一些脫色樹脂（特別是弱堿性樹脂）宜在微酸性下工作。此時(shí)可通入稀鹽酸，使樹脂pH值下降至6左右，再用水正洗，反洗各一次。樹脂在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，由于它所吸附的一部分雜質(zhì)（特別是大分子有機(jī)膠體物質(zhì)）不易被常規(guī)的再生處理所洗脫，逐漸積累而將樹脂污染，使樹脂效能降低。此時(shí)要用特殊的方法處理。例如：陽(yáng)離子樹脂受含氮的兩性化合物污染，可用4%NaOH溶液處理，將它溶解而排掉；陰離子樹脂受有機(jī)物污染，可提高堿鹽溶液中的NaOH濃度至0.51.0%，以溶解有機(jī)物。近年國(guó)內(nèi)研究用糖化鈣溶液對(duì)使用過(guò)的樹脂進(jìn)行再生，再生液返回生產(chǎn)流程再用，不需要排放。免除

15、了再生廢液處理的問(wèn)題。（2）特殊的再生處理污染較嚴(yán)重的樹脂，可用酸或堿性食鹽溶液反復(fù)處理，如先用10%NaCl +1%NaOH堿鹽溶液溶解有機(jī)物，再用4%HCl 或分別用10%NaOH 及1%HCl溶解無(wú)機(jī)物，隨后再用10%NaCl+1%NaOH處理，在約70下進(jìn)行。如果上述處理的效果未達(dá)要求，可用氧化法處理。即用水洗滌樹脂后，通入濃度為0.5%的次氯酸鈉溶液，控制流速24BV/h，通過(guò)量1020BV，隨即用水洗滌，再用鹽水處理。應(yīng)當(dāng)注意，氧化處理可能將樹脂結(jié)構(gòu)中的大分子的連接鍵被氧化，造成樹脂的降解，膨脹度增大，容易碎裂，故不宜常用。通常使用50周期后才進(jìn)行一次氧化處理。

16、由于氯型樹脂有較強(qiáng)的耐氧化性，故樹脂在氧化處理前應(yīng)用鹽水處理，變?yōu)槁刃?，這還可避免處理過(guò)程中的pH值變化，并使氧化作用比較穩(wěn)定。（3）再生廢液的處置糖廠用樹脂脫色，樹脂再生的廢液含有大量的色素和有機(jī)物，顏色很深。用原糖生產(chǎn)精糖時(shí)，每100噸糖的再生廢液量約為69m3。要經(jīng)過(guò)處理才能排放（或循環(huán)），這也是一個(gè)難題。Bento詳細(xì)研究了用化學(xué)方法處理再生液，使色素和其他有機(jī)物沉淀，除去雜質(zhì)后再循環(huán)使用，減少排放，并充分利用其中的氯化鈉。由于再生液中色素的濃度比糖汁中高10倍以上，液體數(shù)量較小，沒(méi)有糖液的粘性，并能容許強(qiáng)烈的條件如強(qiáng)堿性和高溫等而無(wú)需顧慮糖的分解，用化學(xué)處理比較方便。再生液加入510

17、%容積的石灰乳（濃度為含CaO100g/L），加熱到60并輕微攪拌，大量的有色物沉淀析出。再加入碳酸鈉或二氧化碳、磷酸鈉或磷酸并保持堿性，都可使較多的有色物沉淀。處理后的液體添加少量食鹽可返回作樹脂的初級(jí)再生液，其后再用新的鹽水再生。對(duì)廢液的處理還研究過(guò)多種方法：用顆粒活性炭吸附，用次氯酸鈉、次氯酸鈣、氯氣或臭氧將它氧化，用超過(guò)濾或反滲透法分離它的有機(jī)物，或用粉狀樹脂吸附等。最近Guimaraes等研究用微生物將它的有色物降解，取得較好效果。4、離子交換樹脂的工作壽命離子交換樹脂在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，由于吸附的雜質(zhì)未能在再生時(shí)完全洗脫除去，性能就逐漸下降，每個(gè)工作周期所能處理的糖液量逐漸減少。一般

18、在使用300500周期后，其性能就不符合要求，需要更新（或轉(zhuǎn)作其他用途）。例如，一個(gè)日處理240噸原糖的煉糖廠，一級(jí)脫色使用丙烯酸樹脂（總量5m3 ）。在使用不同周期數(shù)時(shí)，每個(gè)周期處理的糖液量及所達(dá)到的脫色率的平均值如下表。 周期次序 每周期處理糖液量BV  糖液脫色率% 1200 48 85 201300 45 84 301400 45 82 401450 45 79 451500 42 70&#