離子交換樹脂再生方法的優(yōu)化

胡瑞云，沈石妍，李艷芳，李雪珍，王智能，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所，云南開遠661699）

離子交換樹脂再生方法的優(yōu)化

胡瑞云，沈石妍*，李艷芳，李雪珍，王智能，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所，云南開遠661699）

對比不同再生劑濃度、不同再生速度下D730樹脂的再生效率，結(jié)果表明，動態(tài)洗脫效果好于靜態(tài)洗脫，按4BV/h再生速度解吸，2h即可達到再生要求，不易產(chǎn)生重吸附的現(xiàn)象。使用10%NaCl混合0.2%NaOH的再生劑，樹脂交換容量的恢復(fù)率達83.89%，滿足再生的需求。

離子交換樹脂；脫色；樹脂再生；再生速度；樹脂交換容量

離子交換技術(shù)的運用有著相當長的歷史，隨著現(xiàn)代有機合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多性能優(yōu)良的離子交換樹脂被開發(fā)出來并在各領(lǐng)域廣泛運用。離子交換樹脂用于脫色的優(yōu)點主要在于處理能力大、脫色范圍廣、脫色容量高，選擇不同型號的樹脂可去除各種不同的成分，可反復(fù)再生使用，工作壽命長，運行費用低，但是一次性投入費用較大。一直以來離子交換樹脂的應(yīng)用均是國內(nèi)外制糖工業(yè)的一個重點研究課題，在一步法生產(chǎn)精制白砂糖以及使用粗糖提煉精制白砂糖的生產(chǎn)過程中，離子交換樹脂對去除糖液中的色素、灰分起到了關(guān)鍵性的作用，在制糖領(lǐng)域的應(yīng)用研究也受到廣泛的關(guān)注。

離子交換樹脂通常分為強酸性陽離子樹脂、弱酸性陽離子樹脂、強堿性陰離子樹脂、弱堿性陰離子樹脂以及轉(zhuǎn)型功能型離子樹脂等類型。離子交換樹脂工作交換容量的大小與樹脂的種類和交換容量有直接關(guān)系，在實際交換中與具體工作條件有關(guān)聯(lián)，如：溶液的組成、流速、溫度等。樹脂的吸附和再生是可逆的，當離子交換樹脂吸附趨于飽和時，樹脂的交換容量下降，無法繼續(xù)吸附，需對樹脂再生處理，及時恢復(fù)樹脂的交換容量。樹脂再生時交換不完全也是造成樹脂交換容量不理想的重要因素之一。D730樹脂為丙烯酸骨架上帶有季銨基［-N+(R3)］的大孔結(jié)構(gòu)陰離子交換樹脂，其特殊的大孔結(jié)構(gòu)和丙烯酸骨架決定了其良好的疏水性，可促進對有機物吸附和解吸的動力，使樹脂具有優(yōu)良的抗污染性能和穩(wěn)定的物理性能。該樹脂在蔗汁脫色中表現(xiàn)出優(yōu)良的脫色性能，特別適用于飲料、糖液（尤其是蔗糖）及甘油、氨基酸等有機溶劑的脫色，可作為有機物的清掃劑。D730樹脂在使用中不會釋放任何有害物質(zhì)，不會改變飲品的口感和品質(zhì)，不會造成食品安全危害。樹脂在吸附高分子親水性陰離子有機物質(zhì)和糖液中的色素物質(zhì)達到飽和后，用中性或偏堿性氯化鈉溶液即可進行再生，避免了因大量使用酸、堿為再生液后對設(shè)備的腐蝕以及環(huán)境的污染。

本實驗以D730大孔強堿性陰樹脂（氯型）為對象，通過靜態(tài)和動態(tài)兩種再生方式考察不同再生劑對樹脂的再生效率，得到較優(yōu)再生方案。

1 材料與方法

1.1 實驗材料、設(shè)備與儀器

紅糖。D730大孔強堿陰樹脂，主要技術(shù)指標：外觀白色不透明球狀顆粒，體積交換容量≥0.80mmol/mL，濕視密度0.65～0.72g/mL，濕真密度1.03～1.10g/mL。Φ50×500離子交換設(shè)備，錦州市新科水處理設(shè)備廠；WYA-2S數(shù)字阿貝折射儀，上海儀電物理光學儀器有限公司；722S可見光分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；微孔濾膜過濾器(Φ150mm，0.45μm孔徑微孔膜)。

1.2 實驗方法

1.2.1 靜態(tài)實驗樹脂吸附：按照實驗方案，稱取已經(jīng)活化處理過的濕樹脂40g于燒杯中，加入10°Bx紅糖溶液200mL，期間不時搖動，至吸附達到飽和后濾出樹脂，用去離子水清洗干凈待用。

樹脂再生：按照實驗方案，在吸附飽和的樹脂中加入再生劑200 mL，期間不時搖動，樹脂解吸再生結(jié)束后，用純水清洗至中性。

方案一：在樹脂吸附和解吸過程中每15min測定糖液、再生液吸光度一次，觀察樹脂吸附、解吸過程中糖液、再生液吸光度隨時間的變化。

方案二：樹脂吸附2.5h后濾出樹脂，測定最終脫色糖液吸光度；配制不同濃度的再生劑再生樹脂，樹脂解吸2h后濾出樹脂，測定最終再生液吸光度；篩選對比不同濃度再生劑再生解吸樹脂的效果。

1.2.2 動態(tài)實驗樹脂的活化處理：量取475mL樹脂2份，分別裝入2組Φ50×500離子交換柱中，樹脂采用串聯(lián)方式連接，用純水浸泡4h后，采用逆流方式純水清洗，除去樹脂內(nèi)的細小顆粒及粉末后備用。

樹脂吸附：配制10°Bx紅糖溶液約10L，用200目濾網(wǎng)濾去其中的雜質(zhì)，按4BV/h流速順流通過2組串聯(lián)樹脂柱，收集流出液，每230mL截樣一次測定吸光度。

樹脂清洗：用清水逆流通過2組串聯(lián)樹脂層，待流出液錘度為0°Bx后，排盡余水，將樹脂混勻后分裝至4個離子交換柱中待用，每柱裝填樹脂230mL。

樹脂再生：將不同再生劑按照表1方案預(yù)定的流速順流通過樹脂柱，收集流出液，每230mL截樣一組測定吸光度。

1.2.3 測定方法（1）吸光度：為消除溶液中懸浮粒子對吸光度的影響，所有樣液均通過0.45μm微孔濾膜過濾后于560nm波長下用1cm比色皿在分光光度計上測定吸光度。（2）樹脂脫色率：樹脂吸附效能的優(yōu)劣主要依據(jù)其脫色率進行評價[1]，脫色率的計算公式如下：

表1 樹脂動態(tài)再生方案

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)實驗下樹脂吸附、再生時間的確定

以10°Bx紅糖溶液和5%NaCl再生劑進行吸附和解吸實驗。從圖1看出，靜態(tài)吸附過程中，糖液吸光度隨時間變化逐步降低，2 h后糖液脫色率達到82.8%，4.5h后脫色率為90.5%，吸附趨于飽和；同樣，靜態(tài)再生過程中，再生液吸光度隨時間變化逐步增加，3.5h后再生過程趨于完成，而2 h時解析率已達到95.5%，為提高實驗效率，后續(xù)靜態(tài)實驗中吸附時間定為2.5h，解吸時間均定為2h。

2.2 靜態(tài)實驗條件下不同再生劑對樹脂再生效果

2.2.1 再生劑選擇從表2數(shù)據(jù)可看出，（1）不同配方的再生劑解吸效果為：5%NaOH/5%HCl＜5%HCl＜5% NaCl＜5%NaCl+0.2%NaOH＜5%NaCl+0.5%NaOH，NaCl解吸效果要優(yōu)于HCl和NaOH，且由于HCl對設(shè)備腐蝕較大，生產(chǎn)中一般不宜選用；（2）5%NaCl溶液添加0.2% NaOH溶液后，樹脂再生效率從58.9%提高至64.7%，可見在NaCl溶液中加入少量NaOH溶液對提高樹脂再生性能效果明顯；（3）5%NaCl溶液中添加0.2%NaOH和添加0.5%NaOH的再生效果相差不大，后續(xù)實驗將對不同濃度的NaCl+NaOH再生劑的再生效果進行比較。

2.2.2 不同濃度再生劑靜態(tài)再生效果比較從表3可以看出，不同濃度的NaCl混合再生液，NaCl濃度越高，再生效率越好，但過高濃度的再生鹽常引起交換劑失水收縮，導(dǎo)致大分子的有機物永久截留在交換劑的孔徑中阻礙離子交換時的粒內(nèi)傳質(zhì)，縮短樹脂的交換壽命[2]，再生成本提高。當NaCl濃度達到7.5%時，再生效率已達到89.5%，達到工業(yè)生產(chǎn)對樹脂交換容量恢復(fù)率的要求，在后續(xù)動態(tài)實驗中將對5%～10%的NaCl再生液中添加0.2%NaOH進行動態(tài)再生效果對比。

2.3 不同清洗速度下動態(tài)再生效果

圖1 靜態(tài)試驗下樹脂吸附、再生過程吸光度變化

表2 不同類型再生液靜態(tài)再生效果

表3 不同濃度再生劑靜態(tài)再生效果

將5%NaCl+0.2%NaOH濃度的再生劑以2BV/h、4BV/h速度分別順流流過樹脂層，解吸過程中再生液吸光度變化情況如圖2所示。從圖中可以看出：再生劑以4BV/h流速通過樹脂層，再生液的吸光度在0.5h后達到峰值，最大吸光度為1.695，2.5 h后吸光度降低至0.057，與4 h后的吸光度接近；而以2BV/h流速通過樹脂層時，再生液的吸光度在1 h后達到峰值，最大吸光度1.151，3 h后降低至0.077。從吸光度的曲線變化可以看出：以4BV/h的再生速度解吸樹脂，僅用2.5h再生過程即趨于穩(wěn)定，用2BV/h的再生液速度解析樹脂，需4 h后才趨于穩(wěn)定，由圖3可見：較快的清洗速度可明顯縮短樹脂再生時間，同時對再生效率影響不太大，采用4BV/h的再生速度較為適宜。

圖2 不同清洗速度下再生液吸光度變化

圖3 不同清洗速度下樹脂交換容量恢復(fù)率的對比

2.4 相同速度下動態(tài)再生效果

相同流速下不同濃度再生劑動態(tài)再生效果如圖4和圖5所示，從圖中可以看出：相同的清洗速度下，不同濃度再生液的吸光度均在0.5 h附近達到峰值，且濃度越高吸光度值也越大，之后吸光度值迅速降低，2 h后吸光度值趨于穩(wěn)定，同時，樹脂交換容量恢復(fù)率與再生液濃度成正比，即再生液濃度越高，再生液的吸光度就越高，樹脂交換容量恢復(fù)率就越高。

圖4 相同清洗速度下再生液吸光度變化

圖5 相同清洗速度下樹脂交換容量恢復(fù)率的對比

2.5 動態(tài)再生方式下，所需耗材的對比

從再生后樹脂外觀顏色可看出，10%NaCl+0.2%NaOH再生液再生后的樹脂外觀顏色最淺（表4），再生液NaCl的消耗為1.529g/mL濕樹脂，再生效率為83.89%，已達到樹脂再生交換容量恢復(fù)率≥80%的要求。從吸光度的曲線變化圖4可以看出：4BV/h速度再生過程僅用0.5h洗脫液吸光度值即達到峰值，1.5 h基本完成清洗，后2.5 h屬于深度清洗，吸光度變化已經(jīng)不大，在節(jié)約成本的前提下2 h即可完成再生過程，再生液可減少一半，即用1750mL即可完成再生，NaCl的消耗量可降低為0.765g/mL濕樹脂。因此，樹脂動態(tài)再生從成本效益及時間效率的角度考慮，NaCl再生劑濃度選擇10%～15%、再生流速4BV/h較為理想。

3 結(jié)論

表4 再生材料消耗及樹脂再生后顏色情況

通過實驗對比得出：（1）樹脂解吸過程中再生液吸光度曲線的峰形較靜態(tài)洗脫峰形要窄，說明動態(tài)洗脫效果更好，按4BV/h再生速度解吸，2h即可達到再生要求，后續(xù)過程屬于深度清洗，不易產(chǎn)生重吸附的現(xiàn)象。（2）通過動態(tài)和靜態(tài)兩種方式對樹脂再生方案進行比較可知，10%NaCl混合0.2%NaOH的再生劑，樹脂交換容量的恢復(fù)率達83.89%，滿足再生的需求同時節(jié)約再生時間。

[1]李晶博.甘蔗汁酒精廢液色素提取及特性研究[D].廣州：華南理工大學，2010：18

[2]于淑娟，扶雄，尚明久，陳士恩.環(huán)保型離子交換樹脂再生新技術(shù)[J].中國甜菜糖業(yè)，2004（4）：15-22

Optimization of Regeneration Method of Ion Exchange Resin

HU Rui－yun,SHEN Shi－yan*,LI Yan－fang,LI Xue－zheng,WANG Zhi－neng,GUO Jia－wen
(Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Kaiyuan 661699,Yunnan)

The regeneration efficiency of D730 resin was tested through the comparison of concentration and speed of different regenerant．The results showed that effect of the dynamic elution was better than that of static elution,and regeneration rate by 4 BV/h desorption for 2 h could reach the requirements of the regeneration, which was not easy to produce repeat adsorption phenomenon．The recovery rate of exchange capacity of D730 resin reach 83．89%while using 10%NaCl mixed 0．2%NaOH as regeneration agent,to meet the demand for regeneration．

ion exchange resins;decoloration;resin regeneration;regeneration speed;exchange capacity of resin

TS244

A

1007－2624（2017）05－0020－03

10.13570/j.cnki.scc.2017.05.007

2017-04-27

云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系

胡瑞云（1966-），女，工程師，主要從事制糖生產(chǎn)、酒精生產(chǎn)研究、管理工作；E-mail：huruiyun2005@163.com

沈石妍（1968-），女，高級工程師，主要從事蔗糖深加工及副產(chǎn)物綜合利用方面研究；E-mail：okmlshshy@sina.com