高速混床樹脂的分離和混合特性研究

吳立山

摘要：高速混床樹脂或離子交換聚合物是充當離子交換介質的樹脂或聚合物。它是不溶性基質（或支持結構），通常為小的（0.25-0.5mm半徑）微珠，通常為白色或淡黃色，由有機聚合物基質制成。離子的捕獲與伴隨的其他離子的釋放一起發生，因此該過程稱為離子交換。有多種類型的高速混床樹脂。大多數商業樹脂由聚苯乙烯磺酸鹽制成。本文對高速混床樹脂的分離和混合特性進行了研究，以提高起應用效率。

關鍵詞：高速混床樹脂;分離;混合;特性

高速混床是電廠凝結水精處理使用的設備，高速混床內填裝樹脂的目的是通過樹脂的離子交換來使得出水達到鍋爐使用的標準（節約電廠用水）。高速混床內的樹脂失效后會倒入再生系統，再生系統首先通過陰陽樹脂密度不同及水的流速來對樹脂進行分離（陽樹脂在下層，陰樹脂在上層），然后就是樹脂的再生，循環使用。

1.高速混床樹脂的作用

高速混床樹脂廣泛用于不同的分離、純化和凈化過程。最常見的例子是水軟化和水凈化。在許多情況下，高速混床樹脂以這種方法引入，作為使用天然或人造沸石的替代方法。此外，高速混床樹脂在生物柴油過濾過程中非常有效。

2.高速混床樹脂的類型

大多數典型的高速混床樹脂基于交聯的聚苯乙烯。聚合后引入實際的離子交換位點。另外，在聚苯乙烯的情況下，通過苯乙烯和百分之幾的二乙烯基苯的共聚引入交聯。交聯降低了樹脂的離子交換能力并延長了完成離子交換過程所需的時間，但提高了樹脂的穩健性。粒徑也會影響樹脂參數;較小的顆粒具有較大的外表面，但在柱過程中會導致較大的水頭損失。

高速混床樹脂除了制成珠狀材料外，還生產離子交換樹脂作為膜。這些由高度交聯的離子交換樹脂制成的離子交換膜用于電滲析，所述離子交換樹脂允許離子而不是水通過。

四種主要類型的高速混床樹脂樹脂的功能組別不同：

（1）強酸性的高速混床樹脂，通常具有磺酸基團，例如磺酸基團。聚苯乙烯磺酸鈉或polyAMPS。（2）強堿性的高速混床樹脂，通常具有季氨基，例如三甲基銨基團，例如三甲基銨基團或polyAPTAC。（3）弱酸性的高速混床樹脂，通常具有羧酸基團。（4）弱堿性的高速混床樹脂，通常具有伯、仲和或叔氨基，例如，聚乙烯胺。除此之外還有其他類型的高速混床樹脂，例如螯合樹脂（亞氨基二乙酸，硫脲基樹脂等）。陰離子樹脂和陽離子樹脂是離子交換過程中使用的兩種最常見的樹脂。當陰離子樹脂吸引帶負電的離子時，陽離子樹脂吸引帶正電的離子。

3.高速混床樹脂的分離和混合特性

高速混床樹脂脂用于用鈉離子代替硬水中的鎂和鈣離子。當樹脂是新鮮的時，它在其活性位點含有鈉離子。當與含有鎂和鈣離子（但是低濃度的鈉離子）的溶液接觸時，鎂和鈣離子優先從溶液中遷移到樹脂上的活性位點，在溶液中被鈉離子取代。該過程達到平衡，溶液中的鎂和鈣離子濃度遠低于開始時的濃度。

樹脂可以通過用含有高濃度鈉離子的溶液（例如，其中溶有大量的普通鹽（NaCl））洗滌來再充電。鈣和鎂離子從樹脂遷移，被溶液中的鈉離子取代，直到達到新的平衡。鹽用于補充高速混床樹脂，高速混床樹脂本身用于軟化水。

高速混床樹脂還可用于從溶液中除去有毒（例如銅）和重金屬（例如鉛或鎘）離子，用更無害的離子（例如鈉和鉀）代替它們。

部分高速混床樹脂可以從水中去除氯或有機污染物，這通常通過使用與樹脂混合的活性炭過濾器來完成。有些高速混床樹脂可以去除有機離子，例如MIEX（磁性離子交換）樹脂。生活用水凈化樹脂通常不會再充電，樹脂在不能再使用時會被丟棄。電子、科學實驗、超導體生產和核工業等都需要最高純度的水。這種水使用離子交換過程或離子交換方法的組合產生。

4.高速混床樹脂的分離與混合過程

高速混床樹脂的離子交換過程用于分離和凈化金屬，包括從钚和其他act系元素（包括釷）中分離鈾、鑭、釹、鐿、釤和其他鑭系元素，這些元素具有非常相似的化學和物理特性。離子交換多年來是大量分離稀土的唯一實用方法。該應用程序由Frank Spedding于20世紀40年代開發。隨后，除了最高純度的產品外，溶劑萃取主要取代了高速混床樹脂的使用。

一種非常重要的分離工藝是是PUREX工藝（钚 - 鈾提取工藝），用于將钚和鈾與核反應堆的乏燃料產品分離，并能夠處理廢物。然后，钚和鈾可用于制造核能材料，如新的反應堆燃料和核武器。

離子交換珠粒也是原位浸出鈾礦開采的重要組成部分。原位回收涉及通過鉆孔提取含鈾水（分級低至0.05%U3O8）。然后將提取的鈾溶液通過樹脂珠過濾。通過離子交換過程，樹脂珠粒從溶液中吸引鈾。然后將裝載有鈾的樹脂輸送到加工廠，在那里將U3O8與樹脂珠分離，并生產黃餅。然后樹脂珠粒可以返回離子交換設備，在那里它們可以重復使用。

離子交換過程也用于分離其他非常相似的化學元素，如鋯和鉿，這對核工業來說也是非常重要的。鋯對于自由中子實際上是透明的，用于建造反應堆，但鉿是一種非常強的中子吸收劑，用于反應堆控制棒。

4.高速混床樹脂分離效果影響因子研究

對于發電行業而言，高速混床一旦失效后可以借助錐底分離設備或高塔分離設備對失效的陽、陰樹脂進行自由沉降及水力反洗分離，其分離效果的好壞更多的取決于水中陽、陰樹脂顆粒的沉降速度。在水中如果大顆粒陰樹脂沉降速度超過小顆粒陽樹脂沉降速度時，將會出現陽、陰樹脂沉降速度交叉區，如圖3所示。

實際上，交叉區內的陽、陰樹脂無法完成徹底分離，如果采用鹽酸溶液對陽樹脂再生時，將會導致陽樹脂內夾雜的陰樹脂演變為氯型;如果借助氫氧化鈉溶液對陰樹脂進行再生時，會導致陰樹脂內的陽樹脂演變為鈉型，這些都會降低樹脂的再生度，對高速混床的周期制水量和出水水質產生不利影響。因此，需要采取有效措施來消除或改善兩種樹脂沉降速度的交叉區，如降低大顆粒陰樹脂的沉降速度，提升小顆粒陽樹脂的沉降速度。

5.結語

綜上所述，高速混床樹脂有著廣泛的應用，而其分離和混合的方式將極大地影響其性能，進而影響其應用效果。因此，在分離和混合過程中應控制好相關參數，嚴格遵守相關操作要求。

參考文獻

[1]張澄信，宋敬霞.凝結水處理混床樹脂均勻混合的意義[J].華北電力技術，2017（09）：97-99.

[2]中華人民共和國電力行業標準[S].中國電力出版社，2011.

（作者單位：中電環保股份有限公司）