CN203653304U

CN203653304U - 金属离子分离装置

Info

Publication number: CN203653304U
Application number: CN201420026974.2U
Authority: CN
Inventors: 李刚; 薛巍; 王勇; 宋光武; 郭序利
Original assignee: TIANLI HI-NEW TECH Co Ltd DUSHANZI XINJIANG
Current assignee: TIANLI HI-NEW TECH Co Ltd DUSHANZI XINJIANG
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2024-01-16

Abstract

本实用新型涉及分离装置技术领域，是一种金属离子分离装置，其包括吸附塔和脱附塔；吸附塔的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有吸附塔上液体分布器和吸附塔下液体分布器，脱附塔的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有脱附塔上液体分布器和脱附塔下液体分布器，在吸附塔上液体分布器和吸附塔下液体分布器之间的吸附塔内腔中固定安装有强酸性阳离子树脂，在脱附塔上液体分布器和脱附塔下液体分布器之间的脱附塔内腔中固定安装有强酸性阳离子树脂。本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，具有选择性强、浓缩倍数大、富集效率高、富集速度快、投资低、运行成本低、程序操作控制简单等特点，特别适用于低浓度溶液中金属离子的分离富集。

Description

金属离子分离装置

技术领域

本实用新型涉及分离装置技术领域，是一种金属离子分离装置。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，重金属污染已经成为全球性的环境污染问题，严重影响着人类的身体健康乃至生命。重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除。而重金属很难在环境中降解，易被生物富集，并有生物放大效益，毒性大的特点。目前我国由于重金属的开采、冶炼、加工及化工废水排放，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤引起严重的环境污染。尤其是随废水排出的重金属，由于其重金属浓度很低，一般为ppm级，分离富集非常困难。

目前，金属离子分离富集常用的方法主要有以下几种，萃取法、沉淀法、蒸发浓缩法、吸附法、生物法、电解和修饰电极富集、流动注射在线法以及新发展起来的研究最多的离子交换法、膜分离法、毛细管电泳法等。

这些方法对于低浓度金属离子的分离富集存在一定的缺陷。萃取法是一种简单、快速，应用较普遍的方法，但存在共沉淀明显，分离系数低，溶剂再生过程能耗和损耗较大，运行成本较高，存在一定局限性；沉淀法只要添加药剂即可除去重金属，可直接生成沉淀物，然后进行固液分离，处理非常简单，但反应速度较慢，还需要增加凝聚剂以加强去除效果，沉淀下来的沉渣会造成二次污染，蒸发浓缩法能耗大，操作费用高；吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除水中重金属离子的一种有效方法，常用的吸附剂是活性炭，活性炭有很强的吸附能力，去除率高，但活性炭再生效率低，价格高，应用受到限制；生物法是利用微生物的生物学性质对废水溶液中重金属离子进行生物去除和生物体内积累，从而降低重金属的浓度，但目前这方面的研究仅局限于实验室，还未能广泛应用于工业生产和环保领域，其主要原因在于微生物对重金属离子的去除能力还不够大，去除过程时间过长；膜分离法存在的主要问题是膜组件昂贵，且在使用过程中膜容易受到污染而导致通量下降，影响去除效果；流动注射法和毛细管法尽管具有灵敏度高，富集率大的特点，但其投资相对较高，因而普遍应用尚有困难。

通过对上述分离方法优缺点的分析，如何提高低浓度污水中金属离子的富集倍数，提高富集效率和富集速度，投资低，运行成本低，能够普遍应用，就成为了一项亟待解决的的问题。本装置采用离子交换法工作原理，提供一种可工业化的金属离子分离富集装置。

发明内容

本实用新型提供了一种金属离子分离装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决目前分离富集金属离子的方法存在运行成本高、应用具有局限性、富集效率低、速度慢的问题。

本实用新型的技术方案是通过以下措施来实现的：一种金属离子分离装置，包括吸附塔和脱附塔；吸附塔的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有吸附塔上液体分布器和吸附塔下液体分布器，脱附塔的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有脱附塔上液体分布器和脱附塔下液体分布器，在吸附塔上液体分布器和吸附塔下液体分布器之间的吸附塔内腔中安装有强酸性阳离子树脂，在脱附塔上液体分布器和脱附塔下液体分布器之间的脱附塔内腔中安装有强酸性阳离子树脂，对应吸附塔下液体分布器的吸附塔的下部固定安装有进料管，在吸附塔上液体分布器上方的吸附塔上固定安装有返料管，吸附塔下液体分布器下方的吸附塔与对应脱附塔上液体分布器的脱附塔之间固定安装有送料管，对应脱附塔上液体分布器的脱附塔上固定安装有富集A金属离子出料管，脱附塔下液体分布器下方的脱附塔上固定安装有富集B金属离子出料管，对应脱附塔下液体分布器的脱附塔上固定安装有进酸管，在进酸管和返料管之间固定安装有酸液连接管，在进料管上固定安装有加水管，在酸液连接管之前的进酸管和加水管之间固定安装有酸度调节管；在酸液连接管之后的返料管上固定安装有第一阀门，在加水管之前的进料管上固定安装有第二阀门，在酸度调节管之后的加水管上固定安装有第三阀门，在酸液连接管上固定安装有第四阀门，在酸度调节管上固定安装有第五阀门，在送料管上固定安装有第六阀门，在富集B金属离子出料管上固定安装有第七阀门，在酸液连接管之后的进酸管上固定安装有第八阀门，在富集A金属离子出料管上固定安装有第九阀门，在酸度调节管之前的进酸管和加水管上分别固定安装有流量控制阀。

本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，具有选择性强、浓缩倍数大、富集效率高、富集速度快、投资低、运行成本低、程序操作控制简单等特点，特别适用于低浓度溶液中金属离子的分离富集。

附图说明

附图1为本实用新型最佳实施例的工艺流程结构示意图。

附图中的编码分别为：1为吸附塔，2为脱附塔，3为吸附塔上液体分布器，4为吸附塔下液体分布器，5为脱附塔上液体分布器，6为脱附塔下液体分布器，7为进料管，8为返料管，9为送料管，10为富集A金属离子出料管，11为富集B金属离子出料管，12为进酸管，13为酸液连接管，14为加水管，15为酸度调节管，16为第一阀门，17为第二阀门，18为第三阀门，19为第四阀门，20为第五阀门，21为第六阀门，22为第七阀门，23为第八阀门，24为第九阀门，25为流量控制阀。

具体实施方式

本实用新型不受下述实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本实用新型中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述：

如附图1所示，该金属离子分离装置包括吸附塔1和脱附塔2；吸附塔1的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有吸附塔上液体分布器3和吸附塔下液体分布器4，脱附塔2的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有脱附塔上液体分布器5和脱附塔下液体分布器6，在吸附塔上液体分布器3和吸附塔下液体分布器4之间的吸附塔1内腔中安装有强酸性阳离子树脂，在脱附塔上液体分布器5和脱附塔下液体分布器6之间的脱附塔2内腔中安装有强酸性阳离子树脂，对应吸附塔下液体分布器4的吸附塔1的下部固定安装有进料管7，在吸附塔上液体分布器3上方的吸附塔1上固定安装有返料管8，吸附塔下液体分布器4下方的吸附塔1与对应脱附塔上液体分布器5的脱附塔2之间固定安装有送料管9，对应脱附塔上液体分布器5的脱附塔2上固定安装有富集A金属离子出料管10，脱附塔下液体分布器6下方的脱附塔2上固定安装有富集B金属离子出料管11，对应脱附塔下液体分布器6的脱附塔2上固定安装有进酸管12，在进酸管12和返料管8之间固定安装有酸液连接管13，在进料管7上固定安装有加水管14，在酸液连接管13之前的进酸管12和加水管14之间固定安装有酸度调节管15；在酸液连接管13之后的返料管8上固定安装有第一阀门16，在加水管14之前的进料管7上固定安装有第二阀门17，在酸度调节管15之后的加水管14上固定安装有第三阀门18，在酸液连接管13上固定安装有第四阀门19，在酸度调节管15上固定安装有第五阀门20，在送料管9上固定安装有第六阀门21，在富集B金属离子出料管11上固定安装有第七阀门22，在酸液连接管13之后的进酸管12上固定安装有第八阀门23，在富集A金属离子出料管10上固定安装有第九阀门24，在酸度调节管15之前的进酸管12和加水管14上分别固定安装有流量控制阀25。流量控制阀25为现有公知技术的流量控制阀。

吸附塔上液体分布器3和吸附塔下液体分布器4以及脱附塔上液体分布器5和脱附塔下液体分布器6均采用现有公知技术的液体分布器，吸附塔上液体分布器3和吸附塔下液体分布器4以及脱附塔上液体分布器5和脱附塔下液体分布器6不仅起到分布液体的作用，还防止强酸性阳离子树脂的跑损。

离子交换树脂作为功能型高分子材料，是进行离子交换分离操作的物质基础。离子交换树脂的单元机构由三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子。通过控制树脂上的这种可交换离子，使它与相接近的同类型离子进行反复交换，达到不同的使用目的。

、强酸性阳离子交换树脂工作原理简介：

强酸性阳离子交换树脂是指交联结构高分子基体上带有磺酸基（-SO ₃ H）的离子交换树脂。若以R代表高分子基体，这种树脂可用R-SO ₃ H表示。其酸性相当于硫酸、盐酸等无机酸，在碱性、中性、甚至酸性介质中都显示离子交换功能。

离子交换反应如下：

吸附：M ^X+ +XR-SO3H→(R-SO ₃ ) _X M+XH ⁺

脱附：(R-SO ₃ ) _X M+XH ⁺ →XR-S0 ₃ H+M ^X+

注：M ^X+ 代表金属离子，其中X代表化合价。

、金属离子分离工作原理：

2.1、离子交换对金属离子的吸附能力优先顺序：

（1）优先与化合价较高的离子发生交换；

（2）同价离子则优先与原子序数较大的离子发生交换。

、树脂官能团和金属离子生成盐类和游离氢离子是一可逆反应，向哪个方向进行，即吸附、解吸，关键是一直通入金属离子还是硝酸，这决定树脂官能团的反应方向。

、离子交换层析原理是用离子交换剂（具有离子交换性能的物质）作固定相，利用它与流动相中的离子能进行可逆的交换性质来分离离子型化合物的层析方法。

使用时，将进料管7和返料管8的另一端分别与进料罐固定安装在一起，富集A金属离子出料管10的另一端与富集储罐固定安装在一起，富集B金属离子出料管11的另一端与富集B金属离子储罐固定安装在一起，A金属离子的吸附能力大于B金属离子的吸附能力。本实用新型的工作过程，以下各步骤中，除特别指明阀门打开外，其余没有指明的阀门均为关闭状态，

吸附步骤：打开第一阀门16和第二阀门17，含A、B两种金属离子的混合溶液由进料管7进入吸附塔1，在吸附塔1内A、B两种金属离子与树脂上官能团进行离子交换（吸附：M ^X+ +XR-SO ₃ H→(R-SO ₃ ) _X M+XH ⁺ ），含A、B两种金属离子的混合溶液经过吸附塔1、返料管8、进料罐和进料管7之间进行循环吸附，吸附饱和后，进行下一步水洗。

水洗步骤：吸附饱和后，打开第一阀门16和第三阀门18，调节加水管14上的流量控制阀25的开度，去离子水由加水管14和进料管7进入吸附塔1内，进行置换吸附塔1、进料管7和返料管8，将吸附塔1置换成干净的水环境，以利于解吸。

解吸步骤：打开第四阀门19、第五阀门20、第六阀门21和第七阀门22，通过控制加水管14上的流量控制阀25的开度和进酸管12上的流量控制阀25的开度来调节解吸所需的酸液浓度，酸液由进酸管12、酸液连接管13、返料管8进入吸附塔1内进行较长时间反洗，H＋与强酸性阳离子树脂官能团进行离子交换（脱附：(R-SO3)XM+XH+→XR-S03H+MX+），将A、B两种金属离子解吸出吸附塔1，含A、B两种金属离子的反洗液由送料管9从脱附塔2上部进入脱附塔2，由于A金属离子吸附性能高于B金属离子，在A金属离子和H ^＋ 离子共同置换作用下，B金属离子首先被解吸出脱附塔2，由脱附塔2底部的B金属离子出料管11解吸出料至富集B金属离子储罐。

再生步骤：在A金属离子将要带出脱附塔时，通过人工取样分析，确定最佳的解吸/再生时间切换点。时序切换至再生工序，通入再生能力更强的酸加速A金属离子的解吸。打开第五阀门20、第八阀门23和第九阀门24，通过控制加水管14上的流量控制阀25的开度和进酸管12上的流量控制阀25的开度来调节解吸所需的酸液浓度，酸液由进酸管12从脱附塔2下部进入脱附塔2，由脱附塔2底部的进酸管12通入更高浓度的强酸进行较短时间的逆向反洗，酸液的浓度由加水管14上的流量控制阀25的开度和进酸管12上的流量控制阀25的开度来调节，A金属由脱附塔2底上部的富集A金属离子出料管10解吸出料至富集A金属离子储罐。这样就实现了A、B两种金属离子分离富集的工作。

本实用新型中所指的A金属离子和B金属离子不仅特指某种单一的金属离子，而且包括吸附能力或化合价近似的多种金属离子组成的金属离子群，例如，以醇酮为原料，以硝酸为氧化剂，在铜、钒催化剂的作用下，经结晶、增稠、离心分离得到工业级（粗）己二酸，工业级（粗）己二酸经溶解、活性炭脱色、过滤、结晶、增稠、离心、干燥、包装后得产品级（精）己二酸。产品中对杂质金属离子（铁、铬）要求为小于0.4ppm。

为降低产品中杂质金属含量，通过对部分己二酸物料进行精制，根据这四种金属离子吸附性能排序为：Fe ³⁺ >Cr ²⁺ >Cu ²⁺ >VO ²⁺ >H ^＋ 。采用该工艺去除其中杂质金属离子。

进料：铜含量800 mg/kg 至1000mg/kg，钒含量500 mg/kg 至700mg/kg，铁含量200 mg/kg 至300mg/kg，铬含量50 mg/kg 至100mg/kg，温度55℃至65℃。

通过时序控制吸附、水洗、解吸和再生各步骤，其中控制吸附时间为70-90min、水洗时间为16-20min、解吸时间为300-320min、再生时间为180-200min，强酸为硝酸，解吸酸体积浓度为6%至8%，再生酸浓度20%至25%，温度为30℃至35℃。

出料：铜、钒去催化剂回收罐（这里的铜、钒即指本实用新型中的B金属离子，催化剂回收罐即为富集B金属离子储罐），其中铜含量2500-3000mg/kg，钒含量1500-2000mg/kg，铁、铬总量≤0.4mg/kg。

铁、铬去储铁罐（这里的铁、铬即指本实用新型中的A金属离子，储铁罐即为富集A金属离子储罐），其中铁含量600-800mg/kg，铬含量300-500mg/kg，铜、钒基本检测不出。采用本实用新型能够对催化剂进行回收利用，大大降低催化剂的损耗，同时去除了杂质金属离子，提高了产品质量。

实际生产中，若需对同一批次出来的金属离子群再进一步进行精制，若间歇生产，可以将物料再次经过本实用新型进行处理，若需连续生产，则将本实用新型根据实际情况需要连接起来即可，将富集A金属离子出料管10或富集B金属离子出料管11与下一级的本实用新型的进料管7固定安装在一起即可。

本实用新具有结构简单、选择性强、浓缩倍数大、富集效率高、富集速度快、投资低、运行成本低、程序操作控制简单等特点，特别适用于低浓度溶液中金属离子的分离富集。

以上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims

1.一种金属离子分离装置，其特征在于包括吸附塔和脱附塔；吸附塔的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有吸附塔上液体分布器和吸附塔下液体分布器，脱附塔的上部内腔和下部内腔中分别固定安装有脱附塔上液体分布器和脱附塔下液体分布器，在吸附塔上液体分布器和吸附塔下液体分布器之间的吸附塔内腔中安装有强酸性阳离子树脂，在脱附塔上液体分布器和脱附塔下液体分布器之间的脱附塔内腔中安装有强酸性阳离子树脂，对应吸附塔下液体分布器的吸附塔的下部固定安装有进料管，在吸附塔上液体分布器上方的吸附塔上固定安装有返料管，吸附塔下液体分布器下方的吸附塔与对应脱附塔上液体分布器的脱附塔之间固定安装有送料管，对应脱附塔上液体分布器的脱附塔上固定安装有富集A金属离子出料管，脱附塔下液体分布器下方的脱附塔上固定安装有富集B金属离子出料管，对应脱附塔下液体分布器的脱附塔上固定安装有进酸管，在进酸管和返料管之间固定安装有酸液连接管，在进料管上固定安装有加水管，在酸液连接管之前的进酸管和加水管之间固定安装有酸度调节管；在酸液连接管之后的返料管上固定安装有第一阀门，在加水管之前的进料管上固定安装有第二阀门，在酸度调节管之后的加水管上固定安装有第三阀门，在酸液连接管上固定安装有第四阀门，在酸度调节管上固定安装有第五阀门，在送料管上固定安装有第六阀门，在富集B金属离子出料管上固定安装有第七阀门，在酸液连接管之后的进酸管上固定安装有第八阀门，在富集A金属离子出料管上固定安装有第九阀门，在酸度调节管之前的进酸管和加水管上分别固定安装有流量控制阀。