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(xué)院甘蔗研究所，云南開(kāi)遠(yuǎn)661699）

離子交換樹(shù)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(xué)院甘蔗研究所，云南開(kāi)遠(yuǎn)661699）

對(duì)比不同再生劑濃度、不同再生速度下D730樹(shù)脂的再生效率，結(jié)果表明，動(dòng)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(dá)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(shù)脂交換容量的恢復(fù)率達(dá)83.89%，滿足再生的需求。

離子交換樹(shù)脂；脫色；樹(shù)脂再生；再生速度；樹(shù)脂交換容量

離子交換技術(shù)的運(yùn)用有著相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，隨著現(xiàn)代有機(jī)合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多性能優(yōu)良的離子交換樹(shù)脂被開(kāi)發(fā)出來(lái)并在各領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。離子交換樹(shù)脂用于脫色的優(yōu)點(diǎn)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(hào)的樹(shù)脂可去除各種不同的成分，可反復(fù)再生使用，工作壽命長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用低，但是一次性投入費(fèi)用較大。一直以來(lái)離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用均是國(guó)內(nèi)外制糖工業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)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(guò)程中，離子交換樹(shù)脂對(duì)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(shù)脂通常分為強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂、弱酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂、強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂、弱堿性陰離子樹(shù)脂以及轉(zhuǎn)型功能型離子樹(shù)脂等類型。離子交換樹(shù)脂工作交換容量的大小與樹(shù)脂的種類和交換容量有直接關(guān)系，在實(shí)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(shù)脂的吸附和再生是可逆的，當(dāng)離子交換樹(shù)脂吸附趨于飽和時(shí)，樹(shù)脂的交換容量下降，無(wú)法繼續(xù)吸附，需對(duì)樹(shù)脂再生處理，及時(shí)恢復(fù)樹(shù)脂的交換容量。樹(shù)脂再生時(shí)交換不完全也是造成樹(shù)脂交換容量不理想的重要因素之一。D730樹(shù)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(shù)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(jìn)對(duì)有機(jī)物吸附和解吸的動(dòng)力，使樹(shù)脂具有優(yōu)良的抗污染性能和穩(wěn)定的物理性能。該樹(shù)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(jī)溶劑的脫色，可作為有機(jī)物的清掃劑。D730樹(shù)脂在使用中不會(huì)釋放任何有害物質(zhì)，不會(huì)改變飲品的口感和品質(zhì)，不會(huì)造成食品安全危害。樹(shù)脂在吸附高分子親水性陰離子有機(jī)物質(zhì)和糖液中的色素物質(zhì)達(dá)到飽和后，用中性或偏堿性氯化鈉溶液即可進(jìn)行再生，避免了因大量使用酸、堿為再生液后對(duì)設(shè)備的腐蝕以及環(huán)境的污染。

本實(shí)驗(yàn)以D730大孔強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂（氯型）為對(duì)象，通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種再生方式考察不同再生劑對(duì)樹(shù)脂的再生效率，得到較優(yōu)再生方案。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與儀器

紅糖。D730大孔強(qiáng)堿陰樹(shù)脂，主要技術(shù)指標(biāo)：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(xué)儀器有限公司；722S可見(jiàn)光分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司；微孔濾膜過(guò)濾器(Φ150mm，0.45μm孔徑微孔膜)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂吸附：按照實(shí)驗(yàn)方案，稱取已經(jīng)活化處理過(guò)的濕樹(shù)脂40g于燒杯中，加入10°Bx紅糖溶液200mL，期間不時(shí)搖動(dòng)，至吸附達(dá)到飽和后濾出樹(shù)脂，用去離子水清洗干凈待用。

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

方案一：在樹(shù)脂吸附和解吸過(guò)程中每15min測(cè)定糖液、再生液吸光度一次，觀察樹(shù)脂吸附、解吸過(guò)程中糖液、再生液吸光度隨時(shí)間的變化。

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

1.2.2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂的活化處理：量取475mL樹(shù)脂2份，分別裝入2組Φ50×500離子交換柱中，樹(shù)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(shù)脂內(nèi)的細(xì)小顆粒及粉末后備用。

樹(shù)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(guò)2組串聯(lián)樹(shù)脂柱，收集流出液，每230mL截樣一次測(cè)定吸光度。

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

樹(shù)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(guò)樹(shù)脂柱，收集流出液，每230mL截樣一組測(cè)定吸光度。

1.2.3 測(cè)定方法（1）吸光度：為消除溶液中懸浮粒子對(duì)吸光度的影響，所有樣液均通過(guò)0.45μm微孔濾膜過(guò)濾后于560nm波長(zhǎng)下用1cm比色皿在分光光度計(jì)上測(cè)定吸光度。（2）樹(shù)脂脫色率：樹(shù)脂吸附效能的優(yōu)劣主要依據(jù)其脫色率進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]，脫色率的計(jì)算公式如下：

表1 樹(shù)脂動(dòng)態(tài)再生方案

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)下樹(shù)脂吸附、再生時(shí)間的確定

以10°Bx紅糖溶液和5%NaCl再生劑進(jìn)行吸附和解吸實(shí)驗(yàn)。從圖1看出，靜態(tài)吸附過(guò)程中，糖液吸光度隨時(shí)間變化逐步降低，2 h后糖液脫色率達(dá)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(guò)程中，再生液吸光度隨時(shí)間變化逐步增加，3.5h后再生過(guò)程趨于完成，而2 h時(shí)解析率已達(dá)到95.5%，為提高實(shí)驗(yàn)效率，后續(xù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中吸附時(shí)間定為2.5h，解吸時(shí)間均定為2h。

2.2 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下不同再生劑對(duì)樹(shù)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(duì)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(shù)脂再生效率從58.9%提高至64.7%，可見(jiàn)在NaCl溶液中加入少量NaOH溶液對(duì)提高樹(shù)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(shí)驗(yàn)將對(duì)不同濃度的NaCl+NaOH再生劑的再生效果進(jìn)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(guò)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(jī)物永久截留在交換劑的孔徑中阻礙離子交換時(shí)的粒內(nèi)傳質(zhì)，縮短樹(shù)脂的交換壽命[2]，再生成本提高。當(dāng)NaCl濃度達(dá)到7.5%時(shí)，再生效率已達(dá)到89.5%，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)對(duì)樹(shù)脂交換容量恢復(fù)率的要求，在后續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中將對(duì)5%～10%的NaCl再生液中添加0.2%NaOH進(jìn)行動(dòng)態(tài)再生效果對(duì)比。

2.3 不同清洗速度下動(dòng)態(tài)再生效果

圖1 靜態(tài)試驗(yàn)下樹(shù)脂吸附、再生過(guò)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(guò)樹(shù)脂層，解吸過(guò)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(guò)樹(shù)脂層，再生液的吸光度在0.5h后達(dá)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(guò)樹(shù)脂層時(shí)，再生液的吸光度在1 h后達(dá)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(shù)脂，僅用2.5h再生過(guò)程即趨于穩(wěn)定，用2BV/h的再生液速度解析樹(shù)脂，需4 h后才趨于穩(wěn)定，由圖3可見(jiàn)：較快的清洗速度可明顯縮短樹(shù)脂再生時(shí)間，同時(shí)對(duì)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(shù)脂交換容量恢復(fù)率的對(duì)比

2.4 相同速度下動(dòng)態(tài)再生效果

相同流速下不同濃度再生劑動(dòng)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(dá)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(shí)，樹(shù)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(shù)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(shù)脂交換容量恢復(fù)率的對(duì)比

2.5 動(dòng)態(tài)再生方式下，所需耗材的對(duì)比

從再生后樹(shù)脂外觀顏色可看出，10%NaCl+0.2%NaOH再生液再生后的樹(shù)脂外觀顏色最淺（表4），再生液NaCl的消耗為1.529g/mL濕樹(shù)脂，再生效率為83.89%，已達(dá)到樹(shù)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(guò)程僅用0.5h洗脫液吸光度值即達(dá)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(guò)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(shù)脂。因此，樹(shù)脂動(dòng)態(tài)再生從成本效益及時(shí)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(shù)脂再生后顏色情況

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出：（1）樹(shù)脂解吸過(guò)程中再生液吸光度曲線的峰形較靜態(tài)洗脫峰形要窄，說(shuō)明動(dòng)態(tài)洗脫效果更好，按4BV/h再生速度解吸，2h即可達(dá)到再生要求，后續(xù)過(guò)程屬于深度清洗，不易產(chǎn)生重吸附的現(xiàn)象。（2）通過(guò)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種方式對(duì)樹(shù)脂再生方案進(jìn)行比較可知，10%NaCl混合0.2%NaOH的再生劑，樹(shù)脂交換容量的恢復(fù)率達(dá)83.89%，滿足再生的需求同時(shí)節(jié)約再生時(shí)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(xué)，2010：18

[2]于淑娟，扶雄，尚明久，陳士恩.環(huán)保型離子交換樹(shù)脂再生新技術(shù)[J].中國(guó)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(jí)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