离子交换树脂的转型监测和控制装置的制作方法

本发明主要涉及离子交换技术进行水处理的技术领域，尤其涉及一种离子交换树脂的转型监测和控制装置。

背景技术：

弱酸性阳离子交换树脂和某些螯合类离子交换树脂饱和失效后需要用酸再生，然后再用氢氧化钠进行转型，使其交换基团上的可交换离子由氢离子转变为钠离子(即由氢型转为钠型)，从而恢复吸附性能，重复使用。

目前树脂的转型大多采用定量药剂法，即配置一定浓度和体积的氢氧化钠转型剂，以一定的流速和时间流经氢型的离子交换树脂，转型剂中的氢氧根与氢离子结合成水，而钠离子则替代氢离子与树脂的交换基团结合，完成树脂的转型。为了使树脂充分转型，转型剂氢氧化钠的使用一般都是过量的，与树脂的工作交换容量相比一般过量10-30％。氢氧化钠过量不仅增加了药剂消耗量，而且增加了清洗废水的水量和浓度，给后续废水处理带来压力，生产成本也相应提高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供离子交换树脂的转型监测和控制装置，可以节省转型剂的使用。

为解决上述技术问题，本发明提出一种离子交换树脂的转型监测装置，包括电导率传感器和控制器。电导率传感器检测转型中的离子交换树脂的出水电导率。控制器比较所述出水电导率与第一阈值，当所述出水电导率低于所述第一阈值时，判断所述离子交换树脂处于正常转型阶段；且比较所述出水电导率与第二阈值，当所述出水电导率达到所述第二阈值时，判断所述离子交换树脂处于转型基本完成阶段。

在本发明的一实施例中，所述控制器还在判断该离子交换树脂处于转型基本完成阶段之后，对所述出水电导率维持在所述第二阈值以上的时间进行计时；且当计时时间达到第三阈值时，判定转型完成。

在本发明的一实施例中，所述离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂或螯合类阳离子交换树脂。

在本发明的一实施例中，所述离子交换树脂使用氢氧化钠作为转型剂。

本发明还提出一种离子交换树脂的转型控制装置，包括电导率传感器、泵和控制器。电导率传感器检测转型中的离子交换树脂的出水电导率。泵设于输送转型剂的管路中。控制器比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于所述第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段，令泵继续输入转型剂；且比较所述出水电导率与第二阈值，当所述出水电导率达到所述第二阈值时，判断该离子交换树脂处于转型基本完成阶段，令泵停止输入转型剂。

在本发明的一实施例中，所述离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂或螯合类阳离子交换树脂。

在本发明的一实施例中，所述离子交换树脂使用氢氧化钠作为转型剂。

本发明还提出一种离子交换树脂的转型控制装置，包括电导率传感器、泵和控制器。电导率传感器检测转型中的离子交换树脂的出水电导率。泵设于输送转型剂的管路中。控制器比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段，令泵继续输入转型剂；且比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段，令泵继续输入转型剂；对出水电导率维持在所述第二阈值以上的时间进行计时；且当计时时间达到第三阈值时，判定转型完成，令泵停止输入转型剂。

在本发明的一实施例中，所述离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂或螯合类阳离子交换树脂。

在本发明的一实施例中，所述离子交换树脂使用氢氧化钠作为转型剂。

与现有技术相比，本发明通过电导率来判断离子交换树脂转型终点，有更高的准确率，可以减少转型剂的使用。

附图说明

图1是离子交换树脂转型示意图。

图2是根据本发明一实施例的离子交换树脂的转型设备示意图。

图3是根据本发明一实施例的离子交换树脂的转型监测流程图。

图4是根据本发明另一实施例的离子交换树脂的转型监测流程图。

图5是根据本发明一实施例的离子交换树脂的转型控制流程图。

图6是根据本发明另一实施例的离子交换树脂的转型控制流程图。

图7是根据本发明一实施例的转型过程的示例性电导率变化曲线。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本发明的实施例描述离子交换树脂的转型监测和控制。本发明的实施例通过监测转型过程中离子交换树脂内部的状态变化，判断转型基本完成或完成的时点。相应地，可以在这些时点停止输入转型剂，从而避免了避免转型剂的过量使用。

在阳离子交换树脂转型过程中发生如下交换反应：

r-h+naoh＝r-na+h2o(1)

式(1)中：r为离子交换树脂基团，h为吸附于树脂交换基团上的氢离子，naoh为转型剂，h2o为水。

阳离子交换树脂用酸再生后，交换基团与氢离子结合，成为氢型树脂。当用氢氧化钠转型时，氢氧根与氢离子结合成弱电解质水，氢离子让出位置给钠离子，树脂由氢型转为钠型。从反应式可以看出转型后除了钠型树脂之外，唯一的产物是水。从理论上判断，如果没有其他杂质的情况下，转型期间得到的是纯水。对于以提纯、浓缩、回收为目的的离子交换应用而言，再生剂酸和转型剂氢氧化钠都是用纯度较高的水配制而成，清洗树脂用的也是纯水，因此杂质是很少的。由于纯度较高的氢氧化钠溶液的浓度与电导率之间存在线性关系，所以想通过检测转型过程中离子交换设备出水的纯度变化来观察树脂转型的过程，从中得出规律，进而准确控制转型终点。

进一步，再生完成的氢型树脂，经纯水清洗后进入转型程序，转型剂氢氧化钠进入交换柱，顺流(或逆流)通过树脂层，按上述原理进行转型。在工艺规定的流速下，氢氧化钠几乎全部消耗于转型，并形成转型交换带，在交换带内的树脂已完成转型，而离开交换带的是转型反应的生成物——水。随着转型的继续，转型交换带逐渐向下推移，直至转型完成。

图7是根据本发明一实施例的转型过程的示例性电导率变化曲线。参考图7所示，在转型的第一阶段，即正常转型期间，出水水质稳定，纯度较高，电导率处于较低的c1区间，在此阶段除特殊情况不需要对运行进行控制干预；第二阶段，当转型接近完成前，转型剂开始泄漏，电导率在较短时间t1内发生突跃，达到c2。在时间t1内电导率从c1突变到c2时可以判断为转型基本完成。

较佳地，为了使树脂的转型尽可能充分，电导率达到c2后还可以延时一定的时间，当c2维持t2分钟后不再下降即判定转型完成，转型结束。

图2是根据本发明一实施例的离子交换树脂的转型设备示意图。参考图2所示，转型设备20可包括离子交换柱21、电导率传感器22、控制器24、泵26以及转型剂槽28。离子交换柱21内有离子交换树脂。离子交换树脂例如是弱酸性阳离子交换树脂或者螯合类阳离子交换树脂等使用酸再生的离子交换树脂。离子交换柱21通过转型剂管路27连接转型剂槽28以获得转型所需的转型剂。转型剂管路27上设置泵26以决定转型剂的用量。离子交换柱21具有出水管路29，电导率传感器22设于出水管路29上，以检测离子交换柱21的出水电导率。电导率传感器22通过信号线23连接控制器24。控制器24会根据电导率的变化来判断转型进行的程度。进一步，控制器24可根据转型进行的程度，决定是否要继续向离子交换柱21输入转型剂。根据决定的结果，控制器24输出控制信号给通过控制线25与其连接的泵26。

在本发明的实施例中，控制器24可以在例如程序、硬件或程序与硬件的组合中加以实施。例如控制器24可在一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理器件(dapd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。

在实施时，控制器24可以结合在电导率仪中，作为其一部分。电导率仪可以具有监控和显示功能。

图3是根据本发明一实施例的离子交换树脂的转型监测流程图。参考图3所示，本实施例的离子交换树脂的转型监测流程，包括以下步骤：

在步骤301，检测转型中的离子交换树脂的出水电导率；

在步骤302，比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段；

在步骤303，比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段。

更具体来说，步骤302中，以氢氧化钠为转型剂为例，氢氧化钠的氢氧根离子(oh^-)全部与树脂交换基团上氢离子(h⁺)结合，生成水(h2o)，而树脂吸附钠离子(na⁺)后转为钠型。在此阶段离开离子交换柱的主要是转型生成物——水，纯度较高，电导率处于较低的区间，设此阶段的电导率上限为第一阈值c1。如果探测到出水电导率低于第一阈值c1，则认为离子交换树脂处于第一阶段，即正常转型阶段。

在步骤303中，当转型接近完成时，氢氧化钠开始泄漏，出水纯度降低，电导率快速上升，会出现一个明显的突跃。设电导率突跃区间的高值为第二阈值c2。如果探测到出水电导率达到第二阈值c2，则认为离子交换树脂处于第二阶段，即转型基本完成阶段。

图4是根据本发明另一实施例的离子交换树脂的转型监测流程图。参考图4所示，本实施例的离子交换树脂的转型监测流程，包括以下步骤：

在步骤401，检测转型中的离子交换树脂的出水电导率；

在步骤402，比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段；

在步骤403，比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段；

在步骤404，对出水电导率维持在第二阈值以上的时间进行计时；

在步骤405，当计时时间达到第三阈值时，判定转型完成。

本实施例的步骤401-403同前一实施例，在此不再展开。在步骤404和405中，为了使树脂的转型尽可能充分，电导率达到第二阈值c2后还需要延时一定的时间，当第二阈值c2维持第三阈值t2分钟后不再下降即判定转型完成。

图5是根据本发明一实施例的离子交换树脂的转型控制流程图。参考图5所示，本实施例的离子交换树脂的转型控制流程，包括以下步骤：

在步骤501，检测转型中的离子交换树脂的出水电导率；

在步骤502，比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段，继续输入转型剂；

在步骤503，比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段，停止输入转型剂。

更具体来说，在步骤502中，当离子交换树脂处于正常转型阶段时，可以保持泵的开启，继续输入转型剂。在步骤503中，当离子交换树脂处于转型基本完成阶段时，可以关闭泵，停止输入转型剂。

图6是根据本发明另一实施例的离子交换树脂的转型控制流程图。参考图6所示，本实施例的离子交换树脂的转型控制流程，包括以下步骤：

在步骤601，检测转型中的离子交换树脂的出水电导率；

在步骤602，比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段，继续输入转型剂；

在步骤603，比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段，继续输入转型剂；

在步骤604，对出水电导率维持在第二阈值以上的时间进行计时；

在步骤605，当计时时间达到第三阈值时，判定转型完成，停止输入转型剂。

更具体来说，在步骤602中，当离子交换树脂处于正常转型阶段时，可以保持泵的开启，继续输入转型剂。在步骤603中，当离子交换树脂处于转型基本完成阶段时，可以保持泵的开启，继续输入转型剂。在步骤605中，当离子交换树脂处于转型完成阶段时，可以关闭泵，停止输入转型剂。

上述的监测流程和控制流程可以结合在图2所示的转型设备20中实施，也可以在其变化例或者其它设备中实施。

从另一角度看，本发明的实施例描述一种离子交换树脂的转型过程监测装置，包括如图2所示的电导率传感器22和控制器24。电导率传感器22检测转型中的离子交换树脂的出水电导率。控制器24比较出水电导率与第一阈值c1，当出水电导率低于第一阈值c1时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段；且比较出水电导率与第二阈值c2，当出水电导率达到第二阈值c2时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段。

控制器24还可在判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段之后，对出水电导率维持在第二阈值c2以上的时间进行计时；且当计时时间达到第三阈值t2时，判定转型完成。

从另一角度看，本发明的实施例描述一种离子交换树脂的转型控制装置，包括如图2所示的电导率传感器22、控制器24和泵26。电导率传感器22检测转型中的离子交换树脂的出水电导率。控制器24，比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段，令泵26继续输入转型剂；且比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段，令泵26停止输入转型剂。

从另一角度看，本发明的实施例描述一种离子交换树脂的转型控制装置，包括如图2所示的电导率传感器22、控制器24和泵26。电导率传感器22检测转型中的离子交换树脂的出水电导率。控制器24，比较出水电导率与第一阈值，当出水电导率低于第一阈值时，判断离子交换树脂处于正常转型阶段，令泵26继续输入转型剂；且比较出水电导率与第二阈值，当出水电导率达到第二阈值时，判断离子交换树脂处于转型基本完成阶段，令泵26继续输入转型剂。控制器24还对出水电导率维持在第二阈值以上的时间进行计时；且当计时时间达到第三阈值时，判定转型完成，令泵26停止输入转型剂。

上述实施例中描述的参数c1、c2、t1、t2可以根据实际应用情况设定。

下面举一个实际应用的例子。

取酸再生并用纯水淋洗好的离子交换树脂80ml加入离子交换柱，配置4％的naoh转型剂，自上而下通过装填树脂的离子交换柱，每20ml(85秒)取样检测电导率，数据如表1。

表1离子交换树脂转型出水电导率

数据表明，树脂转型第一阶段电导率处于低位，小于100μs/cm，当转型剂加入量达到120-140ml之间(时间510-595秒)时电导率迅速升高，从38μs/cm上升至17300μs/cm，说明转型剂使用量达到160ml时树脂转型基本完成。

相比之下，采用定量药剂法转型一般需要2.5倍树脂体积的4％naoh转型剂，按此试验80ml树脂体积计算，需使用转型剂200ml。显然，通过电导率判断控制转型终点可少用转型剂40ml，节省20％。

因此试验数据验证了可以利用树脂转型过程中的出水电导率的变化来判断转型的终点的方案。

相应地在本例中，可以设定第一阈值c1为电导率大约100μs/cm，在此范围内属于正常转型状态；设定第二阈值c2为大约2000μs/cm，当电导率在约1.5分钟(t1)内达到该值，说明树脂转型基本完成；设定第三阈值t2为大约2分钟，当稳定维持2分钟后确认转型完成。

本实施例中c1、c2、t1和t2可以根据运行数据积累而设定，用于观察转型过程是否稳定运行，如果超出范围可以采取相应措施，例如出现树脂层短路、沟流、乱层时会出现电导率异常上升的情况，此时可以发出报警信号，提醒操作者，或者直接停止设备运行。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。