高速混床树脂的分离和混合特性研究

吴立山

摘要：高速混床树脂或离子交换聚合物是充当离子交换介质的树脂或聚合物。它是不溶性基质（或支持结构），通常为小的（0.25-0.5mm半径）微珠，通常为白色或淡黄色，由有机聚合物基质制成。离子的捕获与伴随的其他离子的释放一起发生，因此该过程称为离子交换。有多种类型的高速混床树脂。大多数商业树脂由聚苯乙烯磺酸盐制成。本文对高速混床树脂的分离和混合特性进行了研究，以提高起应用效率。

关键词：高速混床树脂;分离;混合;特性

高速混床是电厂凝结水精处理使用的设备，高速混床内填装树脂的目的是通过树脂的离子交换来使得出水达到锅炉使用的标准（节约电厂用水）。高速混床内的树脂失效后会倒入再生系统，再生系统首先通过阴阳树脂密度不同及水的流速来对树脂进行分离（阳树脂在下层，阴树脂在上层），然后就是树脂的再生，循环使用。

1.高速混床树脂的作用

高速混床树脂广泛用于不同的分离、纯化和净化过程。最常见的例子是水软化和水净化。在许多情况下，高速混床树脂以这种方法引入，作为使用天然或人造沸石的替代方法。此外，高速混床树脂在生物柴油过滤过程中非常有效。

2.高速混床树脂的类型

大多数典型的高速混床树脂基于交联的聚苯乙烯。聚合后引入实际的离子交换位点。另外，在聚苯乙烯的情况下，通过苯乙烯和百分之几的二乙烯基苯的共聚引入交联。交联降低了树脂的离子交换能力并延长了完成离子交换过程所需的时间，但提高了树脂的稳健性。粒径也会影响树脂参数;较小的颗粒具有较大的外表面，但在柱过程中会导致较大的水头损失。

高速混床树脂除了制成珠状材料外，还生产离子交换树脂作为膜。这些由高度交联的离子交换树脂制成的离子交换膜用于电渗析，所述离子交换树脂允许离子而不是水通过。

四种主要类型的高速混床树脂树脂的功能组别不同：

（1）强酸性的高速混床树脂，通常具有磺酸基团，例如磺酸基团。聚苯乙烯磺酸钠或polyAMPS。（2）强碱性的高速混床树脂，通常具有季氨基，例如三甲基铵基团，例如三甲基铵基团或polyAPTAC。（3）弱酸性的高速混床树脂，通常具有羧酸基团。（4）弱碱性的高速混床树脂，通常具有伯、仲和或叔氨基，例如，聚乙烯胺。除此之外还有其他类型的高速混床树脂，例如螯合树脂（亚氨基二乙酸，硫脲基树脂等）。阴离子树脂和阳离子树脂是离子交换过程中使用的两种最常见的树脂。当阴离子树脂吸引带负电的离子时，阳离子树脂吸引带正电的离子。

3.高速混床树脂的分离和混合特性

高速混床树脂脂用于用钠离子代替硬水中的镁和钙离子。当树脂是新鲜的时，它在其活性位点含有钠离子。当与含有镁和钙离子（但是低浓度的钠离子）的溶液接触时，镁和钙离子优先从溶液中迁移到树脂上的活性位点，在溶液中被钠离子取代。该过程达到平衡，溶液中的镁和钙离子浓度远低于开始时的浓度。

树脂可以通过用含有高浓度钠离子的溶液（例如，其中溶有大量的普通鹽（NaCl））洗涤来再充电。钙和镁离子从树脂迁移，被溶液中的钠离子取代，直到达到新的平衡。盐用于补充高速混床树脂，高速混床树脂本身用于软化水。

高速混床树脂还可用于从溶液中除去有毒（例如铜）和重金属（例如铅或镉）离子，用更无害的离子（例如钠和钾）代替它们。

部分高速混床树脂可以从水中去除氯或有机污染物，这通常通过使用与树脂混合的活性炭过滤器来完成。有些高速混床树脂可以去除有机离子，例如MIEX（磁性离子交换）树脂。生活用水净化树脂通常不会再充电，树脂在不能再使用时会被丢弃。电子、科学实验、超导体生产和核工业等都需要最高纯度的水。这种水使用离子交换过程或离子交换方法的组合产生。

4.高速混床树脂的分离与混合过程

高速混床树脂的离子交换过程用于分离和净化金属，包括从钚和其他act系元素（包括钍）中分离铀、镧、钕、镱、钐和其他镧系元素，这些元素具有非常相似的化学和物理特性。离子交换多年来是大量分离稀土的唯一实用方法。该应用程序由Frank Spedding于20世纪40年代开发。随后，除了最高纯度的产品外，溶剂萃取主要取代了高速混床树脂的使用。

一种非常重要的分离工艺是是PUREX工艺（钚 - 铀提取工艺），用于将钚和铀与核反应堆的乏燃料产品分离，并能够处理废物。然后，钚和铀可用于制造核能材料，如新的反应堆燃料和核武器。

离子交换珠粒也是原位浸出铀矿开采的重要组成部分。原位回收涉及通过钻孔提取含铀水（分级低至0.05%U3O8）。然后将提取的铀溶液通过树脂珠过滤。通过离子交换过程，树脂珠粒从溶液中吸引铀。然后将装载有铀的树脂输送到加工厂，在那里将U3O8与树脂珠分离，并生产黄饼。然后树脂珠粒可以返回离子交换设备，在那里它们可以重复使用。

离子交换过程也用于分离其他非常相似的化学元素，如锆和铪，这对核工业来说也是非常重要的。锆对于自由中子实际上是透明的，用于建造反应堆，但铪是一种非常强的中子吸收剂，用于反应堆控制棒。

4.高速混床树脂分离效果影响因子研究

对于发电行业而言，高速混床一旦失效后可以借助锥底分离设备或高塔分离设备对失效的阳、阴树脂进行自由沉降及水力反洗分离，其分离效果的好坏更多的取决于水中阳、阴树脂颗粒的沉降速度。在水中如果大颗粒阴树脂沉降速度超过小颗粒阳树脂沉降速度时，将会出现阳、阴树脂沉降速度交叉区，如图3所示。

实际上，交叉区内的阳、阴树脂无法完成彻底分离，如果采用盐酸溶液对阳树脂再生时，将会导致阳树脂内夹杂的阴树脂演变为氯型;如果借助氢氧化钠溶液对阴树脂进行再生时，会导致阴树脂内的阳树脂演变为钠型，这些都会降低树脂的再生度，对高速混床的周期制水量和出水水质产生不利影响。因此，需要采取有效措施来消除或改善两种树脂沉降速度的交叉区，如降低大颗粒阴树脂的沉降速度，提升小颗粒阳树脂的沉降速度。

5.结语

综上所述，高速混床树脂有着广泛的应用，而其分离和混合的方式将极大地影响其性能，进而影响其应用效果。因此，在分离和混合过程中应控制好相关参数，严格遵守相关操作要求。

参考文献

[1]张澄信，宋敬霞.凝结水处理混床树脂均匀混合的意义[J].华北电力技术，2017（09）：97-99.

[2]中华人民共和国电力行业标准[S].中国电力出版社，2011.

（作者单位：中电环保股份有限公司）