半連續式密實移動床離子交換裝置吸附K+特性

張婷婷，王德武，張少峰

（1.河北工業大學化工學院，天津 300130；2．河北工業大學海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心）

半連續式密實移動床離子交換裝置吸附K+特性

張婷婷1，2，王德武1，張少峰2

（1.河北工業大學化工學院，天津 300130；2．河北工業大學海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心）

在一套半連續式密實移動床離子交換裝置上，以001×7強酸型陽離子交換樹脂作為吸附劑，研究了鉀離子的吸附特性。結果顯示，密實移動床離子交換柱全柱的鉀離子吸附率能夠達到99.71%及以上，排放樹脂的吸附飽和度達90.76%；同一套裝置，在進料條件和進出料控制要求相同的情況下，采用半連續式密實移動床操作的吸附時間為固定床操作的3/8。研究結果為密實移動床的操作和結構優化提供了參考依據，并表明該裝置在離子交換領域具有廣闊的應用前景。

密實移動床；K+吸附；離子交換；半連續式

離子交換技術目前主要采用固定床操作［1-7］。時憧宇等［8］、陳勇等［9］提出了三柱串聯提鉀吸附工藝，但串柱吸附［10］操作工藝難度大且交換速度慢。密實移動床具有吸附速度快、樹脂用量低等優點，可實現連續或半連續操作［11-13］，張小靜［14］得到了較佳的密實移動床提鉀吸附條件。迄今為止，關于半連續式密實移動床操作基礎數據的研究較少。筆者在一套密實移動床離子交換裝置上，采用半連續的操作模式，以001×7強酸型陽離子交換樹脂［15］為吸附介質，研究了K+的吸附特性，為半連續式密實移動床的操作調控和結構優化提供了基礎數據。

1 實驗

1.1 實驗裝置及流程

實驗裝置及流程如圖1所示。裝置主體材質為透明有機玻璃，包括樹脂輸送、液固分離、K+吸附、原料供應及其相關附屬設備。其中，用于K+吸附的設備為離子交換柱，直徑為200 mm，高為1 300 mm。由原料液入口向上每隔300 mm布置一個測量點用于取樣分析，共計布置4個測量點（參見圖2）。液固分離器為長×寬×高=300 mm×100 mm×280 mm的長方體結構，斜面鋪網與底面夾角為30°。來自樹脂槽的新鮮樹脂由軟水輸送進入分離器，經分離器后軟水返回輸送水槽循環利用，樹脂進入離子交換柱，樹脂填滿整個交換柱后要靜置一定時間，使柱內的樹脂能夠緊密壓實。原料液經料液泵進入離子交換柱底部，經充分接觸吸附后，交換尾液從頂部排出并流入尾液槽。

圖1 半連續式密實移動床離子交換裝置圖

樹脂由離子交換柱上部向下部移動，在半連續式的操作模式下，在每個周期內樹脂是以固定床模式吸附，吸附結束后排出下部接近飽和的樹脂，再向離子交換柱頂部補充等量新鮮樹脂，然后進行下一周期的操作。在本實驗研究中，離子交換柱頂部流出液的排放要求是借鑒文獻［8］的報道結果，取K+濃度小于0．02 mol/L；下部樹脂排放是綜合考慮吸附速率和樹脂飽和度，具體是以1＃測量點的K+濃度為控制指標，要求K+濃度大于等于原料液中K+濃度的95%，即大于等于1．85 mol/L，K+濃度以取樣滴定分析的方式確定。離子交換柱軸向測點布置及區域劃分示意圖如圖2所示。根據樹脂排放控制要求，將離子交換柱軸向由下至上分為4個區域，即：Ⅰ區，對應原料液入口至1＃測量點之間；Ⅱ區，對應1＃測量點至2＃測量點之間；Ⅲ區，對應2＃測量點至3＃測量點之間；Ⅳ區，對應3＃測量點至4＃測量點之間。在半連續式密實移動床吸附操作的一個吸附周期結束時，不同區域的樹脂累計吸附時間是不同的，Ⅳ區、Ⅲ區、Ⅱ區和Ⅰ區樹脂累計經歷的吸附時間分別為1個周期、2個周期、3個周期和4個周期。半連續式密實移動床的1根離子交換柱起到了4根固定床離子交換柱串聯的效果，卻省去了固定床之間串聯所需的管道和閥門，這不僅降低了樹脂的磨損率，同時還降低了樹脂和料液在離子交換柱內流動的阻力。

圖2 離子交換柱軸向測點布置及區域劃分示意圖

1.2 實驗介質及操作條件

固體吸附介質選用001×7強酸型陽離子交換樹脂，其性能參數見表1；輸送樹脂的液體介質采用常溫去離子水。根據筆者課題組前期研究（文獻［14］）所確定的半連續式密實移動床的最佳操作范圍，在本研究中取KCl原料液的K+濃度為1．95 mol/L，進液流量為0．7 L/min，對應離子交換柱內料液向上的表觀流速為0．022 m/min。

表1 樹脂顆粒的性質

離子交換柱內樹脂填滿堆實后，共計約20 kg，由表1算得整柱的全離子交換容量為C≈90 mol。由于從原料液入口以上測量點是按等距離布置，所以Ⅰ區～Ⅳ區每區的離子交換容量均為22．5 mol。

2 實驗結果與分析

2.1 不同軸向高度的KCl溶液濃度隨時間的變化

在KCl溶液進料濃度及進料速率一定的情況下，沿料液流動方向自下而上分別選取1＃～4＃測量點取樣分析。圖3給出了半連續式密實移動床操作不同時刻離子交換柱不同軸向高度處的吸后液中K+濃度。由圖3可以看出，對于同一時刻，吸后液中K+濃度沿軸向向上逐漸降低；對于同一軸向位置，吸后液中K+濃度隨時間增加呈增加趨勢，但在不同時間段增加的程度不同，當t≤5 min時，吸后液中K+濃度增加的程度較小，當5 min＜t＜15 min時，吸后液中K+濃度增加的程度較大，t≥15 min時，吸后液中K+濃度隨時間增加基本不再變化。由于操作在常溫下進行，故樹脂對K+的吸附速率和平衡吸附量主要受樹脂的離子交換容量、吸后液中K+濃度、吸附時間等因素的影響。吸后液中K+濃度隨時間的變化趨勢也反映了樹脂吸附鉀離子的特性：Ⅰ區距原料液入口較近，入口原料液濃度相對較高且保持不變，所以在吸附初期（t≤5 min），樹脂吸附K+的速率快，吸附量大，故1＃測量點測得吸后液中K+濃度隨時間增加而增加的程度較小；當樹脂吸附了一定量K+時，其吸附K+的速率降低，所以在5 min＜t＜15 min時，吸后液中K+濃度隨時間增加而增加的程度較大；當t≥15 min時，樹脂吸附接近平衡，故其濃度基本不再變化，由此可以看出，當前條件下，半連續式密實移動床的吸附周期為15 min左右。整個離子交換柱的Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區，在吸附初期（t≤5 min），其離子交換容量在一個周期內是最大的，使得吸附推動力相對較大，故2＃、3＃、4＃測量點測得的值隨時間變化較小；在5 min＜t＜15 min時，進入每一部分的K+濃度雖有所增加，但其值仍相對較小，致使吸附速率相對較低，故2＃、3＃、4＃測量點測得的吸后液中K+濃度隨時間增加而增加；當t≥15 min時，進入每一部分的K+濃度達到相對較大值，使得吸附速率增加，吸附量增大，故2＃、3＃、4＃測量點測得的吸后液中K+濃度隨時間又表現出緩慢增加或基本不變的趨勢。綜合可見，在一個吸附周期內，前1/3的時間內曲線變化較為緩和，表明吸附速率相對較快，后2/3的時間內曲線變化較快，表明吸附速率相對較慢。

圖3 測量點吸后液中K+濃度隨時間的變化

2.2 軸向不同區域樹脂對K+的吸附量和吸附率隨時間的變化

根據圖3所反映的半連續式密實移動床穩態操作下測量點吸后液中K+濃度隨時間變化規律，在一個操作周期內，對各測量點測得的吸后液中K+濃度進行回歸，得到關聯式如下：

在式（1）中，Ai、Bi、Ci、Di均為待定常數，i＝1～4分別代表1＃～4＃測量點。各測量點的回歸值及關聯式平均相對誤差如表2所示。

表2 各測量點待定常數的回歸值及關聯式平均相對誤差

在一個操作周期的不同時間內，通過各測量點所在截面的K+的量Qi及軸向4個區域K+的吸附量qei可表示為式（2）和式（3），其表達式如下：

在式（2）和式（3）中，i＝1～4分別代表1＃～4＃測量點；q為原料液進料流率；當i＝1時，x0代表進料K+濃度（x0＝1.95 mol/L）。

在一個周期的不同時間內（即t1＝0、t2＝0～15），由式（2）、式（3）計算所得結果見表3和表4。由表3可以看出，在同一截面上，通過K+的量隨時間增加而增加；在相同時間內，通過K+的量隨軸向截面高度的增加而減少。由表4可以看出，在軸向同一區域，樹脂對K+的吸附量隨吸附時間的增加而增加；在吸附周期內的同一時刻，樹脂對K+的吸附量隨軸向高度的增加而減少。綜合表3和表4可以看出，一個操作周期結束時，在整個離子交換柱軸向高度上，越靠近下部，由于KCl溶液中K+濃度越高、樹脂吸附時間越長，故K+的吸附量越大。

表3 一個周期內通過軸向各截面的K+量Qi隨時間的變化mol

表4 一個周期內軸向各區域及全柱樹脂對K+的吸附量隨時間的變化mol

由式（2）和式（3）還可得到軸向各區域及全柱不同時刻K+的吸附率η和η，如式（4）和式（5）所示：

式（5）中，Qin為通過離子交換柱入口截面的K+量。由式（4）和式（5）計算所得結果如表5所示。由表5可知，對于軸向同一區域，隨時間增加，樹脂對K+的吸附率呈降低趨勢，這主要是因為隨時間增加，樹脂的累計吸附量增加，進而導致吸附速率降低，所以樹脂對K+的吸附率降低。對于同一時刻，軸向不同區域K+吸附率不同，越靠近離子交換柱上方，吸附率越高，這是因為上部樹脂累計的吸附量與這部分樹脂的全離子交換容量相比較小，使得吸附推動力相對較大，所以吸附率高。由表5還可以看出，在一個周期內，全柱的吸附率保持在99.71%以上，從而有效保證了K+的回收率。

表5 一個周期內軸向各區域及全柱樹脂對K+的吸附率隨時間的變化%

2.3 軸向不同區域樹脂的吸附飽和度

樹脂的吸附飽和度θ為樹脂對K+的吸附量占樹脂全交換離子容量的百分比，它是控制和指導半連續式密實移動床操作的一個重要參數。在一個吸附周期結束時，以上4個軸向區域樹脂的吸附飽和度可表示成如下形式：

式（6）中，j＝1～4分別代表軸向上的Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區；Mj為每一個區域樹脂的全離子交換容量，在本實驗條件下，Mj相同，其值為22.5 mol。由式（6）計算得到Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區樹脂的吸附飽和度分別為90.76%、53.29%、24.62%、7.78%。軸向上越靠近下部原料液入口，樹脂吸附飽和度越高，這是由于下部樹脂總計吸附的時間較上部樹脂長，且溶液中K+濃度高，吸附推動力大。由于通過實驗直接測量樹脂吸附飽和度比較困難，故以1＃測量點測得的吸后液中K+濃度作為控制樹脂排放的依據。從實驗結果來看，1＃測量點以下樹脂的吸附飽和度達到了90.76%，基本可以滿足工業要求，所以，以1＃測量點測得的吸后液中K+濃度作為控制樹脂排放依據的方法是可行的。

2.4 半連續式密實移動床與固定床吸附的對比

圖4給出了同一套裝置采用半連續式密實移動床操作和采用固定床操作時1＃測量點吸后液中K+濃度隨時間變化的對比結果。由圖4可以看出，在KCl溶液進料濃度及進料速率相同、樹脂排放和尾液排放的控制要求相同的情況下，固定床操作達到控制要求的吸附時間約為40 min，而半連續式密實移動床操作時間僅為固定床操作的3/8。所以，在設備結構一定的情況下，采用半連續式密實移動床更有利于提高裝置的操作效率。

圖4 半連續式密實移動床與固定床操作軸向吸后液中K+濃度隨時間變化的對比

3 結論

本實驗條件下，半連續式密實移動床操作的吸附周期為15 min，在進料條件和控制要求相同的情況下，為固定床操作吸附時間的3/8。在一個吸附周期內，前1/3的時間內吸附速率相對較快，后2/3時間內的吸附速率相對較慢。在離子交換柱軸向同一位置，樹脂對K+的吸附率隨吸附時間增加而降低；在相同吸附時間內，K+的吸附率隨軸向高度增加而增加；全柱的K+吸附率在99.71%以上，排放樹脂的吸附飽和度達到了90.76%。

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聯系人：張少峰

聯系方式：shfzhang@hebut.edu.cn

Adsorption characteristics of K+in semi-continuous packed moving-bed ion-exchange equipment

Zhang Tingting1，2，Wang Dewu1，Zhang Shaofeng2
（1.School of Chemical Engineer，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2 Engineering Research Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education，Hebei University of Technology）

Adsorption characteristics of K+were studied with the 001×7 strong acid cation exchange resin as the sorbent in a semi-continuous packed moving-bed ion-exchange equipment.Results showed that adsorption rate of K+was over 99.71%in the whole column，and the adsorption saturation of resin was 90.76%；the adsorption time operated in the semi-continuous packed moving-bed was 3/8 of that in fixed bed，by using the same equipment and under the same conditions of feed and control requirements.The study showed that packed moving-bed ion-exchange equipment had extensive application prospects，and the research results could provide the basis for the operation and structural optimization of packed moving-bed.

packed moving-bed；adsorption of K+；ion-exchange；semi-continuous

TQ131.13

A

1006-4990（2013）01-0030-04

2012-07-17

張婷婷（1986—），女，碩士，研究方向為化工過程多相流。