CN109999924A - 一种多联离子交换实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多联离子交换实验装置，属于离子交换技术领域，包括储液瓶、过滤器、中空旋塞、吸附包、多孔挡板、引流槽、层析柱、离子交换树脂、砂板、第一缓冲球、三通阀、一级出水口、下级连接口、第二缓冲球、进气阀、泵连接口、蠕动泵及软化水出口，本发明采用多级层析柱串联的结构，通过在层析柱中设置气体洗脱专用的砂板，通过蠕动泵反向泵气产生气泡，对填料进行洗脱再生，不仅使吸附‑洗脱过程在一套装置中完成，同时较传统的浸泡洗脱方式，洗脱时间缩短至2h～4h，大大减小了实验教师的工作量。

Description

一种多联离子交换实验装置
技术领域
本发明涉及离子交换技术领域，尤其涉及一种多联离子交换实验装置。
背景技术
当水在大气中凝聚时，会溶解空气中的二氧化碳，形成弱酸碳酸。该酸最终随雨落到地上，然后流过土壤上部到达岩石层，碳酸溶解了石灰(碳酸钙和碳酸镁)，中和，并同时变硬。硬水有暂时性及永久性之分，暂时性硬水通常关系到钙和镁的碳酸盐和碳酸氢盐，这类结晶可长期存在水中，直到气压或温度出现变化，使水分变成超饱和，造成沉淀物，附在热表面或粗糙表面上，如管道和热交换器内，即形成硬水垢；永久性硬水主要关系到硫酸钙及硫酸镁，是不会受到热和气压变化影响，但如水分被蒸发，依旧会留下并形成硬水垢。通常将含有微量或不含Ca2+、Mg2+等离子的水叫做软水，而将含有较多量的Ca2+、Mg2+等离子的水叫做硬水。水的总硬度是指水中所含的Ca2+、Mg2+等离子的总量。水中所含的Ca、Mg的酸式碳酸盐加热时易分解而析出沉淀，由这类盐所形成的硬度称为暂时硬度。而由钙、镁的硫酸盐、氯化物、硝酸盐所形成的硬度称为永久硬度。暂时硬度和永久硬度的总和称为总硬度。电子工程用水、实验室用水、工业用水、饮用水以及生活用水等各方面对水的硬度都有不同程度的要求。
正因为水质软化的重要性，在高校教学与实验中，特别是在工程类专业中水质软化实验显得尤为重要，但高校教学实验往往更新缓慢，与实际工艺差距较大，同时由于部分高校教学资源紧缺、学生数量多、实验教师工作强度大等问题导致水质软化再生实验装置的维护与再生材料的洗脱、更新无法与实验进度同步，树脂超负荷使用，导致实验效果不佳甚至实验失败，无法达到让学生了解水质软化过程及技术参数的目的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，结合实际水质净化装置与教学实验需求，提供了一种多联离子交换实验装置。
具体本发明采用如下技术方案：一种多联离子交换实验装置，其特征在于，包括：储液瓶、过滤器、中空旋塞、吸附包、多孔挡板、引流槽、层析柱、离子交换树脂、砂板、第一缓冲球、三通阀、一级出水口、下级连接口、第二缓冲球、进气阀、泵连接口、蠕动泵及软化水出口，
所述层析柱数量为两个，分别为第一级层析柱、第二级层析柱；第一级层析柱和第二级层析柱均顶部设置有中空旋塞，下部设置有砂板，内部填装有离子交换树脂，其中中空旋塞为底部开口的中空结构，中空旋塞的空腔内设置有吸附包；吸附包通过具有卡板的多孔挡板固定在中空旋塞的空腔内；中空旋塞的底部设置有引流槽，引流槽呈倾斜布置；所述砂板与层析柱同轴，砂板的外边缘与层析柱内壁接触；所述过滤器置于储液瓶底部通过导管与设置在第一级层析柱上的中空旋塞顶部连接；
所述第一缓冲球设置在第一级层析柱底部出口处，第一缓冲球的出口与三通阀的进口连接，三通阀的第一出口与下级连接口连通，三通阀的第二出口与一级出水口连接；所述下级连接口通过导管与第二级层析柱连接；
所述第二缓冲球设置在第二级层析柱底部出口处，第二缓冲球上设置有进气阀，第二缓冲球的泵连接口处接有蠕动泵；所述蠕动泵的出口通过导管接软化水出口。
优选地，所述层析柱的内径为30mm～35mm，外径为32mm～38mm。
优选地，所述中空旋塞的外径为29mm～33mm，内径为25mm～29mm，上部厚度0.5mm～0.8mm，高度为3cm～5cm。
优选地，所述吸附包由内填吸重金属附剂的孔径为10um～18um，厚度为0.12mm～0.15mm的涤纶布包构成。
优选地，所述多孔挡板的孔径为1mm～5mm。
优选地，所述引流槽由直径为25mm～30mm的圆形槽与宽为1.8mm～2.5mm的直行槽构成的一体式结构。
优选地，所述砂板的厚度为0.3mm～0.8mm，孔径为40um～60um。
优选地，所述储液瓶为3L～5.5L敞口玻璃或PC塑料瓶。
优选地，所述过滤器的孔径为0.22um～0.45um。
优选地，所述第一缓冲球和第二缓冲球的容量为50mL～100mL。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明采用蠕动泵作为净化过程中的动力来源，有效的杜绝了泵运作过程中对净化水的二次污染。最后一级软化水缓冲球中预留缓冲空气层，隔绝蠕动泵的工作脉冲，使水质材料在工作中保持稳定。本发明针对分组实验带来的树脂材料回收以及洗脱过程实验员工作量大，工作时间长的问题，设计气体扰动反洗脱(树脂再生)过程，通过在层析柱中设置气体洗脱专用的砂板，通过蠕动泵反向泵气产生气泡，对填料进行洗脱再生，不仅使吸附-洗脱过程在一套装置中完成，同时较传统的浸泡洗脱方式(一般需浸泡12h以上)，洗脱时间缩短至2h～4h，大大减小了实验员的工作量。本发明可用于混合床净化，用于实验室少量去离子水的制备。同时本发明也适用于除氟化氢、200℃以上、熔融碱以及需骤冷骤热等特殊情况的其它类型的固-液、固-气、气-液的常压、低压洗脱交换过程。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例中多联离子交换实验装置的整体结构示意图；
图2为图1的局部放大图一；
图3为图1的局部放大图二；
图4为图1的局部放大图三；
图5为图1的局部放大图四；
图6为图1的局部放大图五。
图中各标记如下：1-储液瓶、2-过滤器、3-中空旋塞、4-吸附包、5-多孔挡板、6-引流槽、7-层析柱、8-离子交换树脂、9-砂板、10-第一缓冲球、11-三通阀、12-一级出水口、13-下级连接口、14-第二缓冲球、15-进气阀、16-泵连接口、17-蠕动泵、18-软化水出口、19-连接板、20-卡板、21-空气缓冲层、601-圆形槽、602-直行槽。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”及“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1、图2、图3、图4及图5所示，本实施例中提出的一种多联离子交换实验装置，包括储液瓶1、过滤器2、中空旋塞3、吸附包4、多孔挡板5、引流槽6、层析柱7、离子交换树脂8、砂板9、第一缓冲球10、三通阀11、一级出水口12、下级连接口13、第二缓冲球14、进气阀15、泵连接口16、蠕动泵17及软化水出口18，
所述层析柱7的内径为30mm～35mm，外径为32mm～38mm，数量为两个，分别为第一级层析柱、第二级层析柱；第一级层析柱和第二级层析柱均顶部设置有中空旋塞3，下部设置有砂板9，内部填装有离子交换树脂8，其中中空旋塞3为底部开口的中空结构，中空旋塞3的外径为29mm～33mm，内径为25mm～29mm，上部厚度0.5mm～0.8mm，高度为3cm～5cm，中空旋塞3的空腔内设置有吸附包4；吸附包4由内填吸重金属附剂的孔径为10um～18um，厚度为0.12mm～0.15mm的涤纶布包构成，吸附包4通过具有卡板20的多孔挡板5固定在中空旋塞3的空腔内，多孔挡板5的孔径为1mm～5mm，多孔挡板5上设置有用于与中空旋塞3连接的连接板19；中空旋塞3的底部设置有引流槽6，引流槽6呈倾斜布置，引流槽6由直径为11mm～15mm的圆形槽601与宽为1.8mm～2.5mm的直行槽602构成的一体式结构；所述砂板9与层析柱7同轴，砂板9的外边缘与层析柱7内壁接触，砂板9的厚度为0.3mm～0.8mm，孔径为40um～60um，砂板9的上表面到引流槽6底部所在平面之间的距离为42cm～45cm；
所述过滤器2的孔径为0.22um～0.45um，过滤器2置于储液瓶1底部通过内径为3mm～8mm的导管与设置在第一级层析柱上的中空旋塞3顶部连接；所述储液瓶1为3L～5.5L敞口玻璃或PC塑料瓶；
所述第一缓冲球10设置在第一级层析柱底部出口处，第一缓冲球10的容量为50mL～100mL，第一缓冲球10的出口与三通阀11的进口连接，三通阀11的第一出口与下级连接口13连通，三通阀11的第二出口与一级出水口12连接；所述下级连接口13通过导管与第二级层析柱连接；
所述第二缓冲球14设置在第二级层析柱底部出口处，第二缓冲球14上设置有进气阀15，第二缓冲球14的泵连接口16处接有蠕动泵17，所述蠕动泵17的出口通过导管接软化水出口18，软化水出口18为硬质PC管，硬质PC管的内径3.5mm～5mm,外径为4mm～7mm，上述所有导管均为内径1.5mm～3.5mm的软质硅胶管。
以下以水质软化实验为例对上述装置的工作工程进行如下说明：
将蠕动泵17的一端与泵连接口16相连，将层析柱7填满阳离子型交换树脂与阴离子型交换树脂构成的离子交换树脂8后打开进气阀15，在第二缓冲球14中注入47mL～95mL去离子水后，关闭进气阀15，此时由于第二缓冲球14密封，第二级层析柱与第二缓冲球14连接口孔径较小，水流无法进入第二缓冲球14中，在除储液瓶1以外的装置中注满去离子水，第二缓冲球14中保留体积为3mL～5mL的空气缓冲层21作为缓冲气，见图6，屏蔽蠕动泵17工作时带来的脉冲。
在储液瓶1中注入0.8L硬水(电导率为58μs/cm～500μs/cm；TDS值为30mg/L～250mg/L)，将三通阀11调节至与第二级层析柱相连与一级出水口12不相连，关闭进气阀15，打开蠕动泵17设置洗脱状态(此时蠕动泵17为抽水水流由储液瓶1流向软化水出口18，待软化水出口18的出水流速稳定后，开始测定软化水电导率与TDS值以及出液速度(mL/min)，出液速度可由蠕动泵17粗调，调节速度1mL/min～2mL/min。
流速微调：通过调节进气阀15的进气量对出液速度进行微调，进气量越大出液速度，及单位时间单位软化量越小。
一级软化结果：在一级出水口12处，放置一个50mL小烧杯，调节三通阀11使第一级层析柱与一级出水口12相连，与第二级层析柱不连通，出液10mL～15mL后立即调节三通阀11使与第二级层析柱相连与一级出水口12不相连。
离子交换树脂再生：当软化水出口18出水TDS值高于30mg/L时及离子交换树脂8已饱和，须进行再生。
注入再生液，再生液为2mol/L～4mol/L硫酸或0.75mol/L～1mol/L氢氧化钠：打开各级层析柱顶部中空旋塞3，注入再生液不得没过离子交换树脂8，但在再次拧好中空旋塞3后至少与中空旋塞3底部间隔2cm，间隔层析柱顶端出口不少于4cm。
再生：再生液注入完毕后只盖上第二级层析柱的中空旋塞3，调节三通阀11使与第二级层析柱相连与一级出水口12不相连。打开蠕动泵17，调节至再生档，此时蠕动泵17向内泵气，形成气泡使层析柱7内的离子交换树脂8翻滚，洗脱2h～4h。
再生结束后，关闭蠕动泵17先将第一级层析再生液从一级出水口12放出，再用蠕动泵17将第二级层析柱再生液抽出。各级层析柱洗脱液不可以混合。
若对水质软化有特殊需求，则连接多个层析柱7，除最后一级层析柱7外，其余各层析柱7均与上述第一级层析柱相同。洗脱与再生与上述过程相同。
为使教学实验中学生可以直观便捷的了解水质净化过程，所有装置采用高硼硅玻璃与硅胶为材料制作，采用多级层析柱7串联的结构(根据不同的实验需求可添加不同水质净化)，并对每一级净化装置设置出水口，(如针对钙镁离子的净化可加入C001型强酸苯乙烯系树脂，针对海水净化可加入A830型大孔弱酸丙烯酸系树脂，针对实验室高纯水制备可加入A600型强碱苯乙烯系树脂。)并结合电导率仪、TDS水质笔等快捷检验仪器使用，替代原始缓慢并需要一定专业技能的滴定检验方式，不仅使学生在实验中可以更全面了解水质软化的指过程以及相关的技术指标，同时解决了非化学专业操作难，检验方式不实用的问题。

Claims (10)

1.一种多联离子交换实验装置，其特征在于，包括：储液瓶(1)、过滤器(2)、中空旋塞(3)、吸附包(4)、多孔挡板(5)、引流槽(6)、层析柱(7)、离子交换树脂(8)、砂板(9)、第一缓冲球(10)、三通阀(11)、一级出水口(12)、下级连接口(13)、第二缓冲球(14)、进气阀(15)、泵连接口(16)、蠕动泵(17)及软化水出口(18)，
所述层析柱(7)数量为两个，分别为第一级层析柱、第二级层析柱；第一级层析柱和第二级层析柱均顶部设置有中空旋塞(3)，下部设置有砂板(9)，内部填装有离子交换树脂(8)，其中中空旋塞(3)为底部开口的中空结构，中空旋塞(3)的空腔内设置有吸附包(4)；吸附包(4)通过具有卡板(20)的多孔挡板(5)固定在中空旋塞(3)的空腔内；中空旋塞(3)的底部设置有引流槽(6)，引流槽(6)呈倾斜布置；所述砂板(9)与层析柱(7)同轴，砂板(9)的外边缘与层析柱(7)内壁接触；所述过滤器(2)置于储液瓶(1)底部通过导管与设置在第一级层析柱上的中空旋塞(3)顶部连接；
所述第一缓冲球(10)设置在第一级层析柱底部出口处，第一缓冲球(10)的出口与三通阀(11)的进口连接，三通阀(11)的第一出口与下级连接口(13)连通，三通阀(11)的第二出口与一级出水口(12)连接；所述下级连接口(13)通过导管与第二级层析柱连接；
所述第二缓冲球(14)设置在第二级层析柱底部出口处，第二缓冲球(14)上设置有进气阀(15)，第二缓冲球(14)的泵连接口(16)处接有蠕动泵(17)；所述蠕动泵(17)的出口通过导管接软化水出口(18)。
2.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述层析柱(7)的所述层析柱的内径为30mm～35mm，外径为32mm～38mm。
3.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述中空旋塞(3)的外径为29mm～33mm，内径为25mm～29mm，上部厚度0.5mm～0.8mm，高度为3cm～5cm。
4.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述吸附包(4)由内填吸重金属附剂的孔径为10um～18um，厚度为0.12mm～0.15mm的涤纶布包构成。
5.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述多孔挡板(5)的孔径为1mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述引流槽(6)由直径为25mm～30mm的圆形槽(601)与宽为1.8mm～2.5mm的直行槽(602)构成的一体式结构。
7.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述砂板(9)的厚度为0.3mm～0.8mm，孔径为40um～60um。
8.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述储液瓶(1)为3L～5.5L敞口玻璃或PC塑料瓶。
9.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述过滤器(2)的孔径为0.22um～0.45um。
10.根据权利要求1所述的多联离子交换实验装置，其特征在于，所述第一缓冲球(10)和第二缓冲球(14)的容量为50mL～100mL。
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