离子交换树脂再生方法的优化

胡瑞云，沈石妍，李艳芳，李雪珍，王智能，郭家文

（云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远661699）

离子交换树脂再生方法的优化

胡瑞云，沈石妍*，李艳芳，李雪珍，王智能，郭家文

（云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远661699）

对比不同再生剂浓度、不同再生速度下D730树脂的再生效率，结果表明，动态洗脱效果好于静态洗脱，按4BV/h再生速度解吸，2h即可达到再生要求，不易产生重吸附的现象。使用10%NaCl混合0.2%NaOH的再生剂，树脂交换容量的恢复率达83.89%，满足再生的需求。

离子交换树脂；脱色；树脂再生；再生速度；树脂交换容量

离子交换技术的运用有着相当长的历史，随着现代有机合成工业技术的迅速发展，越来越多性能优良的离子交换树脂被开发出来并在各领域广泛运用。离子交换树脂用于脱色的优点主要在于处理能力大、脱色范围广、脱色容量高，选择不同型号的树脂可去除各种不同的成分，可反复再生使用，工作寿命长，运行费用低，但是一次性投入费用较大。一直以来离子交换树脂的应用均是国内外制糖工业的一个重点研究课题，在一步法生产精制白砂糖以及使用粗糖提炼精制白砂糖的生产过程中，离子交换树脂对去除糖液中的色素、灰分起到了关键性的作用，在制糖领域的应用研究也受到广泛的关注。

离子交换树脂通常分为强酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂、强碱性阴离子树脂、弱碱性阴离子树脂以及转型功能型离子树脂等类型。离子交换树脂工作交换容量的大小与树脂的种类和交换容量有直接关系，在实际交换中与具体工作条件有关联，如：溶液的组成、流速、温度等。树脂的吸附和再生是可逆的，当离子交换树脂吸附趋于饱和时，树脂的交换容量下降，无法继续吸附，需对树脂再生处理，及时恢复树脂的交换容量。树脂再生时交换不完全也是造成树脂交换容量不理想的重要因素之一。D730树脂为丙烯酸骨架上带有季铵基［-N+(R3)］的大孔结构阴离子交换树脂，其特殊的大孔结构和丙烯酸骨架决定了其良好的疏水性，可促进对有机物吸附和解吸的动力，使树脂具有优良的抗污染性能和稳定的物理性能。该树脂在蔗汁脱色中表现出优良的脱色性能，特别适用于饮料、糖液（尤其是蔗糖）及甘油、氨基酸等有机溶剂的脱色，可作为有机物的清扫剂。D730树脂在使用中不会释放任何有害物质，不会改变饮品的口感和品质，不会造成食品安全危害。树脂在吸附高分子亲水性阴离子有机物质和糖液中的色素物质达到饱和后，用中性或偏碱性氯化钠溶液即可进行再生，避免了因大量使用酸、碱为再生液后对设备的腐蚀以及环境的污染。

本实验以D730大孔强碱性阴树脂（氯型）为对象，通过静态和动态两种再生方式考察不同再生剂对树脂的再生效率，得到较优再生方案。

1 材料与方法

1.1 实验材料、设备与仪器

红糖。D730大孔强碱阴树脂，主要技术指标：外观白色不透明球状颗粒，体积交换容量≥0.80mmol/mL，湿视密度0.65～0.72g/mL，湿真密度1.03～1.10g/mL。Φ50×500离子交换设备，锦州市新科水处理设备厂；WYA-2S数字阿贝折射仪，上海仪电物理光学仪器有限公司；722S可见光分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；微孔滤膜过滤器(Φ150mm，0.45μm孔径微孔膜)。

1.2 实验方法

1.2.1 静态实验树脂吸附：按照实验方案，称取已经活化处理过的湿树脂40g于烧杯中，加入10°Bx红糖溶液200mL，期间不时摇动，至吸附达到饱和后滤出树脂，用去离子水清洗干净待用。

树脂再生：按照实验方案，在吸附饱和的树脂中加入再生剂200 mL，期间不时摇动，树脂解吸再生结束后，用纯水清洗至中性。

方案一：在树脂吸附和解吸过程中每15min测定糖液、再生液吸光度一次，观察树脂吸附、解吸过程中糖液、再生液吸光度随时间的变化。

方案二：树脂吸附2.5h后滤出树脂，测定最终脱色糖液吸光度；配制不同浓度的再生剂再生树脂，树脂解吸2h后滤出树脂，测定最终再生液吸光度；筛选对比不同浓度再生剂再生解吸树脂的效果。

1.2.2 动态实验树脂的活化处理：量取475mL树脂2份，分别装入2组Φ50×500离子交换柱中，树脂采用串联方式连接，用纯水浸泡4h后，采用逆流方式纯水清洗，除去树脂内的细小颗粒及粉末后备用。

树脂吸附：配制10°Bx红糖溶液约10L，用200目滤网滤去其中的杂质，按4BV/h流速顺流通过2组串联树脂柱，收集流出液，每230mL截样一次测定吸光度。

树脂清洗：用清水逆流通过2组串联树脂层，待流出液锤度为0°Bx后，排尽余水，将树脂混匀后分装至4个离子交换柱中待用，每柱装填树脂230mL。

树脂再生：将不同再生剂按照表1方案预定的流速顺流通过树脂柱，收集流出液，每230mL截样一组测定吸光度。

1.2.3 测定方法（1）吸光度：为消除溶液中悬浮粒子对吸光度的影响，所有样液均通过0.45μm微孔滤膜过滤后于560nm波长下用1cm比色皿在分光光度计上测定吸光度。（2）树脂脱色率：树脂吸附效能的优劣主要依据其脱色率进行评价[1]，脱色率的计算公式如下：

表1 树脂动态再生方案

2 结果与分析

2.1 静态实验下树脂吸附、再生时间的确定

以10°Bx红糖溶液和5%NaCl再生剂进行吸附和解吸实验。从图1看出，静态吸附过程中，糖液吸光度随时间变化逐步降低，2 h后糖液脱色率达到82.8%，4.5h后脱色率为90.5%，吸附趋于饱和；同样，静态再生过程中，再生液吸光度随时间变化逐步增加，3.5h后再生过程趋于完成，而2 h时解析率已达到95.5%，为提高实验效率，后续静态实验中吸附时间定为2.5h，解吸时间均定为2h。

2.2 静态实验条件下不同再生剂对树脂再生效果

2.2.1 再生剂选择从表2数据可看出，（1）不同配方的再生剂解吸效果为：5%NaOH/5%HCl＜5%HCl＜5% NaCl＜5%NaCl+0.2%NaOH＜5%NaCl+0.5%NaOH，NaCl解吸效果要优于HCl和NaOH，且由于HCl对设备腐蚀较大，生产中一般不宜选用；（2）5%NaCl溶液添加0.2% NaOH溶液后，树脂再生效率从58.9%提高至64.7%，可见在NaCl溶液中加入少量NaOH溶液对提高树脂再生性能效果明显；（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，后续实验将对不同浓度的NaCl+NaOH再生剂的再生效果进行比较。

2.2.2 不同浓度再生剂静态再生效果比较从表3可以看出，不同浓度的NaCl混合再生液，NaCl浓度越高，再生效率越好，但过高浓度的再生盐常引起交换剂失水收缩，导致大分子的有机物永久截留在交换剂的孔径中阻碍离子交换时的粒内传质，缩短树脂的交换寿命[2]，再生成本提高。当NaCl浓度达到7.5%时，再生效率已达到89.5%，达到工业生产对树脂交换容量恢复率的要求，在后续动态实验中将对5%～10%的NaCl再生液中添加0.2%NaOH进行动态再生效果对比。

2.3 不同清洗速度下动态再生效果

图1 静态试验下树脂吸附、再生过程吸光度变化

表2 不同类型再生液静态再生效果

表3 不同浓度再生剂静态再生效果

将5%NaCl+0.2%NaOH浓度的再生剂以2BV/h、4BV/h速度分别顺流流过树脂层，解吸过程中再生液吸光度变化情况如图2所示。从图中可以看出：再生剂以4BV/h流速通过树脂层，再生液的吸光度在0.5h后达到峰值，最大吸光度为1.695，2.5 h后吸光度降低至0.057，与4 h后的吸光度接近；而以2BV/h流速通过树脂层时，再生液的吸光度在1 h后达到峰值，最大吸光度1.151，3 h后降低至0.077。从吸光度的曲线变化可以看出：以4BV/h的再生速度解吸树脂，仅用2.5h再生过程即趋于稳定，用2BV/h的再生液速度解析树脂，需4 h后才趋于稳定，由图3可见：较快的清洗速度可明显缩短树脂再生时间，同时对再生效率影响不太大，采用4BV/h的再生速度较为适宜。

图2 不同清洗速度下再生液吸光度变化

图3 不同清洗速度下树脂交换容量恢复率的对比

2.4 相同速度下动态再生效果

相同流速下不同浓度再生剂动态再生效果如图4和图5所示，从图中可以看出：相同的清洗速度下，不同浓度再生液的吸光度均在0.5 h附近达到峰值，且浓度越高吸光度值也越大，之后吸光度值迅速降低，2 h后吸光度值趋于稳定，同时，树脂交换容量恢复率与再生液浓度成正比，即再生液浓度越高，再生液的吸光度就越高，树脂交换容量恢复率就越高。

图4 相同清洗速度下再生液吸光度变化

图5 相同清洗速度下树脂交换容量恢复率的对比

2.5 动态再生方式下，所需耗材的对比

从再生后树脂外观颜色可看出，10%NaCl+0.2%NaOH再生液再生后的树脂外观颜色最浅（表4），再生液NaCl的消耗为1.529g/mL湿树脂，再生效率为83.89%，已达到树脂再生交换容量恢复率≥80%的要求。从吸光度的曲线变化图4可以看出：4BV/h速度再生过程仅用0.5h洗脱液吸光度值即达到峰值，1.5 h基本完成清洗，后2.5 h属于深度清洗，吸光度变化已经不大，在节约成本的前提下2 h即可完成再生过程，再生液可减少一半，即用1750mL即可完成再生，NaCl的消耗量可降低为0.765g/mL湿树脂。因此，树脂动态再生从成本效益及时间效率的角度考虑，NaCl再生剂浓度选择10%～15%、再生流速4BV/h较为理想。

3 结论

表4 再生材料消耗及树脂再生后颜色情况

通过实验对比得出：（1）树脂解吸过程中再生液吸光度曲线的峰形较静态洗脱峰形要窄，说明动态洗脱效果更好，按4BV/h再生速度解吸，2h即可达到再生要求，后续过程属于深度清洗，不易产生重吸附的现象。（2）通过动态和静态两种方式对树脂再生方案进行比较可知，10%NaCl混合0.2%NaOH的再生剂，树脂交换容量的恢复率达83.89%，满足再生的需求同时节约再生时间。

[1]李晶博.甘蔗汁酒精废液色素提取及特性研究[D].广州：华南理工大学，2010：18

[2]于淑娟，扶雄，尚明久，陈士恩.环保型离子交换树脂再生新技术[J].中国甜菜糖业，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

云南省甘蔗产业技术体系

胡瑞云（1966-），女，工程师，主要从事制糖生产、酒精生产研究、管理工作；E-mail：huruiyun2005@163.com

沈石妍（1968-），女，高级工程师，主要从事蔗糖深加工及副产物综合利用方面研究；E-mail：okmlshshy@sina.com