D113弱酸交换树脂的水力学特性试验

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.05.003 第23卷第5期 北京科技大学学报 Vol.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 D113弱酸交换树脂的水力学特性试验 陈秀枝唐瑞彬李采芳宋存义 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要研究D13弱酸树脂在以自来水为进水条件下，不同流速、不同温度对树脂压力降、 反洗展开率和沉降速度的影响规律.结果认为水流速越大，温度越低，树脂层水流阻力越大；反 洗流速越大，温度越低，反洗膨胀率越大；树脂粒径越大，温度越高，沉降速度越快. 关键词弱酸树脂；压力降；反洗展开率；沉降速度 分类号TQ425.21 丙烯酸系大孔弱酸阳离子交换树脂，是近 流速，准确流量用秒表及量筒测定.压力表量程 几年来用在离子交换水处理法中的一种阳离子 为0-0.2MPa. 交换剂.该树脂采用新工艺合成，因而树脂的性 2试验内容 能有较大的改变，如颜色由白色变为黄色，工作 交换容量也明显降低，但目前还未见可以在弱 21树脂层压力降试验 酸阳离子树脂交换床上应用的性能数据.因此， 树脂层的压力降是指水通过单位高度树脂 为充分发挥弱酸树脂的功能和保证出水水质， 层时进出口压力之差，是树脂的水流阻力特性 本试验对该树脂的水力学特性进行了探讨. 它和水的流速、树脂颗粒的粒径、颗粒表面状况 及水温有关.一般树脂粒径越小，单位体积中树 1试验装置 脂表面积越大，水流的摩擦阻力越大，即水流阻 力越大. 试验用样品为江苏有机化工厂生产的D113 试验所用自来水水质：钙摩尔浓度l.5mmol 弱酸树脂，有关性质如下： L;镁摩尔浓度1.2mmo/L;总碱度4.5mmo/L. 全交换容量为4.65moL;湿视密度0.808g 试验中，在柱内装入D113弱酸型阳离子树 mL;湿真密度1.159gmL;均一系数1.22 脂高度约300mm,反洗15min后，再正洗至树 试验装置系统如图1，交换柱高700mm,内 脂层高度不变，准确量取层高H,此高度与每次 径90mm,内装300mm高的D1l3树脂.有关试 再生后开始运行时的高度一致.进行水流阻力 验表明，在该内径交换柱中进行水力学特性试 试验时，进、出口压力表示数之差，反映了两测 验时，已看不出器壁效应.流量计用来监督进水 点间树脂层的水流压力损失与其他原因造成的 压差之和.后一项损失可在未装树脂层时单独 自来水 测定. 在每个温度和流速条件下，都要维持一段 流量计 交换柱 690mm 时间，至进、出口压力表示数稳定时记下数据， 压力降可按下式(1)算出： △P=(PA-Pa-△P)MH (1) 计量箱(100L三三 式中：△P一每米树脂层的压力降，MPa;P一人 图1水力学性能试验装置 口压力表示数，MPa;Pm一出口压力表示数， Fig.1 The experiment equipment of hydraulic MPa;△P。一在同样的水温和流速下，无树脂层 characteristics 时进、出口压力表示数之差，MPa;H一再生后 的树脂层高度.压力降计算结果如图2和图3 收稿日期200009-20 陈秀枝女，39岁，高级工程师 所示

第 23 卷 第 5 期 2 00 1 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r . a l o f U n ive 拍i yt o f s e如 e e a n d eT e h . o l o gy B iej 加 g V bl . 23 N O 一 5 o c L 20 0 1 D l l 3 弱酸交换树脂的水力学特性试验 陈秀枝 唐瑞彬 李采芳 宋存义 北京科技大学土木与环境工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 研究 D l l3 弱酸 树脂在 以 自来 水 为进水 条件 下 , 不 同流 速 、 不 同温度 对树脂压 力降 、 反洗展开 率和沉 降速度 的影 响规律 . 结果认为水流 速越大 , 温 度越低 , 树脂 层水流 阻力越 大 ; 反 洗 流速越大 , 温度越 低 , 反 洗膨胀率越大 ; 树脂粒径越 大 , 温度 越高 , 沉降速度越快 . 关键词 弱 酸树脂; 压力 降; 反洗展 开率; 沉 降速 度 分 类号 T 4Q 2 5 . 2 1 丙烯 酸系大孔 弱酸 阳离子交换树脂 , 是 近 几年来用在离子交换水处理法 中的一种 阳离子 交换剂 . 该树脂采用新工艺合成 , 因 而树脂的性 能有较大 的改变 , 如颜色由白色变为黄色 , 工作 交换 容量也 明显 降低 . 但 目前 还未见 可 以在 弱 酸阳离子树脂交换床上应用的性能数据 . 因此 , 为充分发挥 弱酸树脂 的功能 和 保证 出水水 质 , 本试 验对该树脂 的水力学特性进行 了探讨 . 1 试验装置 试验用样 品为江苏有机化工厂生产 的 D l l3 弱 酸树 脂 , 有关性质 如下 : 全交换容量 为 .4 65 m o 况; 湿视密度 0 . 8 08 留 m L ; 湿真 密度 1 . 1 59 岁m ;L 均一系数 1 . 2 . 试 验装置 系统 如图 1 ,交换柱 高 7 0 ~ , 内 径 90 1n i l l , 内装 3 0 r n们n 高 的 D l l3 树脂 . 有关试 验 表明 , 在该 内径交换柱 中进行 水力学特性试 验 时 , 已看不出器壁效应 . 流量计用来监督进水 墓 图 1 水力 学性能 试验 装t F 褚 . 1 T h e e x P e ir m e n t 叫u i Pm e n t o f h y d r a u ilc c b 皿r 自 C t e r is 6 C , 收稿 日期 2 0 0刁 9 一2 0 陈 秀枝 女 , 39 岁 , 高级工 程师 流速 , 准确流量用秒表及量筒测定 . 压力表量程 为 0一.0 2 Mp .a 2 试验 内容 .2 1 树脂层压力降试验 树脂层 的压力降是指水通过单位高度树脂 层时进 出口 压力之差 , 是树脂 的水流阻力特性 . 它和 水的流速 、 树脂颗粒的粒径 、 颗粒表面状 况 及水温有关一般树脂粒径越小 , 单位体积中树 脂 表面积越 大 , 水流的摩擦阻力越大 , 即水 流阻 力越大 . 试验所用 自来水水质 : 钙摩尔浓度 l . s r n r n o l 几 ; 镁摩 尔浓度 1 . 2 ~ o 比; 总碱度 .4 5 ~ o比 . 试验 中 , 在柱 内装人 D l l3 弱酸型 阳离子树 脂高度约 3 0 n ln l , 反 洗 15 m in 后 , 再正洗至树 脂层高度不 变 , 准确量取层高 H , 此高度 与每 次 再生后开 始运 行时的高度一致 . 进行水流阻力 试验时 , 进 、 出口 压力表示数 之差 , 反映 了两测 点间树脂层 的水流压力损失与其他原因造成 的 压差之 和 . 后一项损失 可在 未装 树脂层时单 独 测定 . 在每个温度 和 流速条件下 , 都要维持一段 时间 , 至进 、 出口 压 力表示 数稳定时记下 数据 , 压力降可按 下式 ( l) 算 出: △尸 二 (尸 人 一凡 一△几)沂 ( l ) 式 中:△尸一每米树脂层 的压力 降 , M p a ; 尸 人一人 口 压力表示数 , M P a ; 尸 出一 出 口 压力表示 数 , M p ;a 八0P一 在 同样 的水 温和 流速下 , 无树脂层 时进 、 出口 压力 表示 数之差 , M P a ; 万一再生后 的 树脂层 高度 . 压力降计算结果 如图 2 和 图 3 所示 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 05. 003

VoL.23 No.5 陈秀枝等：D113弱酸交换树脂的水力学特性试验 ·399 由图2和图3可知，由于大孔弱酸树脂多 和细碎树脂，以保证床层正常运行 孔的结构特点和H型弱酸树脂羧酸间的相互作 对失效态的D113树脂进行反洗展开率试 用，使该树脂的弹性较大.在一定的温度下，树 验，在不同的温度和条件下，需维持一段时间至 树脂层高度不变时，记下此时的高度 0.04 树脂层的反洗展开率可按下式算出： 0.03 E=4x100% 5℃ H (2) 0.02 式中：E一给定温度和反洗流速下的树脂层膨胀 10℃ 率（展开率）；H一反洗时树脂层总高度，m;H一 0.01 失效时树脂层高度，m.试验结果见图4. 反洗是依靠水流的动力带动树脂颗粒往上 0 2 4 6 v/m.h- 移动，此力不但和水的流速有关，还与水的粘度 图2不同温度下流速与树脂层压力降的关系 有关，水的粘度越大，托起树脂颗粒的作用力也 Fig.2 The relation of flow velocity and pressure fall at 就越大，而颗粒沉降速度就越小此外，树脂颗 different temperatures 粒粒径越大，密度越大，越不易被水流托起，由 0.04 图4知，在一定的温度、粒径和粘度下，当自来 水以一定的流速从交换柱底部流经失效的树脂 0.03 向下流 层时，密实的树脂层逐渐松动并徐徐上升.流速 稳定后，树脂层维持在一定的高度不变；加大反 向上流 0.01 200 160 0 2 8120 10℃ v/m.h- b 图3相同温度下流速与树脂层压力降的关系 40 18℃ Fig.3 The relation of flow velocity and pressure fall at 0 the same temperature 0 10 20 30 40 V饭wmhl 脂从再生态H型变为失效态Ca,Mg型时转型 图4反洗流速与反洗展开率()的关系 膨胀率较大，树脂层体积增加较多.当水流速度 Fig.4 The relation of reverse washing velocity 增大时，树脂层的膨胀受到限制，使树脂颗粒变 and expanding rate 形，在层内相互挤压，造成通流空间减小，特别 是随运行时间的推移，树脂失效度增加，这样就 洗流速时，颗粒被托起越高，反洗展开率也就越 造成了水流阻力上升. 大.此外，在树脂粒径、反洗流速一定时，随温度 由图可知向下流的水流阻力大于向上流的 升高，反洗展开率减小. 水流阻力，这是因为水自上而下流时，水中的悬 2.3树脂的沉降速度试验 浮物多被截留在树脂层表面，树脂层不易松动， 离子交换树脂颗粒沉降速度是一个重要的 因而水流阻力增大：水向上流时，悬浮物深人到 水力学性能指标，它和粒径大体上成线形关系. 整个树脂层内部，树脂层的堆积较疏松，因而水 测定时，在一垂直放置的玻璃管中，放满一 流阻力增加较缓慢.此外，随温度升高，树脂层 定温度的纯水，在离水面20cm处画一刻度，下 压力降减小. 端刻度距上端刻度80cm.将不同粒度的Ca型， 2.2树脂层反洗展开率试验 Mg*型DI13弱酸树脂以自由落体方式通过整 树脂在使用过程中，不断地被水中的污染 个水层，记录通过两刻度间距离的时间，然后用 物质堵塞，并在水流作用下渐被压实，使阻力逐 v=80t即可求得（其中，t为所记录时间）.沉降 渐增大，因此在运行一段时间后，需要进行反洗 速度与粒度和温度的关系见表1. 以松动树脂层，并清除床层中积留的污浊物质 影响颗粒沉降速度的因素有颗粒粒径、水 温和树脂密度，由经验公式(3)计算

2 L 3 V b O N 一 陈秀枝等 5 : D 3 l l 弱酸 交换 树脂 的水 力学特性 试验 一 3 99 . 2 3 由图 和图 可知 , 由于大孔弱 酸树 脂多 孔 的结构特点 和 H 型弱 酸树脂 梭酸间 的相互作 用 , 使该树脂 的弹性较大 . 在一定 的温度下 , 树 才靳少 和 细碎树脂 , 以保证 床层 正 常运 行 . 对失效 态的 D l l3 树脂进行反 洗展开率试 验 , 在不同的温度和 条件下 , 需维持一段 时间至 树脂层 高度不变时 , 记下此时 的高度 . 树脂层 的反洗展开率可 按下 式算 出 : : 一 竺丝 、 10 0 % 月 ( 2 ) 图 2 不同 温度下 流速 与树脂 层压 力 降的关 系 F 啥 . 2 T h e er 扭幼0 . of n ’o w v e loc iyt a u d P r es u r e fa l a t di fe er n t t e m P e ar t u r e s 0 . 04 厂一一一一一一一一一一一一一一一 — .’ l 0 . 0 3 式中沼- - 给定温度和反 洗流速下的树脂层 膨胀 率 (展 开率 ) ; H ` 反洗 时树脂 层总高度 , m 刃 二一 失效时树脂层 高度 , m . 试验结果见 图 .4 反洗是依靠水流的动力带动树脂颗粒往上 移动 , 此力不 但和 水的流速有关 , 还与水 的粘度 有关 . 水 的粘度越大 , 托起树脂颗粒的作用力也 就越大 , 而颗粒沉降速度就越 小 . 此外 , 树脂 颗 粒粒径 越大 , 密度越大 , 越不 易被水流托起 . 由 图 4 知 , 在一 定的温度 、 粒径 和 粘度下 , 当 自来 水以一定 的流速从交换柱 底部流经失效 的树脂 层时 , 密实的树脂层逐 渐松动并徐徐上 升 . 流速 稳定后 , 树脂层维持在一定 的高度不 变 ; 加大反 nUC n ù 0 ǎU6 ,`R4 气乙 - , .J 目 髻 。一 0 . 0 1 0 0 2 4 6 8 , /m · h 一 ` 睿 图 3 相 同温 度 下流速 与树脂 层压 力降 的关 系 F娘 . 3 T h e er al it o n o f n ow v e l o e iyt a n d P er s s u er af ll a t t h e , a m e t e ln P e ar 加 er 脂 从再生态 H 型 变为失效 态 C a , M g 型 时转型 膨胀率较大 , 树脂层体积增加较多 . 当水流速度 增大时 , 树脂层 的膨胀受到限制 , 使树脂颗粒变 形 , 在层 内相互挤压 , 造成通 流空 间减小 , 特别 是随运行时间的 推移 , 树脂失效度增加 , 这样就 造成 了 水流阻力 上升 . 由图可 知向下 流 的水流 阻力 大于 向上流 的 水流阻力 , 这是因 为水 自上而下流时 , 水中的悬 浮物 多被截 留在树脂层表面 , 树脂层不 易松动 , 因 而水流 阻力增大 ; 水向上流 时 , 悬浮物深人 到 整个树脂层 内部 , 树脂层 的堆积较疏松 , 因而水 流阻力增加较缓 慢 . 此外 , 随温度升高 , 树脂层 压力降减小 . .2 2 树脂层反 洗展开率试验 树脂在使用 过程 中 , 不断地被水 中的 污染 物质堵 塞 , 并在水流作用下渐 被压实 , 使阻力 逐 渐增大 . 因此在运 行一段时间后 , 需要进行反 洗 以松动树脂 层 , 并清 除床层 中积 留的污 浊物质 0 L es 一一一~ - - 一- - 占一一- - 0 1 0 20 3 0 4 0 v 反 澎m 、 h 一 l 图 4 反洗流 速与 反洗展 开率 (幻的 关系 F i g . 4 T h e r e l a t i o n o f ver e r s e w a s h i n g v e lo c iyt a n d e x P a n d i n g ar t e 洗流速时 , 颗粒被托起越高 , 反洗展开 率也就越 大 . 此外 , 在树脂粒径 、 反 洗流速一定时 , 随温度 升高 , 反洗 展开率减小 . .2 3 树脂的沉降速度试验 离子交换树脂颗粒沉降速度是一个重要的 水力学性能指标 , 它和粒径大体上 成线形关 系 . 测定 时 , 在一垂直放置的玻璃 管中 , 放满一 定温度的纯水 , 在离水 面 20 c m 处 画 一刻度 , 下 端刻度距上端刻度 80 c m . 将不同粒度 的 C+az 型 , M才 + 型 D l l3 弱 酸树脂 以 自由落 体方式通过整 个水层 , 记 录通过两刻度间距离 的时间 , 然后用 v = 80 t/ 即 可 求得 (其 中 , t 为所 记录 时间) . 沉 降 速度 与粒度 和 温度的关系见 表 1 . 影响颗粒沉 降速度 的因素有颗粒粒径 、 水 温和 树脂密 度 , 由经验公式 ( 3) 计算

·400· 北京科技大学学报 2001年第5期 表1不同粒度和温度下颗粒的沉降速度 3结论 Table 1 The sedimentation rate of the resin grain under (1)自来水自上而下流经D113弱酸树脂层 different granularity and temperature 时，流速越大，温度越低，树脂层水流阻力越大 d/mm Vs.ut/cm.s-! Vsasc/cm.s- 同时，向下流的水流阻力大于向上流的水流阻 >0.40 4.12 4.26 >0.28 2.78 2.95 力 >0.20 2.42 2.67 (2)树脂失效反洗时，反洗流速越大，温度 越低，反洗膨胀率越大 =1.49μ-0△p067d-1p*2w (3) (3)在水温和粘度一定的条件下，树脂粒径 越大，温度越高，沉降速度越快 式中：vs一颗粒沉降速度，cms;一水的动力粘 度，Pas;△p一颗粒密度和水的密度之差，gcm; 参考文献 d一颗粒直径，cm;p*一水的密度，gcm'. 1邵林.水处理用离子交换树脂，北京：水力电力出版 因此，随树脂粒径增大，水温升高，密度差 社，1987 增大，颗粒的沉降速度也增加.表1反映了不同 2钱勤，张澄性.弱酸性阴离子交换树脂水力学特性 净水技术，1994(3)：1 温度、不同粒度颗粒的沉降速度.由表知，颗粒 3钱勤，张澄性.弱碱性阴离子交换树脂的水力学特 粒径越大，水温越高，沉降速度就越快 性.净水技术，1994(3)：1 Hydraulic Characteristics of Weakly Acid Cation Exchange Resin CHEN Xiuzhi,TANG Ruibin,LI Caifang,SONG Cunyi Civil and Enviromental Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The influence of different flow of water and different temperatures on the pressure fall,the expanding rate of reverse washing and the rate of sedimetation for exchange resin are presented.The results show that flow resistance in resin level increases with flow velocity increasing and temperature falling.Re- verse washing expanding rate increases with reverse washing velocity increasing and temprature falling.Sedi- mentation rate increases with resin grain increasing and temerature rising. KEY WORDS exchange resin;pressure fall;expanding rate of reverse washing;sedimentation rate

4 00 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 001 年 第 5 期 表 1 不 同粒 度和 温度 下顺粒的沉 降速 度 aT b肠 1 T h e , e d i山 e n 妞 it 皿 ar et of ht e 卿i . g ar i . u . d e r di幻er er n t g r a n u al r iyt a n d t e m P e r a t u er d/ m m vs , I t v s J S℃ c/ m · s 一 , 4 . 2 6 2 . 9 5 2 . 6 7 习一一召n, àR1 洲 12 ú一连 . `, 2 . 4 2 v s = l · 4助 一 , ` , ,如 。 ` , , d , , 0P护 , 86 ( 3 ) 式 中即 s一颗粒沉 降速度 , c而 s ;户一水 的动力粘 度 , aP · s ; 匀卜颗粒密度和水 的密度之差 , 沙m , ; 子一颗 粒直径 , c m ; p 水 一水 的密度 , 岁c m , . 因此 , 随树脂粒 径增大 , 水温升高 , 密度差 增大 , 颗粒的沉降速度也增加 . 表 l 反 映了不 同 温度 、 不 同粒度颗 粒的沉降速度 . 由表知 , 颗粒 粒径越 大 , 水温越高 , 沉 降速度就越快 . 3 结论 ( l) 自来水 自上而下流经 D l l3 弱 酸树 脂层 时 , 流速越大 , 温度越低 , 树脂层水流阻力越大 . 同时 , 向下 流的水 流阻力大于 向上流的水流阻 力 . ( 2 )树脂失效反洗 时 , 反洗流速越大 , 温度 越低 , 反洗膨胀率越 大 . ( 3 )在水温和粘度一 定的条件下 , 树脂粒径 越 大 , 温度越高 , 沉 降速度 越快 . 参 考 文 献 1 邵 林 . 水 处理 用离 子交换 树脂 . 北京 : 水力 电力 出版 社 , 19 5 7 2 钱勤 , 张 澄性 . 弱酸 性 阴离子 交换 树脂水 力学 特性 . 净水 技术 , 1 9 94 ( 3) : l 3 钱勤 , 张澄 性 . 弱 碱性 阴 离 子交 换树脂的水 力 学特 性 . 净水技 术 , 19 9 4 ( 3 ) : l H y d r a u il e C h a r a e t e r i s it e s o f w 七a 以y A e i d C a it o n E x e h a n g e R e s i n C 月五脚 Xi uz hi, AT N G Riu b in , LI aC 如gn, SO N G C “ yn i Ci v i l an d Evn ir om en at l nE g in e er ign S e h o l , U S T B e ij ign , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e i n flu e n e e o f id fe r e nt fl o w o f w at er an d d i fe er nt t e m P e r a t 找e s o n ht e Per s s ur e fa ll , ht e e xP an d in g r at e o f r e v e r s e w a sh in g an d ht e r a t e o f s e d加e at i o n fo r e x e h an g e er s in aer rP e s e n t e d . T h e r e s u lt s s h o w ht at fl o w er s i s st 山e e in r e s in l e v e l in e er a s e s w iht if o w v e l o c iyt icn r e a s in g an d t e m Pe r a tr 叮 e fa lli n g . 取 - v e r s e w as hi n g e x Pan d in g art e in e er a s e s w iht r e v e r s e w a sh in g v e l o e iyt i n e er a s ign an d et m Pr a 奴双 e fa lli n g , S e di - m e 刘at t l o n art e in e r e a s e s w iht re s in gr a in icn r e a s in g an d te m e r a 奴双 e r i s ign . K E Y W O R D S e x e h an g e re s in ; P r e s s ur e af ll: e x P an d in g art e o f r e v e r s e w a s h in g : s e d让n e nt at i o n ar t e