一种多级逆流交换吸收与解吸联合工艺的制作方法

1.本发明涉及一种多级逆流交换吸收与解吸联合工艺，属于物质分离与提纯工艺技术领域。


背景技术：

2.对于含有两种不同物质的混合物，其分离提纯的工艺技术较多，通用有如下几种：分级结晶法：这种方法常用加热蒸发溶剂，使其中一部分溶质结晶析出，经多次结晶与溶解达到分离提纯的目的；分步沉淀法：这种方法常选用适宜的试剂，使溶液中的某一部分沉淀析出，经多次溶解与沉淀，达到分离提纯的目的；选择性氧化还原法：用适宜的氧化剂或还原剂，使混合物中的某些成分氧化或还原，达到分离提纯的目的；吸收与吸附法：用适宜的试剂吸收混合物中的某些成分，或者用适宜的物质吸附混合物中有的某些成分，从而达到分离提纯的目的；溶剂萃取法：选用适宜的萃取溶剂，把混合物中的某些成分萃取，从而达到分离提纯的目的；蒸馏法：控制混合液蒸气的冷凝温度，使不同沸点的成分分步冷凝析出，从而达到分离提纯的目的。
3.而离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换反应进行分离提纯的方法，是一种吸收分离方法，广泛应用于水处理、医药、冶金、化工等领域。离子交换树脂根据交换离子所带电荷的不同，可分为阴离子交换树脂和阳离子交换树脂，根据酸碱性的不同也可分为酸性离子交换树脂、碱性离子交换树脂、中性离子交换树脂等。一个完整的离子交换分离过程一般包括吸收和解吸两个过程，作为化学吸收可被利用的化学反应一般应满足以下条件：
4.(1)吸收和解吸的可逆性。如果该反应不可逆，离子交换树脂将难以再生和循环使用。
5.(2)较高的反应速率。所用的离子交换化学反应速度不能太慢，否则难以达到有效快速的分离。
6.(3)合适的分配系数。必须同时考虑吸收与解吸的速率，有利于设计成多级吸收与解吸，防止出现吸收与解吸无法有效建立平衡关系的状况。
7.然而，对于含有两种不同离子的混合物，如废酸洗液中的zn
2
和fe
2
等，常规的分离工艺技术因分离成本极高、过程繁杂或操作难度极大而失去了实际应用价值，而现有的离子交换分离法存在操作较麻烦、周期长等缺点，无法高效、简便地从含有两种不同离子的混合物中进行离子分离。
8.公开号为cn111282403a的中国发明专利中公开的一种三塔吸收与解吸实验装置及其工艺，包括饱和塔、解吸塔和吸收塔，还包括多个管路阀门、流量计、高压泵以及测温传感器，先用饱和塔吸收空气中的氧形成氧饱和水后，送入解吸塔顶用氮气进行解吸，解吸后的解吸液由吸收泵送入吸收塔，吸收塔吸收空气中的氧形成富氧水经检测后排放至循环水箱。
9.上述参考例试验过程繁杂，解析反应不可逆会造成浪费，且吸收与解吸效率低，因
此急需进行改进。


技术实现要素：

10.为了克服现有的对于含有两种不同离子的混合物的分离过程繁杂、效率低、操作难度大等的缺点，本发明设计了一种多级逆流交换吸收与解吸联合工艺，其实现了两种不同离子的有效分离与提纯，且分离提纯后的物质状态性质基本不变，有利于后续操作，同时效率高，应用范围广。
11.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
12.一种多级逆流交换吸收与解吸联合工艺，包括如下步骤：
13.s1：设置若干级层析，每级层析包括层析柱和离子交换树脂，层析柱顶端开口设置；所述层析柱包括设置在层析柱内部的砂芯和设置在层析柱出口端的底部活塞，所述层析柱用于装填离子交换树脂；
14.s2：吸收过程：向第ⅰ级层析加入混合液，并静置一段时间，得到ⅰ层析液，而后依次向下一级层析加入上一级的层析液，最后得到分离去除其中一种离子的溶液；
15.s3：解吸过程：向最后一级层析加入解吸剂，并静置一段时间，得到最后一层的解吸液，而后依次向上一级层析加入下一级的解吸液，最后得到富集被层析吸收分离的离子的溶液。
16.进一步地，所述步骤s1中，每级层析柱底端均设置有接收瓶。
17.进一步地，所述步骤s2还包括，混合液在第ⅰ级层析中静置完成后，打开第ⅰ级层析的层析柱底端的底部活塞，在接收瓶中获得所述ⅰ级层析液，而后将ⅰ级层析液加入第ⅱ级层析，并重复上述操作，依次得到各级的层析液，最后一级层析液即为分离去除其中一种离子的溶液。
18.进一步地，所述步骤s3还包括，最后一层的解吸液在最后一级层析中静置完成后，打开最后一级层析的层析柱底端的底部活塞，在接收瓶中获得所述解吸液，而后将最后一层解吸液加入倒数第二级层析，并重复上述操作，依次得到各级的解吸液，第ⅰ级解吸液即为富集被层析吸收分离的离子的溶液。
19.进一步地，步骤s1中，所述层析设置有ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、
ⅴ
和ⅵ共六层。
20.进一步地，所述离子交换树脂为阳离子交换树脂或阴离子交换树脂。
21.进一步地，所述混合液为两种不同性质离子的混合液。
22.进一步地，所述砂芯为g3砂芯。
23.进一步地，所述接收瓶为锥形瓶。
24.进一步地，所述层析柱的内径为30mm。
25.与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：
26.1、本发明可用于对含有两种不同性质离子的混合液，根据离子交换树脂的交换量和离子交换不同的分配系数，通过控制工艺技术的树脂填充量、混合液停留时间以及混合液与树脂用量的质量比等，结合理论计算选择采用ii级～vi级层析过程，对混合液中两种离子的分离提供一种多级的逆流离子交换吸收和解吸的工艺过程，为化学基础实验研究及中试提供一种科学可靠、易于操作、安全简便的混合液中离子交换分离的工艺技术。
27.2、本发明的工艺技术，没有引入新的物质，实现了两种不同离子的有效分离与提
纯，分离提纯后的物质状态性质基本不变，有利于后续操作，同时分离效率高，既能实现相反电荷离子的分离，又能实现相近电荷离子的分离，并且应用范围广，可以用于分离、富集、纯化，而且在离子交换树脂的解吸过程中可得以再生利用，设计成多级逆流过程进行连续操作，有效地缩短交换周期所需的时间，提高了效率。
附图说明
28.图1是本发明层析的结构示意图；
29.图2是本发明实施例一的工艺流程图；
30.图3是本发明实施例二的工艺流程图。
31.其中附图标记为：1、层析柱；11、加料溶液；12、砂芯；13、底部活塞；2、离子交换树脂；3、接收瓶；31、接收溶液。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
33.如图1至2所示，一种多级逆流交换吸收与解吸联合工艺，包括如下步骤：
34.s1：设置若干级层析，每级层析包括层析柱1和离子交换树脂2，层析柱1顶端开口设置；层析柱1包括设置在层析柱1内部的砂芯12和设置在层析柱1出口端的底部活塞13，层析柱1用于装填离子交换树脂2；
35.其中，所述离子交换树脂2用于加料溶液11的吸收和解吸，所述加料溶液11包括上一级的层析液或下一级的解吸液；
36.s2：吸收过程：向第ⅰ级层析加入混合液，并静置一段时间，得到ⅰ层析液，而后依次向下一级层析加入上一级的层析液，最后得到分离去除其中一种离子的溶液；
37.s3：解吸过程：向最后一级层析加入解吸剂，并静置一段时间，得到最后一层的解吸液，而后依次向上一级层析加入下一级的解吸液，最后得到富集被层析吸收分离的离子的溶液。
38.从上述描述中可知，由具塞层析柱1和离子交换树脂2组成单级层析，并由此组成多级逆流层析吸收与层析解吸联合过程，本发明可用于对含有两种不同性质离子的混合液，根据离子交换树脂2的交换量和离子交换不同的分配系数，通过控制离子交换树脂2的用量、混合液的停留时间以及混合液与离子交换树脂2用量的质量比等，结合理论计算选择采用ii级～vi级层析过程，对混合液中两种离子的分离提供一种多级的逆流离子交换吸收和解吸的工艺过程，为化学基础实验研究及中试提供一种科学可靠、易于操作、安全简便的混合液中离子交换分离的工艺技术。
39.进一步地，步骤s1中，每级层析柱1底端均设置有接收瓶3。
40.从上述描述中可知，为了保证层析液或解吸液能够被正常且方便快捷地收集，故在层析柱1底端设置接收瓶3，接收瓶3用于接收来自底部活塞13释放的接收溶液31，接收溶液31包括该层的层析液或解吸液。
41.进一步地，步骤s2还包括，混合液在第ⅰ级层析中静置完成后，打开第ⅰ级层析的层析柱1底端的底部活塞13，在接收瓶3中获得ⅰ级层析液，而后将ⅰ级层析液加入第ⅱ级层析，并重复上述操作，依次得到各级的层析液，最后一级层析液即为分离去除其中一种离子的
溶液。
42.进一步地，步骤s3还包括，最后一层的解吸液在最后一级层析中静置完成后，打开最后一级层析的层析柱1底端的底部活塞13，在接收瓶3中获得解吸液，而后将最后一层解吸液加入倒数第二级层析，并重复上述操作，依次得到各级的解吸液，第ⅰ级解吸液即为富集被层析吸收分离的离子的溶液。
43.从上述描述中可知，通过多级的静置、层析最后得到分离去除其中一种离子的溶液，整个操作过程简单方便，安全简便，设计成多级逆流过程进行连续操作，可以有效缩短交换周期所需的时间，提高效率，并且整个过程没有引入新的物质即可实现两种不同离子的有效分离与提纯。
44.进一步地，步骤s1中，层析设置有ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、
ⅴ
和ⅵ共六层。
45.从上述描述中可知，可根据实际情况具体选择ⅱ层至六层层析，六层层析的层析效果好，能够有效吸收和解吸混合液中的某一离子。
46.进一步地，离子交换树脂2为阳离子交换树脂或阴离子交换树脂。
47.从上述描述中可知，可根据实际情况具体选择阳离子交换树脂或阴离子交换树脂，以保证混合液的处理效果。
48.进一步地，混合液为两种不同性质离子的混合液。
49.从上述描述中可知，本发明既能实现相反电荷离子的分离，又能实现相近电荷离子的分离，两种不同性质离子的混合液分离效率高，且分离提纯后的物质状态性质基本不变，有利于后续操作。
50.进一步地，砂芯12为g3砂芯。
51.从上述描述中可知，砂芯12有多种规格，而g3砂芯层析效果最好，因此选择g3砂芯。
52.进一步地，接收瓶3为锥形瓶。
53.从上述描述中可知，接收瓶3选择锥形瓶，锥形瓶口小、底大，液体不易溅出，且其锥形结构相对稳定。
54.进一步地，层析柱1的内径为30mm。
55.实施例一
56.请参阅图2，本实施例的多级逆流交换吸收与解吸联合工艺，对于含有7.2g/lzn
2
的废酸洗液50.0ml，其中fe
2
含量为108g/l，cl-的含量为140g/l，结合理论计算，离子交换树脂2采用d301阴离子交换树脂，每级层析柱1内离子交换树脂2用量(活化后)与废酸洗液的质量比为1.92，根据离子交换树脂2的量选择内径30mm的层析柱1，吸收和解吸停留时间每级层析柱1都各为15min，采用六级吸收与六级解吸，废酸洗液从第ⅰ级层析柱1进料，到第vi级层析柱1所得vi级层析液，即为交换zncl
42-后得到的fecl2溶液，经实验分析其中zn
2
的浓度下降至0.53g/l，vi级层析液经浓缩结晶后所得的fecl2·
4h2o。
57.本实施例中，经检测得：vi级层析液中，铁含量(以fe
2
计)为27.2％，锌含量为0.052％，其余各项指标也完全满足作为氯化亚铁水处理剂(hg/t4538-2013)的要求。
58.解吸剂选择去离子水50.0ml自第vi级层析柱1逆序加入，第i级层析柱1所得的i级解吸液，经蒸发浓缩后得19.0ml回收液，即为zncl2溶液，其中，测得锌含量为17.5g/l，铁含量为1.52g/l，符合作为回用于冶炼金属锌的母液的基本要求(锌含量≤18g/l，铁含量《3g/
l)。
59.实施例二
60.请参阅图3，实施例二作为对照组，本实施例的多级逆流交换吸收与解吸联合工艺，对于含有6.0g/l zn
2
的废酸洗液50.0ml，其中fe
2
含量为110g/l，cl-的含量为142g/l，结合理论计算，离子交换树脂2采用d001大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，每级层析柱1内离子交换树脂的用量(活化后)与废酸洗液的质量比为2.50，根据离子交换树脂2的量选择内径30mm的层析柱1，吸收和解吸停留时间每支层析柱1都各为10min，采用五级吸收与五级解吸，废酸洗液从第i级层析柱1进料，第v级层析柱1所得v级层析液，即为交换后得到的fecl2溶液。
61.本实施例中，经检测得：v级层析液中，zn
2
的浓度下降至0.43g/l，同时fe
2
的浓度下降至21.0g/l。
62.解吸剂选择18％盐酸50.0ml自第v级层析柱1逆序加入，第i级层析柱1所得的i级解吸液。
63.经检测得：i级解吸液测得锌含量为5.3g/l，铁含量为88.4g/l，故在本实施例中，虽然zn
2
的交换能力大于fe
2
，然而fe
2
的浓度远大于zn
2
浓度，解吸液中仍然有大量的fe
2
，因此采用阳离子交换树脂层析去除废酸洗液中的zn
2
并无应用价值，由此可知，应该根据两种不同性质离子混合液在溶液中所带的正电荷或负电荷的不同，选择合适的离子交换树脂2。
64.本发明的工作原理：请参阅图2，多级层析进行离子交换吸收与解吸，图中实线表示混合液经i级
→
ii级
→
iii级
→
iv级
→
v级
→
vi级层析柱1，最后vi级层析液为分离去除一种离子后所得的层析液；图中虚线表示解吸液经vi级
→
v级
→
iv级
→
iii级
→
ii级
→
i级层析柱1，最后i级解吸液为富集被分离去除离子的解吸液；吸收与解吸过程类似于两流体流动方式中的逆流过程，两个过程分别用于吸收和解吸混合液中的某一离子，从而达到两种具有不同分配系数离子的有效分离，同时，根据两种不同性质离子混合液在离子交换树脂2中不同的分配系数，结合稳定常数进行理论计算，最后选择采用ii级～vi级层析组成ii级～vi级逆流离子交换吸收与解吸联合工艺技术。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。