金屬離子分離裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及分離裝置【技術領域】，是一種金屬離子分離裝置，其包括吸附塔和脫附塔；吸附塔的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有吸附塔上液體分布器和吸附塔下液體分布器，脫附塔的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有脫附塔上液體分布器和脫附塔下液體分布器，在吸附塔上液體分布器和吸附塔下液體分布器之間的吸附塔內腔中固定安裝有強酸性陽離子樹脂，在脫附塔上液體分布器和脫附塔下液體分布器之間的脫附塔內腔中固定安裝有強酸性陽離子樹脂。本發明結構合理而緊湊，使用方便，具有選擇性強、濃縮倍數大、富集效率高、富集速度快、投資低、運行成本低、程序操作控制簡單等特點，特別適用于低濃度溶液中金屬離子的分離富集。
【專利說明】金屬離子分離裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及分離裝置【技術領域】，是一種金屬離子分離裝置。
【背景技術】
[0002]隨著全球經濟的迅速發展，重金屬污染已經成為全球性的環境污染問題，嚴重影響著人類的身體健康乃至生命。重金屬污染與其他有機化合物的污染不同。不少有機化合物可以通過自然界本身物理的、化學的或生物的凈化，使有害性降低或解除。而重金屬很難在環境中降解，易被生物富集，并有生物放大效益，毒性大的特點。目前我國由于重金屬的開采、冶煉、加工及化工廢水排放，造成不少重金屬如鉛、汞、鎘、鈷等進入大氣、水、土壤引起嚴重的環境污染。尤其是隨廢水排出的重金屬，由于其重金屬濃度很低，一般為ppm級，分離富集非常困難。
[0003]目前，金屬離子分離富集常用的方法主要有以下幾種，萃取法、沉淀法、蒸發濃縮法、吸附法、生物法、電解和修飾電極富集、流動注射在線法以及新發展起來的研究最多的離子交換法、膜分離法、毛細管電泳法等。
[0004]這些方法對于低濃度金屬離子的分離富集存在一定的缺陷。萃取法是一種簡單、快速，應用較普遍的方法，但存在共沉淀明顯，分離系數低，溶劑再生過程能耗和損耗較大，運行成本較高，存在一定局限性；沉淀法只要添加藥劑即可除去重金屬，可直接生成沉淀物，然后進行固液分離，處理非常簡單，但反應速度較慢，還需要增加凝聚劑以加強去除效果，沉淀下來的沉渣會造成二次污染，蒸發濃縮法能耗大，操作費用高；吸附法是利用多孔性固態物質吸附去除水中重金屬離子的一種有效方法，常用的吸附劑是活性炭，活性炭有很強的吸附能力，去除率高，但活性炭再生效率低，價格高，應用受到限制；生物法是利用微生物的生物學性質對廢水溶液中重金屬離子進行生物去除和生物體內積累，從而降低重金屬的濃度，但目前這方面的研究僅局限于實驗室，還未能廣泛應用于工業生產和環保領域，其主要原因在于微生物對重金屬離子的去除能力還不夠大，去除過程時間過長；膜分離法存在的主要問題是膜組件昂貴，且在使用過程中膜容易受到污染而導致通量下降，影響去除效果；流動注射法和毛細管法盡管具有靈敏度高，富集率大的特點，但其投資相對較高，因而普遍應用尚有困難。
[0005]通過對上述分離方法優缺點的分析，如何提高低濃度污水中金屬離子的富集倍數，提高富集效率和富集速度，投資低，運行成本低，能夠普遍應用，就成為了一項亟待解決的的問題。本裝置采用離子交換法工作原理，提供一種可工業化的金屬離子分離富集裝置。
【發明內容】
[0006]本發明提供了 一種金屬離子分離裝置，克服了上述現有技術之不足，其能有效解決目前分離富集金屬離子的方法存在運行成本高、應用具有局限性、富集效率低、速度慢的問題。
[0007]本發明的技術方案是通過以下措施來實現的:一種金屬離子分離裝置，包括吸附塔和脫附塔；吸附塔的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有吸附塔上液體分布器和吸附塔下液體分布器，脫附塔的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有脫附塔上液體分布器和脫附塔下液體分布器，在吸附塔上液體分布器和吸附塔下液體分布器之間的吸附塔內腔中安裝有強酸性陽離子樹脂，在脫附塔上液體分布器和脫附塔下液體分布器之間的脫附塔內腔中安裝有強酸性陽離子樹脂，對應吸附塔下液體分布器的吸附塔的下部固定安裝有進料管，在吸附塔上液體分布器上方的吸附塔上固定安裝有返料管，吸附塔下液體分布器下方的吸附塔與對應脫附塔上液體分布器的脫附塔之間固定安裝有送料管，對應脫附塔上液體分布器的脫附塔上固定安裝有富集A金屬離子出料管，脫附塔下液體分布器下方的脫附塔上固定安裝有富集B金屬離子出料管，對應脫附塔下液體分布器的脫附塔上固定安裝有進酸管，在進酸管和返料管之間固定安裝有酸液連接管，在進料管上固定安裝有加水管，在酸液連接管之前的進酸管和加水管之間固定安裝有酸度調節管；在酸液連接管之后的返料管上固定安裝有第一閥門，在加水管之前的進料管上固定安裝有第二閥門，在酸度調節管之后的加水管上固定安裝有第三閥門，在酸液連接管上固定安裝有第四閥門，在酸度調節管上固定安裝有第五閥門，在送料管上固定安裝有第六閥門，在富集B金屬離子出料管上固定安裝有第七閥門，在酸液連接管之后的進酸管上固定安裝有第八閥門，在富集A金屬離子出料管上固定安裝有第九閥門，在酸度調節管之前的進酸管和加水管上分別固定安裝有流量控制閥。
[0008]本發明結構合理而緊湊，使用方便，具有選擇性強、濃縮倍數大、富集效率高、富集速度快、投資低、運行成本低、程序操作控制簡單等特點，特別適用于低濃度溶液中金屬離子的分離富集。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]附圖1為本發明最佳實施例的工藝流程結構示意圖。
[0010]附圖中的編碼分別為:I為吸附塔，2為脫附塔，3為吸附塔上液體分布器，4為吸附塔下液體分布器，5為脫附塔上液體分布器，6為脫附塔下液體分布器，7為進料管，8為返料管，9為送料管，10為富集A金屬離子出料管，11為富集B金屬離子出料管，12為進酸管，13為酸液連接管，14為加水管，15為酸度調節管，16為第一閥門，17為第二閥門，18為第三閥門，19為第四閥門，20為第五閥門，21為第六閥門，22為第七閥門，23為第八閥門，24為第九閥門，25為流量控制閥。
【具體實施方式】
[0011]本發明不受下述實施例的限制，可根據本發明的技術方案與實際情況來確定具體的實施方式。
[0012]在本發明中，為了便于描述，各部件的相對位置關系的描述均是根據說明書附圖1的布圖方式來進行描述的，如:上、下、左、右等的位置關系是依據說明書附圖的布圖方向來確定的。
[0013]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步描述:
如附圖1所示，該金屬離子分離裝置包括吸附塔I和脫附塔2 ;吸附塔I的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有吸附塔上液體分布器3和吸附塔下液體分布器4，脫附塔2的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有脫附塔上液體分布器5和脫附塔下液體分布器6，在吸附塔上液體分布器3和吸附塔下液體分布器4之間的吸附塔I內腔中安裝有強酸性陽離子樹脂，在脫附塔上液體分布器5和脫附塔下液體分布器6之間的脫附塔2內腔中安裝有強酸性陽離子樹脂，對應吸附塔下液體分布器4的吸附塔I的下部固定安裝有進料管7，在吸附塔上液體分布器3上方的吸附塔I上固定安裝有返料管8，吸附塔下液體分布器4下方的吸附塔I與對應脫附塔上液體分布器5的脫附塔2之間固定安裝有送料管9，對應脫附塔上液體分布器5的脫附塔2上固定安裝有富集A金屬離子出料管10，脫附塔下液體分布器6下方的脫附塔2上固定安裝有富集B金屬離子出料管11，對應脫附塔下液體分布器6的脫附塔2上固定安裝有進酸管12，在進酸管12和返料管8之間固定安裝有酸液連接管13，在進料管7上固定安裝有加水管14，在酸液連接管13之前的進酸管12和加水管14之間固定安裝有酸度調節管15 ;在酸液連接管13之后的返料管8上固定安裝有第一閥門16，在加水管14之前的進料管7上固定安裝有第二閥門17，在酸度調節管15之后的加水管14上固定安裝有第三閥門18，在酸液連接管13上固定安裝有第四閥門19，在酸度調節管15上固定安裝有第五閥門20，在送料管9上固定安裝有第六閥門21，在富集B金屬離子出料管11上固定安裝有第七閥門22，在酸液連接管13之后的進酸管12上固定安裝有第八閥門23，在富集A金屬離子出料管10上固定安裝有第九閥門24，在酸度調節管15之前的進酸管12和加水管14上分別固定安裝有流量控制閥25。流量控制閥25為現有公知技術的流量控制閥。
[0014]吸附塔上液體分布器3和吸附塔下液體分布器4以及脫附塔上液體分布器5和脫附塔下液體分布器6均采用現有公知技術的液體分布器，吸附塔上液體分布器3和吸附塔下液體分布器4以及脫附塔上液體分布器5和脫附塔下液體分布器6不僅起到分布液體的作用，還防止強酸性陽離子樹脂的跑損。
[0015]離子交換樹脂作為功能型高分子材料，是進行離子交換分離操作的物質基礎。離子交換樹脂的單元機構由三 部分組成:不溶性的三維空間網狀骨架、連接在骨架上的功能基團和功能基團所帶的相反電荷的可交換離子。通過控制樹脂上的這種可交換離子，使它與相接近的同類型離子進行反復交換，達到不同的使用目的。
[0016]、強酸性陽離子交換樹脂工作原理簡介:
強酸性陽離子交換樹脂是指交聯結構高分子基體上帶有磺酸基(-SO3H)的離子交換樹月旨。若以R代表高分子基體，這種樹脂可用R-SO3H表示。其酸性相當于硫酸、鹽酸等無機酸，在堿性、中性、甚至酸性介質中都顯示離子交換功能。
[0017]離子交換反應如下:
吸附:Mx++XR-S03H— (R-SO3) xM+XH+
脫附:(R-SO3) xM+XH+ — XR-S03H+Mx+
注:MX+代表金屬離子，其中X代表化合價。
[0018]、金屬離子分離工作原理:
2.1、離子交換對金屬離子的吸附能力優先順序:
(1)優先與化合價較高的離子發生交換；
(2)同價離子則優先與原子序數較大的離子發生交換。
[0019]、樹脂官能團和金屬離子生成鹽類和游離氫離子是一可逆反應，向哪個方向進行，即吸附、解吸，關鍵是一直通入金屬離子還是硝酸，這決定樹脂官能團的反應方向。
[0020]、離子交換層析原理是用離子交換劑(具有離子交換性能的物質)作固定相，利用它與流動相中的離子能進行可逆的交換性質來分離離子型化合物的層析方法。
[0021]使用時，將進料管7和返料管8的另一端分別與進料罐固定安裝在一起，富集A金屬離子出料管10的另一端與富集儲罐固定安裝在一起，富集B金屬離子出料管11的另一端與富集B金屬離子儲罐固定安裝在一起，A金屬離子的吸附能力大于B金屬離子的吸附能力。本發明的工作過程，以下各步驟中，除特別指明閥門打開外，其余沒有指明的閥門均為關閉狀態，
吸附步驟:打開第一閥門16和第二閥門17，含A、B兩種金屬離子的混合溶液由進料管7進入吸附塔1，在吸附塔I內A、B兩種金屬離子與樹脂上官能團進行離子交換(吸附:Mx++XR-S03H — (R-S03)xM+XH+)，含A、B兩種金屬離子的混合溶液經過吸附塔1、返料管8、進料罐和進料管7之間進行循環吸附，吸附飽和后，進行下一步水洗。
[0022]水洗步驟:吸附飽和后，打開第一閥門16和第三閥門18，調節加水管14上的流量控制閥25的開度，去離子水由加水管14和進料管7進入吸附塔I內，進行置換吸附塔1、進料管7和返料管8，將吸附塔1置換成干凈的水環境，以利于解吸。
[0023]解吸步驟:打開第四閥門19、第五閥門20、第六閥門21和第七閥門22，通過控制加水管14上的流量控制閥25的開度和進酸管12上的流量控制閥25的開度來調節解吸所需的酸液濃度，酸液由進酸管12、酸液連接管13、返料管8進入吸附塔I內進行較長時間反洗，H +與強酸性陽離子樹脂官能團進行離子交換(脫附:(R-S03)XM+XH+ — XR-SO3H+MX+),將A、B兩種金屬離子解吸出吸附塔1，含A、B兩種金屬離子的反洗液由送料管9從脫附塔
2上部進入脫附塔2，由于A金屬離子吸附性能高于B金屬離子，在A金屬離子和H+離子共同置換作用下，B金屬離子首先被解吸出脫附塔2，由脫附塔2底部的B金屬離子出料管11解吸出料至富集B金屬離子儲罐。
[0024]再生步驟:在A金屬離子將要帶出脫附塔時，通過人工取樣分析，確定最佳的解吸/再生時間切換點。時序切換至再生工序，通入再生能力更強的酸加速A金屬離子的解吸。打開第五閥門20、第八閥門23和第九閥門24，通過控制加水管14上的流量控制閥25的開度和進酸管12上的流量控制閥25的開度來調節解吸所需的酸液濃度，酸液由進酸管12從脫附塔2下部進入脫附塔2，由脫附塔2底部的進酸管12通入更高濃度的強酸進行較短時間的逆向反洗，酸液的濃度由加水管14上的流量控制閥25的開度和進酸管12上的流量控制閥25的開度來調節，A金屬由脫附塔2底上部的富集A金屬離子出料管10解吸出料至富集A金屬離子儲罐。這樣就實現了 A、B兩種金屬離子分離富集的工作。
[0025]本發明中所指的A金屬離子和B金屬離子不僅特指某種單一的金屬離子，而且包括吸附能力或化合價近似的多種金屬離子組成的金屬離子群，例如，以醇酮為原料，以硝酸為氧化劑，在銅、釩催化劑的作用下，經結晶、增稠、離心分離得到工業級(粗)己二酸，工業級(粗)己二酸經溶解、活性炭脫色、過濾、結晶、增稠、離心、干燥、包裝后得產品級(精)己二酸。產品中對雜質金屬離子(鐵、鉻)要求為小于0.4ppm。
[0026]為降低產品中雜質金屬含量，通過對部分己二酸物料進行精制，根據這四種金屬離子吸附性能排序為:Fe3+ >Cr2+ >Cu2+ >V02+ >H +。采用該工藝去除其中雜質金屬離子。
[0027]進料:銅含量800 mg/kg 至 1000mg/kg, f凡含量 500 mg/kg 至 700mg/kg,鐵含量200 mg/kg 至 300mg/kg,鉻含量 50 mg/kg 至 lOOmg/kg,溫度 55°C至 65°C。
[0028]通過時序控制吸附、水洗、解吸和再生各步驟，其中控制吸附時間為70_90min、水洗時間為16-20min、解吸時間為300_320min、再生時間為180_200min，強酸為硝酸，解吸酸體積濃度為6%至8%，再生酸濃度20%至25%，溫度為30°C至35°C。
[0029]出料:銅、釩去催化劑回收罐(這里的銅、釩即指本發明中的B金屬離子，催化劑回收罐即為富集B金屬離子儲罐)，其中銅含量2500-3000mg/kg，釩含量1500-2000mg/kg，鐵、鉻總量< 0.4mg/kg。
[0030]鐵、鉻去儲鐵罐(這里的鐵、鉻即指本發明中的A金屬離子，儲鐵罐即為富集A金屬離子儲罐)，其中鐵含量600-800mg/kg，鉻含量300-500mg/kg，銅、釩基本檢測不出。采用本發明能夠對催化劑進行回收利用，大大降低催化劑的損耗，同時去除了雜質金屬離子，提高了產品質量。
[0031]實際生產中，若需對同一批次出來的金屬離子群再進一步進行精制，若間歇生產，可以將物料再次經過本發明進行處理，若需連續生產，則將本發明根據實際情況需要連接起來即可，將富集A金屬離子出料管10或富集B金屬離子出料管11與下一級的本發明的進料管7固定安裝在一起即可。
[0032]本實用新具有結構簡單、選擇性強、濃縮倍數大、富集效率高、富集速度快、投資低、運行成本低、程序操作控制簡單等特點，特別適用于低濃度溶液中金屬離子的分離富集。
[0033]以上技術特征構成了本發明的最佳實施例，其具有較強的適應性和最佳實施效果，可根據實際需要增減非必要的技術特征，來滿足不同情況的需求。
【權利要求】
1.一種金屬離子分離裝置，其特征在于包括吸附塔和脫附塔；吸附塔的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有吸附塔上液體分布器和吸附塔下液體分布器，脫附塔的上部內腔和下部內腔中分別固定安裝有脫附塔上液體分布器和脫附塔下液體分布器，在吸附塔上液體分布器和吸附塔下液體分布器之間的吸附塔內腔中安裝有強酸性陽離子樹脂，在脫附塔上液體分布器和脫附塔下液體分布器之間的脫附塔內腔中安裝有強酸性陽離子樹脂，對應吸附塔下液體分布器的吸附塔的下部固定安裝有進料管，在吸附塔上液體分布器上方的吸附塔上固定安裝有返料管，吸附塔下液體分布器下方的吸附塔與對應脫附塔上液體分布器的脫附塔之間固定安裝有送料管，對應脫附塔上液體分布器的脫附塔上固定安裝有富集A金屬離子出料管，脫附塔下液體分布器下方的脫附塔上固定安裝有富集B金屬離子出料管，對應脫附塔下液體分布器的脫附塔上固定安裝有進酸管，在進酸管和返料管之間固定安裝有酸液連接管，在進料管上固定安裝有加水管，在酸液連接管之前的進酸管和加水管之間固定安裝有酸度調節管；在酸液連接管之后的返料管上固定安裝有第一閥門，在加水管之前的進料管上固定安裝有第二閥門，在酸度調節管之后的加水管上固定安裝有第三閥門，在酸液連接管上固定安裝有第四閥門，在酸度調節管上固定安裝有第五閥門，在送料管上固定安裝有第六閥門，在富集B金屬離子出料管上固定安裝有第七閥門，在酸液連接管之后的進酸管上固定 安裝有第八閥門，在富集A金屬離子出料管上固定安裝有第九閥門，在酸度調節管之前的進酸管和加水管上分別固定安裝有流量控制閥。
【文檔編號】C02F1/42GK103787454SQ201410019713
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】李剛, 薛巍, 王勇, 宋光武, 郭序利 申請人:新疆獨山子天利高新技術股份有限公司