基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置及方法

1.本发明涉及工业废水的洁净化处理领域，特别是一种基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置及方法。


背景技术：

2.目前废水中重金属离子的处理方式呈现多样化，主要包括：吸附，离子交换，化学处理，混凝以及透膜等方式。其中吸附是利用多孔的固体物质使水中的一种或多种物质吸附到固体表面并被除去，因其有效、廉价性被视为最有前途的方式。因此利用吸附技术处理废水中的重金属离子成为了研究的热点。目前，吸附技术所采用的主要方式为固定床吸附和流态化吸附。但固定床吸附易出现局部过热，床层堵塞，流体分布不均匀及床层压降较高等问题，严重影响其吸附效率，限制了固定床吸附的工业应用。而流态化吸附所拥有的“拟流体”特性可促使吸附剂颗粒与吸附质充分接触，有利于提高吸附效率，是未来吸附技术发展的方向，但目前相关研究与应用较少。


技术实现要素：

3.本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置及方法，装置简单，操作方便，可用于废水重金属离子的吸附回收作业。
4.为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：一种基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置，包括流态化吸附床和流态化解吸床，所述流态化吸附床下侧部设置废水入口、一级冲水口及洁净吸附剂入口，所述废水入口连接第一电磁蝶阀、吸附泵和废水桶，所述一级冲水口通过第六电磁蝶阀及冲水泵与冲水桶相连通；所述流态化吸附床上侧部设置清水出口和饱和吸附剂出口，所述清水出口通过第二电磁蝶阀和清水桶相连通；所述流态化解吸床底部设置洁净吸附剂出口和多个二级冲水口，所述二级冲水口连接第五电磁蝶阀、冲水泵和冲水桶，所述洁净吸附剂出口通过第四电磁蝶阀与洁净吸附剂入口相连通；所述流态化解吸床下侧部设置解吸剂入口，解吸剂入口连接第八电磁蝶阀、解吸剂泵和解吸剂桶；所述流态化解吸床上侧设置饱和吸附剂入口和解吸剂出口，所述饱和吸附剂出口通过第三电磁蝶阀与饱和吸附剂入口相连通，解吸剂出口通过第七电磁蝶阀与解吸剂回收桶相连通。
5.进一步地，所述流态化吸附床内部由下至上依次设有旋转分布器、煤矸石基分子筛颗粒床层、一级锥形螺旋过滤网、二级锥形螺旋过滤网和清水过滤网；所述清水过滤网设置于清水出口处的流态化吸附床内壁，所述煤矸石基分子筛颗粒床层设置于洁净吸附剂入口处的流态化吸附床内，旋转分布器设置于废水入口、一级冲水口上方的流态化吸附床内，且旋转分布器设置于煤矸石基分子筛颗粒床层下端面；所述流态化解吸床内部由下至上依次设有二级倒锥形分布器、一级倒锥形分布器和解吸剂过滤网；所述解吸剂过滤网设置于解吸剂出口处的流态化解吸床内壁，解吸剂入口设置于二级倒锥形分布器一侧的流态化解
吸床侧壁。
6.进一步地，所述旋转分布器外形为圆柱体，直径为180mm，高为50mm，内部均匀布置呈环形旋转的圆孔，圆孔的孔径为0.1mm，开孔率为15%，倾斜角度为30
°
。
7.进一步地，所述一级锥形螺旋过滤网锥角为80
°
，锥体表面布置螺旋开孔，开孔距离为0.5 mm，锥顶开口为圆形，直径为100 mm；所述二级锥形螺旋过滤网锥角为80
°
，锥体表面布置螺旋开孔，开孔距离为1 mm，锥顶开口为圆形，直径为80 mm；所述清水过滤网外形呈半椭圆形，表面均匀布置孔径为0.1 mm的圆孔，开孔率为15%；所述一级倒锥形分布器锥角为60
°
，锥体表面均匀布置孔径为1 mm的圆孔，开孔率为15 %，锥顶开口为圆形，直径为60 mm；所述二级倒锥形分布器锥角为60
°
，锥体表面均匀布置孔径为0.1mm的圆孔，开孔率为15 %，锥顶开口为圆形，直径为30 mm；所述解吸剂过滤网外形呈半椭圆形，表面均匀布置孔径为0.1 mm的圆孔，开孔率为15%。
8.进一步地，所述煤矸石基分子筛颗粒床层中颗粒外形呈圆球形，直径为0.5-2 mm，装载量控制在60-80 kg。
9.进一步地，所述流态化吸附床外形呈圆柱形，高度为1000mm，内径为180 mm，内部构件一级锥形螺旋过滤网、二级倒锥形分布器、旋转分布器及清水过滤网与流态化吸附床内壁焊接固定；所述流态化解吸床外形呈圆柱形，高度为500mm，内径为180 mm，内部构件一级倒锥形分布器、二级倒锥形分布器及解吸剂过滤网与流态化解吸床内壁固定。
10.进一步地，所述二级冲水口为四个，环形均匀布置，环形半径为45mm，与流态化解吸床底部相通，内径为20mm。
11.进一步地，所述吸附泵出水速度控制在1.5-3 m3/m2·
h；所述解吸泵出水速度控制在0.5-1 m3/m2·
h；所述冲水泵出水速度控制在6-12 m3/m2·
h；所述冲水桶中存放溶液为清水；所述解吸剂桶中氯化钠水溶液的饱和浓度为26.5%。
12.作为本发明的进一步优化方案，所述流态化吸附床和流态化解吸床内壁采用耐磨耐腐蚀复合材料制成。
13.另外，本发明还提供了基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附方法，使用上述基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置进行废水中重金属离子的洁净化处理作业，具体步骤如下：步骤一、开启吸附泵、第一电磁蝶阀及第二电磁蝶阀，同时关闭第三电磁蝶阀、第四电磁蝶阀及第六电磁蝶阀，此时废水在吸附泵作用下以1.5-3 m3/m2·
h的速度由废水桶经第一电磁蝶阀、废水入口和旋转分布器流进流态化吸附床，形成螺旋流场；此时煤矸石基分子筛颗粒床层在螺旋流场作用下呈悬浮状态，形成螺旋流化床层；步骤二、当煤矸石基分子筛颗粒床层形成流化床层后，分子筛颗粒与废水中重金属离子充分接触，重金属离子被分子筛颗粒吸附。废水中的重金属离子被吸附后，废水成为清水并通过一级锥形螺旋过滤网、二级锥形螺旋过滤网及清水过滤网，经第二电磁蝶阀进入清水桶，整个颗粒床层进入吸附阶段；步骤三、当进入清水桶的清水开始浑浊时，分子筛颗粒达到饱和吸附状态，此时关闭吸附泵、第一电磁蝶阀、第二电磁蝶阀、第五电磁蝶阀、第七电磁蝶阀及第八电磁蝶阀。同时开启冲水泵、第三电磁蝶阀及第六电磁蝶阀，此时冲水在冲水泵的作用下开始以6-12 m3/m2·
h的速度经第六电磁蝶阀、第一冲水口及旋转分布器进入流态化吸附床。在冲水的作
用下矸石基分子筛颗粒开始由流化状态转变为输送状态，分子筛颗粒通过一级锥形螺旋过滤网、二级锥形螺旋过滤网的开口，经饱和吸附剂出口、第三电磁蝶阀和饱和吸附剂入口进入解吸流化床中，最终沉积在二级倒锥形分布器上，进入解吸阶段；步骤四、当矸石基吸附剂颗粒全部进入解吸流化床后，关闭冲水泵、第三电磁蝶阀及第六电磁蝶阀，同时开启第七电磁蝶阀、第八电磁蝶阀及解析泵，此时解吸剂（即饱和氯化钠溶液）在解析泵的作用下，以0.5-1 m3/m2·
h的速度通过第八电磁蝶阀和解吸剂入口进入解吸流化床。在二级倒锥形分布器的分布作用下，解吸剂形成均匀上升流，促使二级倒锥形分布器上沉积的饱和分子筛颗粒悬浮，形成流化床层。在流化状态下，饱和分子筛颗粒中的重金属离子被解吸剂充分解离，从而促使饱和分子筛颗粒解吸，成为洁净吸附剂。随后，承载有重金属离子的解吸剂通过一级倒锥形分布器、解吸剂过滤网、解吸剂出口及第七电磁蝶阀进入解吸剂回收桶，从而实现整个解吸过程；步骤五、当饱和分子筛颗粒充分解吸成为洁净分子筛颗粒后，关闭第七电磁蝶阀、第八电磁蝶阀及解析泵。同时开启第四电磁蝶阀、第五电磁蝶阀及冲水泵，此时冲水在冲水泵的作用下开始以6-12 m3/m2·
h的速度经第五电磁蝶阀、第二冲水口及二级倒锥形分布器进入解吸流化床中。在冲水的作用下，洁净分子筛颗粒经洁净吸附剂出口、第四电磁蝶阀及洁净吸附剂入口进入流化吸附床中，从而参与下一吸附阶段，以实现基于矸石基分子筛的螺旋流态化连续吸附作业。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）首次采用螺旋流态化技术实现了对废水重金属离子的高效净化回收作业，为工业废水处理提供了一条新的途径。
15.2）首次采用煤矸石基分子筛颗粒作为吸附剂，实现了对煤矸石的资源化利用。
16.3）在流态化吸附床中采用一、二级锥形螺旋过滤网能有效抑制螺旋流场中心出现真空现象，防止紊流现象产生，有利于流化床层的流化稳定性；同时可有效避免部分分子筛颗粒的过度扩散行为，实现分子筛颗粒与废水重金属离子的充分接触；另外一、二级锥形螺旋过滤网结合清水过滤网可有效防止分子筛颗粒进入到清水桶中，减少分子筛颗粒的流失。
17.4）在流态化解吸床中采用一级倒锥形分布器有利于饱和分子筛颗粒进入二级倒锥形分布器上部形成颗粒床层；采用二级倒锥形分布器可促进解吸剂在床层中的均匀分布，有利于实现饱和分子筛的流态化，提高解吸剂与饱和分子筛的接触率，以实现较高的解吸效率；同时一、二级倒锥形分布器结合解吸剂过滤网可有效防止分子筛颗粒进入解吸剂回收桶中，避免分子筛颗粒的流失。
18.5）采用流态化吸附床和流态化解吸床相结合的方式，可实现分子筛颗粒的吸附-解吸-吸附的再循环利用，提高了分子筛颗粒的使用效率，实现了分子筛颗粒对于废水重金属离子的连续性吸附，有效降低了吸附作业成本。
19.6）通过流态化解吸床可实现废水重离子的富集回收作业，为重金属离子的后续的开发利用提供前提条件。
20.7）采用一、二级冲水工艺，结合一、二级锥形螺旋过滤网及一、二级倒锥形分布器可实现分子筛颗粒在流态化吸附床和流态化解吸床间的顺时针循环运输，避免了机械运输过程中造成的运输成本高、效率低等问题。
附图说明
21.图1是本发明的装置结构示意图；图2是图1中流态化吸附床的刨面图；图3是图1中流态化解吸床的刨面图；图4是图1中旋转分布器的俯视图；图5是图1中旋转分布器的主视图。
22.图中：1、流态化吸附床；2、流态化解吸床；3、解吸剂回收桶；4、解吸剂桶；5、冲水桶；6、清水桶；7、废水桶；8、第二电磁蝶阀；9、第三电磁蝶阀；10、第七电磁蝶阀；11、第一电磁蝶阀；12、第四电磁蝶阀；13、第六电磁蝶阀；14、第五电磁蝶阀；15、冲水泵；16、解吸剂泵；17、吸附泵；18、清水过滤网；19、二级锥形螺旋过滤网；20、一级锥形螺旋过滤网；21、解吸剂过滤网；22、一级倒锥形分布器；23、二级倒锥形分布器；24、清水出口；25、废水入口；26、旋转分布器；27、饱和吸附剂出口；28、洁净吸附剂入口；29、一级冲水口；30、饱和吸附剂入口；31、解吸剂出口；32、解吸剂入口；33、洁净吸附剂出口；34、二级冲水口；35、煤矸石基分子筛颗粒床层。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
24.如图1至图5所示，一种基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置，包括流态化吸附床1和流态化解吸床2，为降低废水及解吸剂对装置的腐蚀作用，减少分子筛颗粒对装置的研磨作用，床体内壁采用耐磨耐腐蚀复合材料制成，以提高装置的使用寿命；所述的流态化吸附床1外形呈圆柱形，高度为1000mm，内径为180 mm，内部主要由旋转分布器26、一级锥形螺旋过滤网20、二级锥形螺旋过滤网19、清水过滤网18和煤矸石基分子筛颗粒床层35构成，其中一级锥形螺旋过滤网20锥角为80
°
，锥体表面布置螺旋开孔，开孔距离为0.5 mm，锥顶开口为圆形，直径为100 mm，二级锥形螺旋过滤网19锥角为80
°
，锥体表面布置螺旋开孔，开孔距离为1mm，锥顶开口为圆形，直径为80 mm，清水过滤网18外形呈半椭圆形，表面均匀布置孔径为0.1 mm的圆孔，开孔率为15%，上述三种内构件与流态化吸附床1内壁焊接固定；同时为实现螺旋流态化床层，煤矸石基分子筛颗粒床层35中颗粒外形呈圆球形，直径为0.5-2 mm，装载量控制在60-80 kg，而旋转分布器26外形则设计为圆柱体，直径为180mm，高为50mm，内部均匀布置呈环形旋转的圆孔（孔径为0.1mm，开孔率为15%），倾斜角度为30
°
，可促使通过的废水形成螺旋流场；所述的流态化吸附床1下侧部设置废水入口25、一级冲水口29及洁净吸附剂入口28，所述废水入口25连接第一电磁蝶阀11、吸附泵17和废水桶7，其中吸附泵17出水速度控制在1.5-3 m3/m2·
h，废水桶7中废水来自周边工业城；所述一级冲水口29通过第六电磁蝶阀13及冲水泵15与冲水桶5相连通，其中冲水泵15出水速度控制在6-12 m3/m2·
h，冲水采用清水；所述的流态化吸附床1上侧部设置清水出口24和饱和吸附剂出口27，所述清水出口24通过第二电磁蝶阀8和清水桶6相连通，所述饱和吸附剂出口27连接第三电磁蝶阀9，并对应饱和吸附剂入口30；结合图2、4，所述流态化解吸床2外形呈圆柱形，高度为500mm，内径为180 mm，内部主要由一级倒锥形分布器22、二级倒锥形分布器23和解吸剂过滤网21构成，其中一级倒锥
形分布器22锥角为60
°
，锥体表面均匀布置孔径为1 mm的圆孔，开孔率为15 %，锥顶开口为圆形，直径为60 mm，二级倒锥形分布器23锥角为60
°
，锥体表面均匀布置孔径为0.1mm的圆孔，开孔率为15 %，锥顶开口为圆形，直径为30 mm，解吸剂过滤网21外形呈半椭圆形，表面均匀布置孔径为0.1 mm的圆孔，开孔率为15%，上述三种內构件与流态化解吸床2内壁焊接固定；所述流态化解吸床2底部设置四个二级冲水口34和洁净吸附剂出口33，其中四个二级冲水口34环形均匀布置，环形半径为45mm，与流态化解吸床2底部相通，内径为20mm；所述二级冲水口34连接第五电磁蝶阀14、冲水泵15和冲水桶5，所述洁净吸附剂出口33连通第四电磁蝶阀12，并对应洁净吸附剂入口28；所述流态化解吸床2下侧部设置解吸剂入口32，解吸剂入口32连接第八电磁蝶阀9、解吸剂泵16和解吸剂桶4，其中解吸泵16出水速度控制在0.5-1 m3/m2·
h，解吸剂桶4中存放饱和氯化钠水溶液，浓度为26.5%；所述流态化解吸床2上侧设置饱和吸附剂入口30和解吸剂出口31，解吸剂出口31通过第七电磁蝶阀10与解吸剂回收桶3相连通。
25.在一些实施例中，如图3、4所示，本实施例的基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置采用流态化吸附床和流态化解吸床相结合的方式，在流态化吸附床1中采用一级锥形螺旋过滤网20和二级锥形螺旋过滤网19能有效避免螺旋流场中心出现真空现象，防止紊流现象产生，有利于流化床层的流化稳定性；同时可有效避免部分分子筛颗粒的过度扩散行为，实现分子筛颗粒与废水重金属离子的充分接触；另外一、二级锥形螺旋过滤网结合清水过滤网18可有效防止分子筛颗粒进入到清水桶中，避免分子筛颗粒的流失。在流态化解吸床2中采用一级倒锥形分布器22有利于饱和分子筛颗粒进入二级倒锥形分布器23上部形成颗粒床层；采用二级倒锥形分布器23可促进解吸剂在床层中的均匀分布，有利于实现饱和分子筛的流态化，提高解吸剂与饱和分子筛的接触率，以实现较高的解吸效率；同时一、二级倒锥形分布器结合解吸剂过滤网21可有效防止分子筛颗粒进入解吸剂回收桶中，避免分子筛颗粒的流失。因此，采用流态化吸附床和流态化解吸床相结合的方式，可实现分子筛颗粒的吸附-解吸-吸附的再循环利用，提高了分子筛颗粒的使用效率，实现了分子筛颗粒对于废水重金属离子的连续性吸附，有效降低了吸附作业成本。
26.在实际使用过程中，避免了机械运输过程中造成的运输成本高、效率低等问题，采用一、二级冲水工艺，结合一级锥形螺旋过滤网20、二级锥形螺旋过滤网10及一级倒锥形分布器22、二级倒锥形分布器23可实现分子筛颗粒在流态化吸附床和流态化解吸床间的顺时针循环运输。
27.需要说明的是，本实施例中所使用的煤矸石分子筛颗粒可以直接在市面上购置，也可人工制备，其制备工艺及控制方式为本领域的常识，因此，本实施例不再赘述。
28.需要进一步说明的是，本实施例中所使用的第一电磁碟阀11、第二电磁碟阀8、第三电磁碟阀9、第四电磁碟阀12、第五电磁碟阀14、第六电磁碟阀13、第七电磁碟阀10、第八电磁碟阀9可以直接在市面上购置，其安装结构及控制方式为本领域的常识，因此，本实施例不再赘述。
29.需要进一步说明的是，本实施例中的吸附泵17、冲水泵15及解吸泵16均为市场常见的渣浆泵，其安装结构及控制方式为本领域的常识，因此，本实施例不再赘述。
30.使用本实施例的基于煤矸石基分子筛的螺旋流态化连续性吸附装置可进行工业废水中重金属离子的连续净化回收工作，具体步骤如下：
步骤一、开启吸附泵17、第一电磁蝶阀11及第二电磁蝶阀8，同时关闭第三电磁蝶阀9、第四电磁蝶阀12及第六电磁蝶阀13，此时废水在吸附泵17作用下以1.5-3 m3/m2·
h的速度由废水桶7经第一电磁蝶阀11、废水入口25和旋转分布器26流进流态化吸附床1，形成螺旋流场；此时煤矸石基分子筛颗粒床层35在螺旋流场作用下呈悬浮状态，形成螺旋流化床层；步骤二、当煤矸石基分子筛颗粒床层35形成流化床层后，分子筛颗粒与废水中重金属离子充分接触，重金属离子被分子筛颗粒吸附。废水中的重金属离子被吸附后，废水成为清水并通过一级锥形螺旋过滤网20、二级锥形螺旋过滤网19及清水过滤网18，经第二电磁蝶阀8进入清水桶6，整个颗粒床层进入吸附阶段；步骤三、当进入清水桶6的清水开始浑浊时，分子筛颗粒达到饱和吸附状态，此时关闭吸附泵17、第一电磁蝶阀11、第二电磁蝶阀8、第五电磁蝶阀14、第七电磁蝶阀10及第八电磁蝶阀9。同时开启冲水泵15、第三电磁蝶阀9及第六电磁蝶阀13，此时冲水在冲水泵15的作用下开始以6-12 m3/m2·
h的速度经第六电磁蝶阀13、第一冲水口29及旋转分布器26进入流态化吸附床1。在冲水的作用下矸石基分子筛颗粒开始由流化状态转变为输送状态，分子筛颗粒通过一级锥形螺旋过滤网20、二级锥形螺旋过滤网19的开口，经饱和吸附剂出口27、第三电磁蝶阀9和饱和吸附剂入口30进入解吸流化床2中，最终沉积在二级倒锥形分布器23上，进入解吸阶段；步骤四、当矸石基吸附剂颗粒全部进入解吸流化床2后，关闭冲水泵15、第三电磁蝶阀9及第六电磁蝶阀13，同时开启第七电磁蝶阀10、第八电磁蝶阀9及解析泵16，此时解吸剂（即饱和氯化钠溶液）在解析泵16的作用下，以0.5-1 m3/m2·
h的速度通过第八电磁蝶阀9和解吸剂入口32进入解吸流化床2。在二级倒锥形分布器23的分布作用下，解吸剂形成均匀上升流，促使二级倒锥形分布器23上沉积的饱和分子筛颗粒悬浮，形成流化床层。在流化状态下，饱和分子筛颗粒中的重金属离子被解吸剂充分解离，从而促使饱和分子筛颗粒解吸，成为洁净吸附剂。随后，承载有重金属离子的解吸剂通过一级倒锥形分布器22、解吸剂过滤网21、解吸剂出口31及第七电磁蝶阀10进入解吸剂回收桶3，从而实现整个解吸过程；步骤五、当饱和分子筛颗粒充分解吸成为洁净分子筛颗粒后，关闭第七电磁蝶阀10、第八电磁蝶阀9及解析泵16。同时开启第四电磁蝶阀12、第五电磁蝶阀14及冲水泵15，此时冲水在冲水泵15的作用下开始以6-12 m3/m2·
h的速度经第五电磁蝶阀14、第二冲水口34及二级倒锥形分布器23进入解吸流化床2中。在冲水的作用下，洁净分子筛颗粒经洁净吸附剂出口33、第四电磁蝶阀12及洁净吸附剂入口28进入流化吸附床1中，从而参与下一吸附阶段，以实现基于矸石基分子筛的螺旋流态化连续吸附作业。
31.综述，本发明结合流态化吸附床和解吸床的独特结构，通过旋转分布器实现了流态化吸附床中分子筛颗粒的螺旋流态化，采用二级倒锥形分布器保障了流态化解吸床中饱和分子筛颗粒的稳定流态化，最终促进了分子筛颗粒与废水、解吸剂的接触频率，提高了分子筛颗粒的吸附/解吸效率；同时采用二级冲水方式确保了分子筛颗粒在流态化吸附床和解吸床间的顺时针循环，避免了机械运输过程中造成的运输成本高、效率低等问题，实现了分子筛颗粒对废水重金属离子的吸附-解吸-吸附的连续性作业，提高了分子筛的使用效率，有效降低了吸附作业成本。
32.本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做
出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。