QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG CHUYÊN ĐỀ QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG & BẢO HỘ LAO ĐỘNG

Quá Trình Công Nghệ Môi Trường CHUYÊN ĐỀ

Quá Trình Trao Đổi Ion GVHD: TS. Phạm Anh Đức Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Huỳnh Thảo Uyên Trần Quốc Việt Hồng Văn Từ

91002262 91202266 91202259

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 11 năm 2014

1

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION.............. 3 1.1 Định nghĩa .................................................................................................. 3 1.2. Cơ Sở Phương Pháp Trao đổi ion .......................................................... 4 1.3.Vật liệu trao đổi ion .................................................................................. 5 1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên ........................................................... 8 1.3.1.1.Sản phẩm hữu cơ tự nhiên ....................................................... 8 1.3.1.2 Sản phẩm vô cơ tự nhiên .......................................................... 8 1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi ion .......................................................... 9 1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo .......................................................... 9 1.3.3.1. Ion trao đổi hữu cơ nhân tạo .................................................. 9 1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo ...................................... 14 1.4. Nhựa trao đổi ion ................................................................................. 18 1.4.1 Về cấu tạo ......................................................................................... 19 1.4.2 Tính chất vật lý................................................................................ 20 1.4.3 Tính chất hoá học ............................................................................ 22 1.4.4 Phân loại .......................................................................................... 24 1.4.4.1 Trao đổi cation ........................................................................ 25 1.4.4.2 Trao đổi anion ......................................................................... 27 1.4.5. Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion ..................................... 30 CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION......................................................... 30 2.1 .Thứ tự trao đổi một số cation thông thường ....................................... 32 2.2 Cơ chế ....................................................................................................... 32 2.3 Cân bằng trao đổi ion ............................................................................. 36 2.4 Thiết kế cột trao đổi ion.......................................................................... 37 CHƯƠNG 3: TÁI SINH .................................................................................... 41 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG ................................................................................ 41 4.1 Làm mềm nước cứng .............................................................................. 45 4.2 Khử khoáng ............................................................................................. 49 4.3 Ứng dụng khác ........................................................................................ 53 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ................................................................................. 56 TÀI LIỆU THAM KHÃO ................................................................................. 57

2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION 1.1 Định nghĩa Trao đổi ion là một phản ứng hóa học thuận nghịch trong đó có ion (một nguyên tử hay phân tử đã bị mất hoặc được một electron và do đó có được một điện tích) từ dung dịch được trao đổi cho một ion tích điện tương tự như gắn liền với một hạt rắn bất động. Những hạt trao đổi ion vững chắc hoặc là tự nhiên zeolit vô cơ hoặc hữu cơ được sản xuất ra nhựa tổng hợp. Các loại nhựa tổng hợp hữu cơ là loại chủ yếu được sử dụng ngày hôm nay vì đặc tính của chúng có thể được thiết kế cho các ứng dụng cụ thểtrong đó không có sự thay đổi vĩnh viễn trong cấu trúc của chất rắn.Việc trao đổi phải có một cấu trúc mạng mở, hoặc hữu cơ hoặc vô cơ, có thể mang theo các ion và cho phép các ion đi qua nó.

Trao đổi ion được sử dụng trong điều trị và cũng cung cấp một phương pháp tách trong nhiều quá trình. Nó có ích đặc biệt trong tổng hợp hóa học, nghiên cứu y học, chế biến thực phẩm, khai khoáng, nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.

Trao đổi ion là một chất không tan trong nước có thể trao đổi một số ion của nó đối với các ion tích điện tương tự chứa trong một môi trường mà nó tiếp xúc; định nghĩa này là tất cả các bao quát. Đề cập đến một "chất" hơn là một hợp chất bao gồm nhiều trao đổi, một số trong số đó là sản phẩm tự nhiên mà không có một thành phần được xác định rõ. Thuật ngữ "trung bình" thừa nhận rằng trao đổi ion có thể xảy ra ở cả hai dung dịch dung dịch nước và nonaqueous, trong muối nóng chảy, hoặc thậm chí tiếp xúc với hơi. Định nghĩa này không giới hạn các chất rắn, vì một số dung môi hữu cơ là không thể trộn lộn với nước có thể tách các ion từ dung dịch nước bằng một cơ chế trao đổi ion . Định nghĩa cũng chỉ ra một cái gì đó về quá trình trao đổi ion. Về cơ bản nó bao gồm sự tiếp xúc giữa các trao đổi và môi trường, trong đó việc trao đổi diễn ra. Đây thường là một trao đổi ion rắn và một dung dịch nước. Thực tế là các ion được trao đổi có nghĩa là trao đổi phải được ion hóa, nhưng chỉ một trong số các ion trong trao đổi là hòa tan. Đó ion có thể trao đổi, trong khi người kia, là không hòa tan, có thể không làm như vậy.

Các tiện ích của trao đổi ion thuộc về khả năng sử dụng và tái sử dụng các vật liệu trao đổi ion. Ví dụ, trong làm mềm nước: 2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2na+ Trao đổi ion R ở dạng ion natri có thể trao đổi canxi và do đó, để loại bỏ canxi từ nước cứng và thay thế nó bằng một số lượng tương đương với natri. Sau đó, nhựa canxi có thể được điều chỉnh bằng dung dịch natri clorua, phục hồi nó trở lại mẫu natri, do đó, nó đã sẵn sàng cho một chu kỳ. Các phản ứng tái sinh có thể đảo ngược; trao đổi ion là không thay đổi vĩnh viễn. Hàng triệu lít nước có thể 3

được làm mềm trong một mét khối nhựa trong suốt một thời gian hoạt động trong nhiều năm.

Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước.

Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,…), các hợp chất của asen, photpho, xianua và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao.

Trao đổi ion xảy ra trong một loạt các chất và nó đã được sử dụng trên cơ sở công nghiệp từ khoảng năm 1910 với việc giới thiệu sử dụng làm mềm nước tự nhiên và sau đó tổng hợp zeolit. Than gỗ hoạt tính, được phát triển để xử lý nước công nghiệp, là nguyên liệu trao đổi ion đầu tiên đã ổn định ở mức pH thấp. Sự ra đời của nhựa trao đổi ion hữu cơ tổng hợp vào năm 1935 là kết quả của sự tổng hợp các sản phẩm ngưng tụ phenolic có chứa một trong hai nhóm sulfonic hoặc amin có thể được sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược của các cation hoặc anion.

• Ưu điểm: - Rất triệt để và xử lí có chọn lựa đối tượng - Nhựa ion có thời gian sử dụng lâu dài, tái sinh được nhiều lần với chi phí thấp, năng lượng tiêu tốn nhỏ.

- Phương pháp xử lý nước thân thiện với môi trường vì nó chỉ hấp thu các chất sẵn có trong nước.

• Hạn chế : - Nếu trong nước tồn tại các hợp chất hữu cơ hay ion Fe3+, chúng sẽ bám dính vào các hạt nhựa ion, làm giảm khả năng trao đổi ion của nhựa.

- Chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi xử lý cao • So sánh với hấp thụ: Trao đổi ion giống như hấp thụ bởi vì cả hai đều là hiện tượng bề mặt, và trong cả hai trường hợp rắn chiếm một chất hòa tan trong dung dịch. Sự khác biệt đặc trưng giữa hai hiện tượng này là hiện tượng cân bằng hóa học của trao đổi ion.

Mỗi ion loại bỏ khỏi các ion trong dung dịch được thay thế bởi một số lượng tương đương có trên hạt nhựa. Trong hấp thụ mặt khác một chất tan thường được đưa lên bề mặt mà không có hiện tượng được thay thế..

1.2. Cơ Sở Phương Pháp Trao đổi ion Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn .Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha 4

lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau .

• Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là: - Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành và tái sinh liên tục ; - Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và tái sinh gián đoạn.

Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến.

1.3.Vật liệu trao đổi ion: Vật liệu trao đổi ion là những chất không hòa tan có chứa các ion mà có thể được trao đổi với các ion khác trong dung dịch khi tiếp xúc với nó. Những trao đổi này diễn ra mà không có bất kỳ thay đổi vật lý của vật liệu trao đổi ion. Trao đổi ion giữa dung dịch acid hoặc base tạo muối không hòa tan, và điều này cho phép chúng trao đổi. Ngoài ra còn có các ion mang điện tích dương (trao đổi cation) hoặc những ion mang điện tích âm (trao đổi anion) trao đổi với các ion cùng dấu trong môi trường lỏng.

Hình 1: a và b là ví dụ đặc trưng cho trao đổi ion. Các phản ứng trên được xem xét Vật liệu trao đổi cation có chứa nhóm điện tích âm như sunfat, carboxylate, phosphate, benzoate, vv được cố định vào trục vật chất và cho phép thông qua các cation nhưng từ chối anion, trong khi vật liệu trao đổi anion có chứa 5

nhóm mang điện dương như nhóm amino, alkyl được thế phosphine , alkyl được thế sulfua , vv được cố định vào các trục vật liệu và cho phép thông qua các anion nhưng từ chối cation. Ngoài ra còn có trao đổi lưỡng tính có thể trao đổi cả cation và anion cùng một lúc. Tuy nhiên, việc trao đổi đồng thời của các cation và anion có thể được thực hiện hiệu quả hơn trên cột hỗn hợp có chứa một hỗn hợp của anion và nhựa trao đổi cation hoặc đi qua các dung dịch xử lý thông qua vật liệu trao đổi ion khác nhau. Có một cấp khác của bộ trao đổi ion được gọi là trao đổi ion chất tạo phức. Nhiều ion chấp nhận cặp electron từ các ligand thiết lập kết cộng hóa trị như liên kết. Tùy thuộc vào số liên kết điều phối, ligand được gọi là monodentate, bidentate, hoặc polydentate. Tương tác phối hợp là rất cụ thể. Một ví dụ về một hợp chất phối hợp là sự phối hợp của một ion kim loại với ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) .

Hình 2: Sự phối hợp của một ion kim loại với ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) Cấu trúc hữu cơ của các nhóm chức năng thường có chứa nitơ, oxy, và các nguyên tử lưu huỳnh, đó là những yếu tố của electron (Hình 3).

6

Hình 3: Các nhóm chức năng chứa oxy như cung cấp electron Nhiều chất tự nhiên như protein, cellulose, các tế bào sống và các hạt đất có đặc tính trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong các quá trình trong tự nhiên.

Vật liệu trao đổi ion tổng hợp dựa vào than đá và nhựa phenolic đầu tiên đã được giới thiệu để sử dụng trong công nghiệp 1930. Một vài năm sau bao gồm nhựa polystyrene với nhóm sulphonate để tạo trao đổi cation hoặc các nhóm amin để tạo thành bộ trao đổi anion được phát triển. Hai loại nhựa vẫn là nhựa thông dụng nhất hiện nay. Sự ra đời của nhựa trao đổi ion hữu cơ tổng hợp vào năm 1935 là kết quả của sự tổng hợp các sản phẩm ngưng tụ phenolic có chứa một trong hai nhóm sulfonic hoặc amin có thể được sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược của các cation hoặc anion.

Một loạt các nhóm chức năng đã được thêm vào sự ngưng tụ, bổ sung polyme được sử dụng như các cấu trúc xương sống. Độ xốp và kích thước hạt đã được kiểm soát bởi điều kiện trùng hợp và thống nhất công nghệ sản xuất kích thước hạt. Ổn định vật lý và hóa học đã được điều chỉnh và cải thiện Theo kết quả của những tiến bộ, những trao đổi vô cơ (khoáng sản, greensand và zeolit) đã được gần như hoàn toàn thay thế bằng các loại nhựa ngoại trừ một số ứng dụng phân tích và chuyên ngành. Tổng hợp Zeolit vẫn còn được sử dụng như sàng phân tử.

• Phân loại vật liệu trao đổi ion

7

Hình 4: phân loại vật liệu trao đổi ion Gồm có 3 loại chính : - Vật liệu trao đổi ion tự nhiên: vật liệu trao đổi ion hữu cơ tự nhiên, vật liệu trao đổi ion vô cơ tự nhiên.

- Vật liệu trao đổi ion biến đổi tự nhiên - Vật liệu trao đổi ion nhân tạo: vật liệu trao đổi ion hữu cơ nhân tạo, vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo 1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên 1.3.1.1.Sản phẩm hữu cơ tự nhiên Một số vật liệu hữu cơ tự nhiên có tính chất trao đổi ion hoặc có thể được trao cho nó bằng cách xử lý hóa học đơn giản. Tế bào thực vật và động vật hoạt động như trao đổi ion nhờ sự hiện diện của nhóm carboxyl protein lưỡng tính.

Những nhóm carboxyl, (-CO2H), và các nhóm phenolic, (-OH), là yếu tính axit và sẽ trao đổi các ion hydro của nó cho các cation khác trong điều kiện trung tính hoặc kiềm. Các humins và axit humic được tìm thấy trong tự nhiên đất "mùn" là những ví dụ của trao đổi lớp này; các sản phẩm thực vật một phần bị hư hỏng và bị oxy hóa chứa các nhóm axit. Một số sản phẩm hữu cơ được bán trên thị trường là dựa trên xử lý cellulose, hoặc ở dạng sợi để sử dụng trong cột trao đổi ion hoặc 8

giấy lọc cho sự phân ly trao đổi ion trên giấy. Nhiều trao đổi ion đã được làm từ vật liệu tự nhiên khác như gỗ, sợi, than bùn và than bằng quá trình oxy hóa với axit nitric hoặc tốt hơn nữa, với axít sulfuric đậm đặc khi nhóm axit mạnh sulphonic acid, (-SO3H) được đưa vào vật liệu. Quá trình thứ hai đặc biệt thành công hơn với than sulfonat hóa. Đây có thể trao đổi trong dung dịch axit, bởi vì nhóm trao đổi chính nó bị ion hóa dưới những điều kiện này, trong khi các nhóm carboxylic và phenolic yếu là không. Tất cả các tài liệu này có nhược điểm nhất định; Tuy nhiên, có xu hướng màu sắc thì đã có các giải pháp đó được xử lý, và thuộc tính của nó khó khăn để tái tạo vì khó khăn trong việc kiểm soát xử lý mà nó được đưa ra.

1.3.1.2 Sản phẩm vô cơ tự nhiên Nhiều hợp chất khoáng thiên nhiên, chẳng hạn như đất sét (ví dụ, bentonite, kaolinite, và illit), cát, và zeolit (ví dụ, analcite, chabazite, sodalite, và clinoptilolite) thuộc tính trao đổi ion triển lãm. Zeolit tự nhiên là những vật liệu đầu tiên được sử dụng trong quá trình trao đổi ion. Vật liệu đất sét thường được sử dụng làm vật liệu lấp hoặc đệm vật liệu cho các nơi xử lý chất thải phóng xạ vì tính chất trao đổi ion của nó, độ thẩm thấu thấp, và dễ tính khả thi. Đất sét cũng có thể được sử dụng trong hàng loạt quá trình trao đổi ion nhưng thường không phù hợp với hoạt động cột vì các tính chất vật lý của nó hạn chế dòng chảy thông qua cột.

1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi Ion Để cải thiện khả năng trao đổi và chọn lọc, một số trao đổi ion hữu cơ tự nhiên được thay đổi; ví dụ, cellulose dựa trên trao đổi cation có thể thay đổi thành phosphate, carbonic, hoặc các nhóm chức năng có tính axit khác.

Các thông số hấp thụ của vật liệu tự nhiên có thể được sửa đổi bởi một chất hóa học hoặc xử lý nhiệt; ví dụ, bằng cách xử lý clinoptilolite với một dung dịch loãng của axit hoặc một số muối, một hình thức có chọn lọc các chất hấp thụ có thể được phát triển thành một hạt nhân phóng xạ đặc biệt.

Tại Nhật Bản khoáng chất tự nhiên được xử lý bằng dung dịch kiềm trong điều kiện thủy nhiệt đã được đưa ra cho hấp thụ của cesium và strontium từ dung dịch.

Những phương pháp điều trị đã cung cấp tài liệu với hệ số phân phối 1000 đến 10000. Kết quả tốt hơn đã được báo cáo từ việc loại bỏ các cesium và strontium thay đổi bằng đất sét neoline với acid phosphoric 9

1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo 1.3.3.1. Ion trao đổi hữu cơ nhân tạo Năm 1935, hai nhà hóa học Adams và Holmes tại Phòng thí nghiệm hóa học quốc gia ở Teddington, chứng minh rằng nhiều loại nhựa trao đổi ion hữu cơ có thể được tổng hợp trong một cách tương tự như loại nhựa cũng được xác định "Bakelite", được chuẩn bị bởi Baekeland vào năm 1909. "Bakelite" là một khó khăn, không hòa tan nhựa polymer ngưng tụ và có thể được dễ dàng thực hiện bằng cách nung nóng cùng phenol và formaldehyde, trong sự hiện diện của axit hoặc base với việc loại bỏ nước. Về cơ bản các phản ứng xảy ra trong hai giai đoạn

Hình 5: Cơ chế hình thành của Bakelite Việc lặp lại các phản ứng thấm nước sẽ tạo ra một cấu trúc ba chiều có chứa -OH phenol axit yếu hoặc OR nhóm (hình 6).

10

Hình 6: polymer Cross-liên kết của phenol và formaldehyde.

Adams và Holmes đã chỉ ra rằng những trao đổi ion hydro trong dung dịch kiềm; họ cũng chuẩn bị trao đổi cation làm việc trong dung dịch axit bằng cách đưa các nhóm axit sulphonic axit mạnh, -SO3H, vào cấu trúc. Điều này đã được thực hiện bằng cách sulphonation sản phẩm cuối cùng hoặc bằng cách sử dụng như nguyên liệu đầu không phải là một phenol mà là một axit phenolsulphonic, trong đó nhóm axit sulphonic đã hiện diện.

Bằng một sự sửa đổi phù hợp tổng hợp của họ, họ cũng đã có thể giới thiệu các nhóm cơ bản xuất phát từ amin và để chuẩn bị trao đổi anion tổng hợp. Lần đầu tiên người ta có thể tạo vật liệu có thề kiểm soát cả hai nhựa trao đổi cation và anion , hành vi và sự ổn định trong số đó là đáng kể trước các vật liệu khác.

Cho đến khi sự phát triển của kỹ thuật hiện đại của hóa học polymer cao, nhựa ngưng tụ đã được sử dụng thành công. Năm 1944 d'Alelio, tại Hoa Kỳ, sản xuất vật liệu cao cấp. Nhựa D'Alelio, cũng như hầu hết các con cháu của họ, dựa trên một mạng lưới ba chiều thường xuyên hình thành bởi trùng hợp benzen styrene phái sinh (xem hình 7).

Hình 7: Styrene

11

Các liên kết đôi trong chuỗi bên có thể được mở và các đơn vị liên kết styrene từ đầu đến cuối để cung cấp cho các chuỗi polymer (Hình 8).

Hình 8: Polystyrene Ở đây, các đơn vị lặp đi lặp lại dựa trên các phân tử styrene xảy ra hàng triệu lần.

Styrene cũng có thể được coi là một dẫn xuất của ethylene, trong đó một nguyên tử hydro đã được thay thế bởi một nhóm phenyl, -C6H6. Cũng như ethylene có thể được polymer hóa để thành polyethylene (polythene), styrene sẵn sàng polymer hoá để thành polystyrene. Các chuỗi có thể được liên kết với nhau thành những cấu trúc hai và ba chiều nếu styrene được trộn với một tỷ lệ nhỏ divinyl benzen (hình 9) mà giống như styrene trong thuộc tính của nó có hai chuỗi bên không bão hòa thông qua đó nó có thể polymer hóa.

Hình 9: Divinyl benzene các polymer hình thành từ một hỗn hợp của styrene và divinyl benzen bao gồm chuỗi như đã đề cập trước đây, liên quan đến một chuỗi mọi lúc mọi nơi các đơn vị là một phân tử divinyl benzen thay vì styrene (Hình 10).

12

Hình 10: polymer của divinyl benzen Ở các khu vực được bao bọc bởi các đường dây bị hỏng chuỗi liên kết với nhau, và nếu chúng ta tưởng tượng xảy ra trong ba chiều nó rất dễ dàng để thấy rằng polymer kết quả sẽ tạo thành một mạng lưới khá thường xuyên (Hình 10). Các liên kết giữa các chuỗi được gọi là "liên kết chéo", và nhựa thông thường được đặc trưng bởi tỷ lệ divinylbenzene (DVB) được sử dụng trong chuẩn bị của nó; do đó, 2 phần trăm nhựa liên kết ngang chứa 2 phần trăm của DVB và 98 phần trăm của styrene.

D'Alelio chuẩn bị nhựa như vậy bằng cách trùng hợp nhũ tương, sử dụng chất nhũ hoá phù hợp, từ đó lắng như hạt nhựa hình cầu. Các polymer tự nó không làm việc như trao đổi ion, mà nó có thể được sunfonat hoá chỉ như thể các loại nhựa ngưng tụ, giới thiệu các nhóm axit mạnh, như –SO3H, vào vòng benzen của polymer. Các ion hydro của nhóm này sẽ trao đổi với các cation khác trong dung dịch.

Luôn nhớ rằng một vòng benzen được lặp đi lặp lại nhiều lần trong suốt polymer, những bước cơ bản trong giới thiệu của các nhóm trao đổi (hoặc nhóm "chức năng" như họ thường được gọi là) được thể hiện trong trao đổi hình cation (a) và trao đổi anion (b ) (Hình 11).

13

Hình 11: (a) trao đổi cation; (b) trao đổi anion Thứ hai của những phản ứng này cho một muối amoni bậc bốn, được ion hóa mạnh mẽ, và được dễ dàng chuyển đổi để các cơ sở tương ứng. Các anion sẵn sàng trao đổi với các anion khác ở tất cả các giá trị pH. Các cation là một phần của một chuỗi polymer hòa tan hoặc mạng lưới, do đó trao đổi nói chung không hòa tan trong nước.

Các trao đổi ion tổng hợp như nhựa polystyrene nêu trên, tạo thành nền tảng của hầu hết các loại nhựa hiện nay với mục đích thương mại, có nhiều lợi thế hơn trao đổi hữu cơ tự nhiên trước đó: - Phương pháp tổng hợp được hơn kiểm soát, và sản phẩm cuối cùng là thống nhất hơn trong kích thước hạt, mức độ liên kết ngang, và nội dung của các nhóm chức năng; - Bằng cách biến đổi các yếu tố thích hợp một loạt nhiều loại sản phẩm khác nhau có thể được chuẩn bị; - Các sản phẩm có hình cầu, không giống như các hạt không đều hình thành khi khối rắn nhựa ngưng tụ được nghiền và sàng lọc. Điều này giảm thiểu chất thải; Ngoài ra, hạt hình cầu đóng gói thống nhất hơn vào cột hơn so với các hạt hình dạng bất thường. Điều này ảnh hưởng đến các kiểu dòng chảy của các các giải pháp thông qua các cột và làm cho nó dễ dàng hơn để kiểm soát hành vi của mình; - Sự ổn định vật lý và hóa học của các loại nhựa được cấp trên như của loại nhựa ngưng tụ.

14

1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo: Một vài ứng dụng quan trọng của những trao đổi ion vô cơ là: - Ly thân các ion kim loại - Ly các hợp chất hữu - Loại bỏ các chất thải và ô nhiễm không khí - Chuẩn bị các điện cực chọn lọc ion - Chuẩn bị thận nhân tạo máy - Chuẩn bị các tế bào nhiên liệu Tầm quan trọng của phân tích trao đổi ion vô cơ tổng hợp hiện nay được thiết lặp chặt chẽ. Việc xem xét các trao đổi ion trong hóa phân tích cho năm 1970 bao gồm báo cáo kết quả quan trọng; những tiến bộ rõ ràng trong hai năm qua là trong lĩnh vực trao đổi ion vô cơ. Thậm chí ngày nay tuyên bố này là gần đúng như vậy.

Trao đổi ion tổng hợp có thể được phân loại trong các loại sau: - zeolit nhân tạo - muối axit Polybasic - oxit ngậm nước - Kim loại ferrocynides - Vật liệu trao đổi ion hòa tan - Hetropolyacids • Zeolit nhân tạo Zeolit là các vật liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng cho việc loại bỏ các chất nước thải với quy mô lớn. Zeolit là tinh thể alumin silicat vật liệu và có thể được chuẩn bị như vi tinh thể dạng bột, viên hoặc các hạt. Ưu điểm chính của zeolit tổng hợp khi so sánh với zeolit tự nhiên được điều đó, nó có thể được thiết kế rộng Mu . Naushad: Ion Exchange Letters 2 (2009) ngày 01 ngày 14 tháng 3 nhiều tính chất hóa học và kích thước lỗ rỗng, và nó được ổn định ở nhiệt độ cao nhưng có một số hạn chế.

15

Những hạn chế chính của zeolit nhân tạo là: - Chi phí tương đối cao so với zeolit tự nhiên - Ổn định hóa học giới hạn ở phạm vi pH cực đoan (cao hoặc thấp) - Ion đặc trưng là dễ bị can thiệp từ các ion kích thước tương tự Công suất xử lý thực tế thu được với các zeolit là thấp hơn so với công suất tối đa của nó kể từ khi cột được thay đổi trong giai đoạn đầu của mang tính đột phá và bởi vì các dòng thải thường chứa các ion khác sẽ chiếm một số vị trí trao đổi và do đó làm giảm khả năng xử lý. Trao đổi ion dựa trên silica tổng hợp được sản xuất cho mục đích kỹ thuật bằng cách nung chảy soda, kali cacbonat, fenspat và kaolinit (Schmaltz permutite) và sau đó dùng dung dịch sunfat nhôm có chứa natri silicat kết tủa với dung dịch natri hydroxit (Gel permutite). Kể từ đó, zeolit tinh thể nhân tạo cũng đã được tổng hợp thành công.

Các đặc tính có lợi của bộ trao đổi ion tinh thể silicat dựa trên trao đổi ion nhựa tổng hợp hiện đại như sau: - Ít nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn - Cấu trúc Cứng và đồng đều - Có chọn lọc hơn và phù hợp để tách các ion trên cơ sở của họ kích cỡ khác nhau Một số trong số đó bây giờ cũng được sử dụng như sàng phân tử hoặc ion. Tại Ấn Độ, một cuộc điều tra có hệ thống đã được thực hiện để đánh giá hiệu suất của zeolit tổng hợp có sẵn tại địa phương cho việc loại bỏ các cesium, strontium và thorium từ giải pháp. Các zeolit sau khi trao đổi với cesium, strontium hoặc thorium,đã được xử lý nhiệt để sửa chữa các ion thành công trong cùng một ma trận.

• Muối axit polybasic Muối axit của kim loại đa hóa trị được hình thành bằng cách trộn oxit axit kim loại thuộc IV, V và VI nhóm của bảng tuần hoàn. Muối axit của kim loại hóa trị bốn được nhóm của lớp này nghiên cứu nhiều nhất. họ là cực kỳ không hòa tan.

Thành phần của chúng là không stochiometric và phụ thuộc vào các điều kiện theo đó họ được kết tủa. Các tài liệu đã được tổng hợp cho đến nay bao gồm phốt phát, asenat, molybdat, tungstat, antimonates, silicat, vanadate, và tellurates của zirconium, titan, thori, thiếc, xeri, crom, sắt, niobi, tantali, vv..

16

• Oxit ngậm nước Các oxit ngậm nước của một số ion kim loại cũng đã được các vật liệu được thiết lập cho mục đích trao đổi ion. Oxit kim loại hóa trị ba kết tủa rất hiệu quả trong lĩnh vực này, ví dụ như oxit sắt ngậm nước và sắt hydroxit dễ dàng hấp thụ các cation kiềm thổ theo luật tác dụng khối lượng, các cation hóa trị hai khác được hấp thụ trên pH 7. Trong quá trình này, các kim loại kiềm và đất kiềm được hấp phụ trên bề mặt và được dễ dàng tách rửa trong khi các cation tích điện cao hơn Ce (III), Y (III), Pm (III), Ru (IV) số lượng lớn và chỉ tách rửa với khi khó khăn . Các trao đổi ion của lớp này cho thấy một hành vi lưỡng tính phụ thuộc vào pH của dung dịch. Quá trình này có thể được mô tả bởi các điểm cân bằng sau đây.

Oxit kẽm cũng cho thấy tính chất trao đổi lưỡng tính. Oxit pha trộn có thể sẵn sàng trong đó cation thứ hai cao hơn so với các cation mẹ được đưa vào cấu trúc.

Kết quả là lưới điện tích dương được cân bằng hiện diện của các anion khác hơn là oxit và hydroxit. Ví dụ như vật liệu bao gồm Zn(OH)2 trong đó Zn2+ là một phần thay thế bằng Al3+ và Al(OH)3 có chứa Si4+, Ti+ hoặc Zr2+. Các công thức chung Znn-a AL(OH)2Xn và ALn-1 Mn(OH)3 Xn-1, nơi M4+ là một oxit tetravalent và X là một anion đơn trị. Oxit kim loại hóa trị bốn cũng thường được sử dụng như trao đổi ion vô cơ như SnO2, SiO2, ThO2 và ZrO2. Trên thực tế các tài liệu này không có công thức oxit đơn giản như nêu trên trừ khi chúng được đốt cháy ở nhiệt độ cao. Chúng được phát hiện có chứa lượng nước khác nhau, mà không phải là có mặt như là nước hydrat hóa từ về sưởi ấm, nó bị mất liên tục trên một phạm vi nhiệt độ. Do đó các ôxit này thường được mô tả như oxit ngậm nước.

• Kiêm loaị Ferrocyanides Ferrocyanides kim loại không hòa tan cũng có thể được sử dụng như trao đổi ion vô cơ. Họ cũng được biết đến như người nhặt rác cho kim loại kiềm. Nó có thể dễ dàng sẵn sàng và hữu ích trong việc tách các chất thải phóng xạ và các vật liệu phân rã hạt nhân với ít thiệt hại cho bức xạ hơn các bộ phận hữu cơ của họ truy cập. Baetsley et al. Nghiên cứu molybdate ferrocyanide và xác định cấu trúc của nó bởi các nghiên cứu X-ray. Nó cũng sử dụng molypden và vonfram ferrocyanides cho việc tách Cs-137 và Sr-90 từ các sản phẩm phân hạch trong môi trường axit. Amine kim loại dựa ferrocyanides cũng đã nhận được sự chú ý. Họ lần đầu tiên được giới thiệu bởi Hahn và Clein, người chuẩn bị một ferrocyanide coban amin. ferrichydroxit cũng đã nhanh chóng phát triển các ứng dụng trong

17

việc tách các ion kim loại và nó đã được sử dụng như một vật liệu hấp phụ để loại bỏ asen từ nước tự nhiên.

• Vật liệu không hòa tan ion trao đổi Vật liệu trao đổi ion không hòa tan khác nhau. Một số lượng lớn các hợp chất như vậy đã được xây dựng. Những vật liệu này đã được xây dựng bằng cách kết tủa từ dung dịch muối kim loại với Na2S hoặc H2S. Các tính chất trao đổi ion của sulfua không hòa tan (ví dụ Ag2S, SNS, cus, PBS, FeS, NiS, As2S3, Sb2S3) đã được nghiên cứu. Sulfua được chọn lọc đối với các cation tạo thành sulfua không hòa tan. Các phản ứng trao đổi xảy ra thông qua phản ứng metathetical trong đó kim loại của sunfua được thay thế bởi ion thích hợp từ dung dịch. Hấp thụ lượng của TI +, Ni2+, Co2+, Mn2+, Cu2+ và Pb2 đã được ghi nhận về ZnS, CdS và PBS, Uranium trên PBS, tách Cu2+ từ Zn2+ và Cd2+ về SnS và kim loại quý về CuS. • Acid Teropoy Muối heteropolyaxit có thể được sử dụng như trao đổi ion vô cơ. Nhóm này rao đổi có nguồn gốc từ 12 heteropolyacids của HnXY12O40.nH2O công thức chung trong đó X có thể P, As, Si, B hoặc Ce và Y có thể là một cá yếu tố như Mo, W hoặc V. Các hợp chất heteropoly đặc biệt là các hợp chất 12-molybdo là tác nhân oxy hóa khá mạnh. Các trao đổi của loại này là ổn định trong axit vừa phải tập trung. Tuy nhiên, họ hòa tan trong dung dịch kiềm. Các heteropolyacids thể hiện ái lực cao với kim loại nặng kiềm, thori và bạc. Kích thước của các ion univalent của những yếu tố này là phù hợp để duy trì với nó trong mạng tinh thể của heteropolyacids. Ngoài các muối heteropolyaxit, nhiều chất khác như muối hỗn hợp cũng đã được tổng hợp và nghiên cứu chi tiết cho các thuộc tính trao đổi ion. Nó đã được tìm thấy rằng muối kép hoặc muối hỗn hợp của các ion kim loại có tính chất trao đổi ion khác với muối đơn giản. Thông thường, thấy ưu thế hơn muối đơn giản chủ yếu ở ba khía cạnh: nhiệt tốt hơn và ổn định về mặt hóa học, thứ hai được chọn lọc trong tự nhiên và khả năng trao đổi ion là cao hơn so với muối đơn giản của nó. Đó là với quan điểm này, sự chú ý đã được đưa ra để tổng hợp và nghiên cứu các tính chất trao đổi ion của các lớp trao đổi ion. Để mô tả một chất mới như là một trao đổi ion vô cơ, tiện ích của nó trong các lĩnh vực khác nhau và giới hạn của nó, các thuộc tính sau đây có thể được nghiên cứu theo thứ tự nhất định ưu tiên.

- Khả năng trao đổi Ion - Hóa chất và ổn định nhiệt 18

- Thành phần - Chuẩn độ pH - Các nghiên cứu cấu - Chọn lọc - Ứng dụng phân tích Bên cạnh các ứng dụng, ion vô cơ trao đổi có một số hạn chế: - Khả năng trao đổi tương đối thấp - Độ bền cơ học tương đối thấp - Kích thước lỗ rỗng không thể kiểm soát được - Clay khoáng sản có xu hướng peptize (nghĩa là chuyển đổi mẫu keo) - Zeolit rất khó để kích thước cơ học - Phân hủy một phần trong axit hoặc kiềm - Hạn chế hóa chất ổn định trong nhiều các giải pháp - Cần một chất hóa học hoặc xử lý sơ bộ trước (đặc biệt là những có hàm lượng muối rất thấp) 1.4. Nhựa trao đổi ion Là các polyme có khả năng trao đổi ion đặc biệt bên trong polymer với các ion trong dung dịch được truyền qua chúng. Khả năng này cũng được nhìn thấy trong các hệ thống tự nhiên khác nhau như đất và các tế bào sống nhau.Là một loại polymer có khả năng trao đổi những ion cụ thể của nó với các ion khác hiện diện trong dung dịch chảy qua cột phản ứng. Vật liệu trao đổi ion tổng hợp được sử dụng phổ biến là nhựa polystyrene với nhóm sulphonate có khả năng trao đổi ion dương và nhóm amine trao đổi ion âm. Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu để tinh sạch nước, ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác bao gồm việc phân tách các yếu tố lẫn trong dung dịch.

19

Hình 12: Hạt nhựa ion 1.4.1 Về cấu tạo: Hạt nhựa này có cấu trúc dị thể gồm hai pha: vùng đồng chứa mạng polymer và nước (hình cầu nhỏ) và vùng không gian chứa nước giữa các hạt cầu nhỏ. Các ion khuếch tán trong nhựa dạng xốp lớn trước hết trong khoảng không gian giữa các hạt cầu nhỏ và vì vậy trở lực tổng thể của chúng nhỏ hơn nhiều so với khuếch tán trong dạng gel.

Mật độ nhóm chức trong một đơn vị thể tích của loại mô quan lớn thấp hơn so với dạng gel và vì vậy lượng hóa chất dùng tái sinh cũng lớn hơn.

Một cấu trúc khác thông dụng của vật liệu trao đổi ion là màng trao đổi ion. Với các chất kết dính thích hợp người ta chế tạo ra các cấu hình khác nhau: dạng phẳng, dạng cuốn. Chúng được ứng dụng trong việc tách các ion, tách các phân tử trung hòa, ứng dụng trong kĩ thuật điện thẩm tách làm nước ngọt.

Mạng polyme có tính kị nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng lại có tính ưa nước. Nhựa trao đổi ion không tan nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan hầu hết trong các dung môi. Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và trương nở khi ngậm dung môi, nó có độ xốp khá lớn. Lỗ của nó có kích thước không đều 20

như zeolit. Tuy vậy người ta vẫn coi nó có cấu trúc đồng nhất theo thể tích xốp. Độ bền hóa học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa phụ thuộc vào cấu trúc và mức độ liên kết ngang của mạng cũng như vào bản chất và mật độ của các nhóm chức. Mức độ liên kết ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độ trương nở và khả năng trao đổi ion và độ dẫn điện của nhựa. Nhựa có liên kết ngang cao độ bền cơ học, cứng và ít bị mài mòn.

Trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần: Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính ). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử. Dùng phương pháp tổng hợp hoá học ,người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựa trao đổi ion (resin) .Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styren vàdivinylbenzen(DVB). Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những cầu nối giữa các polime có tính không hoà tan và giai bền. Cầu nối trong Resin là cầu nối 3 chiều. Trong Resin có cấu trúc rỗng .

1.4.2 Tính chất vật lý: Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn, dạng xốp đều, dạng bột mịn và dạng từ tính. Nhựa dạng gel là loại được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố đồng đều trong cả dạng polymer. Nhựa bị trương nở trong điều kiện nhất định và chính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polymer.

Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút. Hạt nhựa dùng trong xử lý nước thông thường có bề ngoài là các hạt nhựa styrene dạng gel, màu vàng trong suốt; hạt nhựa macroprous không trong suốt (hoặc hơi trong); nhựa macroprous cation styrene màu vàng nhạt hoặc nâu xám nhạt, hạt nhựa macroprous anion styrene có màu trắng; nhựa acrylic màu trắng hoặc trắng sữa. Nhựa macroprous styrene khi hình thái ion khác nhau sẽ xảy ra hiện tượng biến đổi màu sắc, ví dụ hạt nhựa 001x7 từ trạng thái tái sinh sang trạng thái hết tác dụng sẽ biến đổi từ màu đậm sang màu nhạt, từ trạng thái hết tác dụng sang trạng thái tái sinh thì màu sắc lại biến đổi từ nhạt sang đậm, quá trình như vậy có thể chuyển ngược được.

Khi hạt nhựa trao đổi ion ( hạt nhựa làm mềm nước ) bị bẩn, màu sắc của nó bị thay đổi, mức độ thay đổi tỷ lệ thuận với độ bẩn của hạt nhựa, và trường hợp này thường khó chuyển ngược được.Vì thế, trong quá trình sử dụng, phải chú ý đến sự thay đổi màu sắc của hạt, để xác định độ bẩn của nó.Ví dụ hạt nhựa 201x7 khi gặp sắt hoặc nhiễm bẩn từ vật chất hữu cơ, màu sẽ trở nên đậm thậm chí thành nâu đen. Nhựa 001x7 nếu hỏng do oxy thì liên kết và trao đổi nhóm sẽ bị oxy hóa, màu chuyển nhạt, thể tích lớn hơn, vì thế dễ vỡ và giảm dung lượng trao đổi.

21

Tính bền và hóa học của nhựa cũng chỉ có giới hạn. Nguyên nhân gây hỏng nhựa thông thường là yếu tố hóa học và nhiệt như oxy hóa mạnh, phá hủy các nhóm chức do thủy phân nhiệt. Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các loại dung môi thông dụng trừ trường hợp trong các dung dịch có tính oxy hóa khử cao, thường chịu được tới 100. Riêng anionit mạnh bắt đầu phân hủy ở 6000C Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ) Nhìn chung, quá trình khuếch tán của các ion bị ngăn trở bởi mạng polyme, độ liên kết ngang càng lớn thì lực khuếch tán càng cao. Mặt khác khi độ liên kết ngang thấp thì độ bền cơ và hóa thấp. Để khắc phục hai yếu tố ngược chiều nêu trên người ta chế tạo loại nhựa có cấu trúc mao quản lớn (dạng xốp lớn). Bằng phương pháp chế tạo thích hợp, polymer hóa với sự góp mặt của dung môi, chuỗi polymer hình thành kết tủa thành các hình cầu nhỏ, các hình cầu nhỏ kết tụ lại với nhau thành hạt nhựa có kích thước lớn giống quá trình chế tạo silicagel.

Hình thái: những loại nhựa được sản xuất hình cầu, căng và dạng tự do để chống suy thoái vật lý.

Nhiệt độ: Chúng là ổn định ở nhiệt độ cao như 300 ° F và được áp dụng trên một khoảng pH rộng. các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định , vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được .

Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50o C. Các giới hạn của sự ổn định nhiệt bị phụ thuộc bởi cường độ mạnh của liên kết cacbon-nitơ của nhựa anion. Đây là cường độ mạnh nhạy cảm với độ pH và độ pH thấp giúp tăng cường sự ổn định. Một hạn chế là nhiệt độ 60 ° C (140 ° F) được khuyên dùng cho các hoạt động chu kỳ hydroxit. Nhựa Cation ổn định cũng phụ thuộc vào độ pH; sự ổn định để thủy phân các liên kết cacbon-lưu huỳnh giảm dần theo sự giảm pH. Chúng là ổn định hơn nhiều tuy nhiên so với anion và có thể hoạt động lên đến 150 ° C (300 ° F).

Kích thước: Các loại nhựa được chế biến như hạt hình cầu 0,5-1,0 mm đường kính. Trong trạng thái phông nước, những loại nhựa trao đổi ion thường xuất hiện một lực hấp dẫn cụ thể của 1,1-1,5 Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) , hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt).

Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion.

1.4.3 Tính chất hoá học: Độ trương nở : phụ thuộc vào mức độ liên kết ngang và độ liên kết ngang này không đều trong toàn bộ mạng, hạt nhựa càng lớn sự phân bố càng ít đồng đều. Do sự phân bố không đều, độ trương nở của từng vùng khác nhau dẫn đến những hạn chế trong khi sử dụng và tái sinh.

22

Sức chứa: Khả năng trao đổi ion có thể được thể hiện bằng một số cách.

Tổng công suất, tức là tổng số các trạng thái có sẵn để trao đổi, thường được xác định sau khi chuyển đổi nhựa bằng kỹ thuật tái tạo hóa học mẫu ion nhất định. Các ion sau đó thoát ra khỏi một số lượng đo được của nhựa và định lượng trong phương pháp phân tích thông thường. Tổng công suất được thể hiện trên một trọng lượng khô, trọng lượng hoặc khối lượng ướt cơ sở. Sự hấp thụ nước của một loại nhựa và do đó trọng lượng và khối lượng ướt sức chứa của nó phụ thuộc một bản chất của polymer trụ cột cũng như một môi trường trong đó các mẫu được đặt.

Công suất hoạt động là thước đo hiệu quả hoạt động hữu ích thu được với các vật liệu trao đổi ion khi nó đang hoạt động trong một cột trong một tập hợp các điều kiện quy định. Nó phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm cả vốn (tổng cộng) năng lực của nhựa, mức độ tái sinh, các thành phần của giải pháp xử lý, tốc độ dòng chảy qua cột, nhiệt độ, kích thước và phân phối hạt. Một ví dụ được thể hiện trong hình 3 đối với trường hợp làm mềm nước với một loại nhựa sulfonic tiêu chuẩn ở nhiều cấp độ regenerant.

Sự trương : Nước trương trao đổi ion chủ yếu là một hydrat hóa của các nhóm ion và tăng cố định với sự gia tăng khả năng giới hạn sắp xếp bởi các mạng polymer. Khối lượng nhựa thay đổi với chuyển đổi sang dạng ion mức độ hydrat hóa khác nhau; do đó, đối với một quá trình trao đổi cation, có sự thay đổi khối lượng với các loại ion đơn trị, Li+ > Na+ > K+ > Cs+ > Ag+. Với các ion đa năng, độ ẩm giảm bởi hoạt động liên kết ; do đó, Na+ > Ca2+ > Al3+. Trong các giải pháp tập trung hơn, nước được lấy lên do áp suất thẩm thấu lớn hơn.

Chọn lọc: của một loại nhựa cho một ion nhất định được đo bằng hệ số chọn lọc. K. Mà ở dạng đơn giản nhất cho phản ứng.

R-A+ + B+ ↔ R--B+ + A+ được biểu diễn bằng: K = (nồng độ B+ trong nhựa / nồng độ của A+ trong nhựa) X (nồng độ của A+ trong dung dịch / nồng độ B+ trong dung dịch).

Hệ số chọn lọc thể hiện sự phân bố tương đối của các ion khi một loại nhựa trong A+ mẫu được đặt trong một dung dịch chứa các ion B+. Sự chọn lọc của axit mạnh và nhựa trao đổi ion bazơ vững mạnh cho các hợp chất ion khác nhau. Cần lưu ý ra rằng hệ số chọn lọc không là hằng số mà thay đổi với những thay đổi trong điều kiện dung dịch. Nó cung cấp một phương tiện để xác định gì sẽ xảy ra khi các ion khác nhau có liên quan. Nhựa axit mạnh có một ưu tiên cho niken trên hydro. Mặc dù lựa chọn này, nhựa có thể được chuyển đổi sang dạng hydro bằng cách tiếp xúc với một dung dịch đậm đặc của axit sulfuric (H2SO4): (R-SO4)2Ni + H2SO4 -> 2(R-SO3H) + NiSO4 23

Phản ứng trao đổi ion có thể đảo ngược. Bằng cách liên hệ với một loại nhựa dư thừa (B+ trong phản ứng sau), nhựa có thể được chuyển đổi hoàn toàn sang dạng muối mong muốn: RA+ + B ↔ RB+ + A+ Tuy nhiên, với một số lượng hạn chế của ion B+ trong hàng loạt liên lạc, một trạng thái cân bằng tái sản xuất được thành lập mà phụ thuộc một tỷ lệ A+ và B+ và chọn lọc của nhựa. Hệ số chọn lọc, KBA, cho phản ứng này được cho bởi: KB = MB • mA Trong đó mA và mB tham khảo với nồng độ ion trong dung dịch và giai đoạn nhựa tương ứng. Hệ số chọn lọc nhựa đã được xác định cho một loạt các loài ion và liên quan H+ cho các cation và anion OH cho, được gán các giá trị chọn lọc của 1.00. Ổn định: tác nhân oxy hóa mạnh, chẳng hạn như nitric hoặc axit cromic, nhanh chóng làm suy giảm nhựa trao đổi ion. Suy thoái chậm hơn với oxy và clo có thể gây nên xúc tác. Vì lý do này, các ion kim loại cố định, ví dụ như, sắt, mangan, đồng, được giảm thiểu trong giải pháp oxy hóa. Với trao đổi cation, tấn công chủ yếu là một polymer chủ yếu. Sự tiếp xúc mạnh liên kết nhựa cation có một quá trình mở rộng hữu ích vì số lượng lớn các bề mặt phải được tấn công trước khi trương giảm khối lượng hữu ích dựa trên sức chứa và tính chất vật lý không thể chấp nhận, ví dụ, Sự nén giảm mạnh và áp lực tăng. Với trao đổi anion, đầu tiên tấn công xảy ra vào các nhóm chức năng nhạy cảm hơn, dẫn đến mất tổng sức chứa và / hoặc chuyển đổi mạnh mẽ các cơ sở so với sức chứa cơ sở yếu kém.

Tính chất trao đổi: của nhựa trao đổi ion được quyết định bởi các nhóm đặc trưng trong sườn (khung) cao phân tử của nhựa và các ion linh động. Các nhóm này mang điện tích âm hoặc dương tạo cho nhựa có tính kiềm hoặc acid. Các nhóm đặc trưng trong ionit nối với các ion linh động có dấu ngược lại bằng liên kết ion. Các ion linh động này có khả năng trao đổi với các ion khác trong dung dịch.

Rất nhiều nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất, chúng không chỉ khác nhau về bản chất hóa học và mật độ nhóm chức mà còn khác nhau về thành phần hóa học và độ liên kết ngang của mạch polymer nhằm tương thích với điều kiện sử dụng.

Dung lượng trao đổi: dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion. Có 2 phuơng pháp biểu thị dung lượng trao đổi .Theo thể tích đlg/m3; theo khối lượng mgđl/g.

24

Tổng dung lượng trao đổi : chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi .Dung lượng trao đổi cân bằng : biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch nào đó đã định ,nên không phải là hằng số. Dung lượng trao đổi làm việc : Dung lượng trao đổi được xác định dưới điều kiện vận hành thực tế.

Tính acid, kiềm : tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH,giống chất điện giải acid, kiềm.

Tính trung hoà và thuỷ phân : tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường.Tính chọn lựa của chất trao đổi ion Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch, nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng.

1.4.4 Phân loại Nhựa trao đổi ion được phân loại là trao đổi cation, trong đó có các ion mang điện tích dương di động có sẵn để trao đổi, và trao đổi anion, có trao đổi các ion mang điện tích âm. Cả hai nhựa anion và cation được sản xuất từ các polyme hữu cơ cơ bản giống nhau. Chúng khác nhau ở nhóm ion hoá gắn liền với mạng hydrocarbon. Nhóm chức năng này dùng để xác định hoạt động hóa học của nhựa.

Nhựa có thể được phân loại như trao đổi cation axit mạnh hay yếu hoặc trao đổi anion bazơ mạnh hay yếu.

Nhựa anion và cation có thể thu được trong các hình thức vật lý khác nhau. Chúng có thể thu được với các ion khác nhau ở các vị trí trao đổi. Điều này có tầm quan trọng trong các ứng dụng như cột nhựa hỗn hợp nơi có tỷ lệ rò rỉ tối thiểu được yêu cầu và thậm chí từ một cột mới được thiết lập. Kích thước hạt cũng có thể được chỉ định. Hạt có kích thước thống nhất (UPS) nhựa đang có sẵn nơi mà tất cả hạt phù hợp với một phạm vi kích thước hạt rất gần. Đối với các mục đích thực tế, tất cả các hạt có cùng kích thước. Cột nhựa UPS có một số đặc điểm hoạt động độc đáo trong đó cung cấp nhiều lợi thế khi chúng được sử dụng trên cột nhựa hỗn hợp, lớp nhựa trong cột, cột nhựa trao đổi và các ứng dụng khác.

Nhựa macroporous là nhựa có độ xốp cao mà cho chúng có lợi thế khi được sử dụng trong quá trình có tiềm năng tắc nghẽn cao.

1.4.4.1 Trao đổi cation: Vật liệu trao đổi cation được phân loại là axit yếu hoặc axit mạnh tùy thuộc vào loại của nhóm trao đổi. Cation trao đổi axit mạnh chứa – SO3- chức năng, yếu trao đổi cation axit chứa –COO- nhóm chức năng. Hiện đã có cải tiến liên tục trong vật liệu trao đổi ion từ năm đầu tiên sử dụng sản phẩm vô cơ tự nhiên và tổng hợp. Than gỗ hoạt tính, nhựa styrene-base, nhựa phenolic và acrylic 25

nhựa là một số đã được phát triển. Năng lực giá đã được tăng lên rất nhiều với sự phát triển của bộ trao đổi styrene-base. Những loại nhựa được sản xuất hình cầu, căng và dạng tự do để chống suy thoái vật lý. Chúng là ổn định ở nhiệt độ cao như 300 ° F và được áp dụng trên một khoảng pH rộng. Nhựa dày đặc hơn, những sản phẩm có mức độ cao hơn của kết ngang polymer, được phát triển đặc biệt cho các ứng dụng trong công nghiệp nặng. Những sản phẩm này là khả năng chống suy thoái bằng cách ôxi hóa các chất như clo, và chịu được áp lực vật lý mà gãy vật liệu nhẹ hơn.

• Nhựa cation acid mạnh (SAC): Nhựa axit mạnh được đặt tên như vậy vì hoạt động hóa học của chúng là tương tự như của một axit mạnh.Nhựa SAC có thể trung hòa các base mạnh và chuyển đổi thành các muối trung tính của các axit tương ứng với chúng. Các loại nhựa được đánh giá ion hóa cao trong cả dạng axit (RSO3H) và muối (RSO3Na). Chúng có thể chuyển đổi một muối kim loại acid tương ứng bởi các phản ứng: 2 (R-SO3H) + NiCl2 ↔ (R-SO4)2Ni + 2HCI (5) Nhựa SAC có được chức năng từ các nhóm axit sulfonic (HSO3). Khi được sử dụng trong khử khoáng, nhựa SAC loại bỏ gần như tất cả các cation trong nước thô, thay thế chúng bằng các ion hydro, như hình dưới đây:

Phản ứng trao đổi là có thể đảo ngược. Khi khả năng trao đổi cạn kiệt, nhựa có thể được tái sinh cần một lượng dư axit.

Trao đổi cation axit mạnh hoạt động tốt ở tất cả các phạm vi pH. Những loại nhựa đã tìm thấy một loạt các ứng dụng. Ví dụ, chúng được sử dụng trong chu trình natri (sodium như các ion di động) làm mềm và trong chu trình hydro cho quá trình phản cation hóa.

Nhựa axit mạnh dạng Hydro và natri được đánh giá cao khả năng điện ly và trao đổi Na+ và H+ luôn có sẵn để trao đổi trên toàn bộ dải pH. Do đó, trên dung dịch pH khả năng trao đổi các loại nhựa axit mạnh là độc lập. Những loại nhựa sẽ được sử dụng dưới hình thức hydrogen cho sự khử ion; chúng được sử dụng trong các mẫu natri để làm mềm nước (canxi và magiê loại bỏ). Sau khi cạn kiệt, nhựa được chuyển đổi trở lại dạng hydrogen (tái sinh) bằng cách tiếp xúc với một dung dịch axit mạnh, hoặc nhựa có thể được hội tụ lại để hình thành natri từ một dung dịch natri clorua. Đối với phương trình 5. axit clohydric (HCl) tái sinh sẽ cho kết quả một dung dịch niken clorua đậm đặc (NiCl,).

• Nhựa Acid Cation yếu: 26

Trong một loại nhựa axit yếu. nhóm ion hoá là một axit cacboxylic (COOH) trái ngược với nhóm axit sulfonic (SO3H) được sử dụng trong các loại nhựa axit mạnh. Những loại nhựa này hoạt động tương tự như các axit hữu cơ yếu được điện ly một cách yếu ớt.

Nhựa axit yếu có ái lực cao hơn rất nhiều so với các ion hydro từ nhựa axit mạnh. Đặc điểm này cho phép việc tái tạo mẫu hydro với axit ít hơn đáng kể so với yêu cầu cho các loại nhựa axit mạnh. Hầu như tái sinh hoàn chỉnh có thể được thực hiện với số lượng cân bằng hóa học của axit. Mức độ phân ly của một loại nhựa axit yếu chịu ảnh hưởng mạnh bởi độ pH dung dịch. Do đó nhựa phụ thuộc một phần vào độ pH dung dịch. Hình 13 cho thấy một loại nhựa axit yếu điển hình có dung lượng dưới độ pH 6.0 giới hạn. Làm cho nó không thích hợp để khử ion có tính axit nước thải hoàn tất kim loại.

Nhựa trao đổi cation axit yếu có được hoạt động trao đổi từ một nhóm cacboxylic (COOH).Khi hoạt động dưới hình thức hydrogen, nhựa WAC loại bỏ các cation có liên quan đến kiềm, tạo ra axit carbonic như:

Những phản ứng này cũng có thể đảo ngược và cho phép sự trở lại của nhựa WAC mất khả năng trao đổi với hình thức tái sinh. Nhựa WAC không thể loại bỏ tất cả các cation trong hầu hết các nguồn cung cấp nước. Khả năng chính của chúng là hiệu quả tái sinh cao so với nhựa SAC. Hiệu quả cao này làm giảm lượng axit cần thiết để tái tạo nhựa, do đó làm giảm axit chất thải và giảm thiểu các vấn đề xử lý.

Nhựa cation axit yếu được sử dụng chủ yếu để làm mềm và dealkalization ở độ cứng cao, nước có độ kiềm cao, thường xuyên kết hợp với các hệ thống chu kỳ natri SAC. Trong các hệ thống khử khoáng đầy đủ, việc sử dụng WAC và nhựa SAC kết hợp cung cấp cho nền kinh tế của nhựa WAC hiệu quả hơn cùng với khả năng trao đổi hoàn toàn của nhựa SAC. 1.4.4.2 Trao đổi anion Vật liệu trao đổi anion được phân loại dưa trên cơ sở base yếu hoặc mạnh tùy thuộc vào loại của nhóm trao đổi. Nhựa cơ sở yếu hoạt động như adsorbers axit, loại bỏ hiệu quả các axit mạnh như sulfuric và hydrochloric. Tuy nhiên, họ sẽ không loại bỏ carbon dioxide hoặc silica. Chúng được sử dụng trong các hệ thống nơi các axit mạnh chiếm ưu thế, trong đó giảm silica là không cần thiết, và nơi carbon dioxide được loại bỏ bằng phản khí hóa. Trước các đơn vị cơ sở vững mạnh trong quá trình khử khoáng, nhựa base yếu cho quá trình loại bỏ sunfat và 27

clorua hiệu quả hơn. Có hai loại cùng là nhựa trao đổi anion base mạnh, loại I và II, biểu thị sự khác biệt về tính chất hóa học. Cả hai loại bỏ silica và carbon dioxide cũng như các anion khác. Loại I là hiệu quả hơn trong việc loại bỏ silica, và được sử dụng khi nộng độ silic và carbon dioxide của các nước tiếp xúc trao đổi là hơn 25% tổng số các anion. Khi có ô nhiễm của nước với chất hữu cơ, một dạng xốp hơn nhựa loại I được khuyến khích. Loại II anion vật liệu được sử dụng trong xử lý vùng biển nơi nồng độ carbon dioxide và silica kết hợp là ít hơn 25% tổng số các anion. Điều này thường là trường hợp khi carbon dioxide được đưa ra trong phản khí hóa trước của đơn vị trao đổi anion.

Hình 13: công suất trao đổi của nhựa Cation axit yếu và Anion bazo yếu như là một chức năng của dung dịch pH

• Nhựa anion bazơ mạnh (SBA): Giống như nhựa axit mạnh. nhựa bazơ mạnh được đánh giá cao khả năng ion hóa và có thể được sử dụng trên toàn bộ dải pH. Những loại nhựa được sử dụng trong hình thức hydroxit (OH) cho nước. Nó sẽ phản ứng với các anion trong dung dịch và có thể chuyển đổi một dung dịch axit vào nước tinh khiết: R - NH3OH + HCl ↔ R-NH3Cl + HOH Tái sinh với natri hydroxit đậm đặc (NaOH) là chuyển đổi các nhựa cạn kiệt với hình thức hydroxit.

Nhựa SBA chức năng của nó từ các nhóm chức năng amoni bậc bốn. Hai loại nhóm amoni bậc bốn, được gọi là loại I và loại II, được sử dụng. Có ba loại nhóm methyl:

28

Trong một loại nhựa loại II là một trong những nhóm methyl được thay thế bằng một nhóm ethanol. Các nhựa loại I có một sự ổn định lớn hơn nhựa loại II và có thể loại bỏ nhiều hơn các axit yếu bị ion hóa. Nhựa loại II cung cấp một hiệu quả tái tạo cao hơn và công suất lớn hơn cho cùng một lượng hóa chất tai sinh được sử dụng.

Khi ở dạng hydroxide, nhựa SBA loại bỏ tất cả các anion thường gặp như hình dưới đây:

Như với các loại nhựa cation, các phản ứng này có thể đảo ngược, cho phép sự tái sinh của nhựa với một alkali mạnh, chẳng hạn như xút, để trả lại nhựa để dưới dạng hydroxit.

• Nhựa Anion bazơ yếu: Cơ bản giống như nhựa acid yếu trong đó các mức độ ion hóa được ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pH. Do đó, về cơ bản nhựa thể hiện khả năng trao đổi tối thiểu trên một pH 7.0. Những loại nhựa acid Sorb: nó không thể tách muối.

Chức năng nhựa bazo yếu bắt nguồn từ bậc 1 (R-NH 2 ) bậc 2 (R-NHR '), hoặc bậc 3 (R-NR' 2) nhóm amin. Nhựa WBA dễ dàng tái di chuyển sulfuric, nitric và axit hydrochloric, như đại diện bởi các phản ứng sau đây:

Sodium zeolite mềm là việc sử dụng ứng dụng rộng rãi nhất của trao đổi ion. Trong làm mềm zeolite, nước có chứa các ion cứng, chẳng hạn như canxi và magiê, đi qua một cột nhựa có chứa nhựa SAC ở dạng natri. Trong nhựa, các ion độ cứng được trao đổi với natri, natri và khuếch tán vào trong dung dịch nước với số lượng lớn. Các nước cứng miễn phí, gọi là nước mềm, sau đó có thể được sử dụng cho thấp đến trung bình áp lực nước cấp lò hơi, hệ thống thẩm thấu ngược 29

trang điểm, một số quá trình hóa học, và các ứng dụng thương mại, chẳng hạn như giặt ủi.

Nhựa trao đổi anion acid mạnh

Nhựa trao đổi cation bazơ mạnh Hình 14:

• Nhựa trao đổi ion hoạt động như thế nào: Trên một quy mô phân tử cấu trúc hoàn toàn mở. Điều này có nghĩa rằng một dung dịch thông qua xuống cột nhựa trao đổi ion có thể chảy qua các polime liên kết ngang, đưa nó vào liên hệ mật thiết với điểm trao đổi.

Các mối quan hệ của nhựa axit sulfonic cho cation khác nhau với kích thước ion và đảm nhiệm các cation. Nói chung các mối quan hệ là lớn nhất đối với các ion lớn với hóa trị cao. Đối với các giải pháp pha loãng.

1.4.5. Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion : - Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc huyền phù ,chất keo và nhũ màu .Sự có mặt các chất này có thể rút ngắn tuổi thọ của nhựa .

- Loại bỏ các chất hữu cơ bằng nhựa rất phức tạp ,cần có nghiên cứu đặc biệt.

30

- Sự có mặt của khí hoà tan trong nước với lượng lớn có thể gây nhiễu loạn hoạt động của nhựa .

- Các chất oxy hoá mạnh Cl 2,O3,….có thể tác dụng xấu lên nhựa • Ứng dụng của hạt nhựa trao đổi ion trong xử lý nước, lọc nước: Có 3 cách công nghệ trao đổi ion có thể được sử dụng trong xử lý nước và lọc nước: - Hạt nhựa trao đổi cation một mình được sử dùng để làm mềm nước - Hạt nhựa trao đổi anion một mình có thể được sử dụng để loại bỏ các tạp chất hữu cơ hoặc loại bỏ nitrat - Kết hợp hạt nhựa trao đổi cation và hạt nhựa trao đổi anion để loại bỏ hầu như hoàn toàn tất cả các tập chất ion có trong nước cấp. Quá trình này được gọi là quá trình khử ion bằng hạt nhựa trao đổi ion. Nước sau khi lọc có chất lượng rất cao

31

CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION 2.1 .Thứ tự trao đổi một số cation thông thường: Một danh sách tương ứng dựa trên trao đổi cation: Hg2+ <Li+ <H+ <Na+ < K+ ≈ NH4+ < Cd2+ < Cs+ < Ag+ < Mn2+ < Mg2+ < Zn2+ < Cu2+ < Ni2+ < Co2+ < Ca2+ < Sr2+ < Pb2+ < Al3+ < Fe3+ Tuy nhiên đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC): H+ > Fe3+ Một danh sách tương ứng cho amin dựa trên trao đổi anion là: OH- ≈ F- < HCO3- < Cl- < Br- < NO3- < HSO4- < PO43- < CrO42- < SO42 Ở hàm lượng ion thấp ,nhiệt độ bình thường và những ion cùng hoá trị ,khả năng trao đổi tăng khi số điện tử của ion trao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn). Ở hàm lượng ion cao , khả năng trao đổi của các ion không khác nhau nhiều lắm .

2.2 Cơ chế: Một hệ thống trao đổi ion phổ biến nhất bao gồm cứng và vật liệu trao đổi ion tiếp xúc dung dịch. Trao đổi ion giống như bất kỳ quá trình không đồng nhất được thực hiện bằng cách chuyển ion giữa pha rắn và pha lỏng, khuếch tán bên trong vật liệu, và khuếch tán xung quanh vật liệu trao đổi ion được coi là trao đổi ion. Bên cạnh hai giai đoạn chính, màng mỏng của dung dịch tại bề mặt của thiết bị trao đổi cần được xem xét một cách riêng biệt. Các tính chất lớp màng mỏng khác với tính chất của vật liệu trao đổi ion. Hình thành các màng mỏng là không thể tránh khỏi. ngay cả quá trình nghiêm ngặt chỉ làm giảm độ dày của màng mỏng.

32

Hình 15: Truyền khối trong quá trình trao đổi ion: vật liệu ban đầu được gắn với counterion A. Dung dịch ban đầu chứa counterion B và coion C. Trong quá trình này, các ion B được chuyển vào bên trong trao đổi thay thế các ion A. Khi chuyển giao giữa hai giai đoạn các ion vượt qua thông qua các màng mà không thể được gỡ bỏ bằng vận động.

Hình 15 minh họa đơn giản nhất của khối lượng ion trao đổi tại cột trao đổi ion. ion b khuếch tán từ dung dịch thông qua bề mặt các hạt, và các ion a khuếch tán ra khỏi hạt qua bề mặt nhựa vào dung dịch. giai đoạn khuếch tán của counterions được gọi là trao đổi ion. counterions là các ion trao đổi vận chuyển bằng trao đổi ion. counterions có thể tự do di chuyển trong khung làm việc, nhưng chuyển động của chúng đã được bù đắp bằng chuyển động của các ion khác của cùng một thay đổi thực hiện các nguyên tắc electroneutrality tương ứng. các counterion hạn có hai cách giải thích. a. nó có thể được sử dụng riêng cho các ion bên trong trao đổi ion. b. nó có thể được sử dụng trong một nghĩa rộng cho dù trong trao đổi hoặc trong các dung dịch bên ngoài; tất cả các loài ion đặc trưng chịu trách nhiệm đối với các nhóm chức năng có thể được gọi counterions.

Co-ion là một thuật ngữ được sử dụng cho các loại ion với các đặc trưng chịu trách nhiệm tương tự như nhóm chức. hình thức ionic là xác định thời gian mà counterion hiện diện trong trao đổi ion. bất kỳ ion trao đổi cũng có thể trao đổi thay thế được một số lượng tương đương của các ion khác. đây là một hệ quả của yêu cầu electroneutrality. khi một ion trao đổi vượt qua giớ hạn khuếch tán, một điện thế được tạo ra giữa hai giai đoạn. tiềm năng này phải được bù đắp bởi sự chuyển động của một ion trao đổi ngược chiều hoặc bởi sự chuyển động của ion tương tác trong cùng một hướng. trong 33

nhiều hệ thống, đặc biệt là trong dung dịch pha loãng, donnan loại trừ (donnan loại trừ: giảm nồng độ của các ion di động trong một màng trao đổi ion do sự hiện diện của các ion cố định của các dấu hiệu tương tự như các ion di động) hạn chế nhập các co-ion vào trao đổi trong quá trình toàn bộ quá trình. trong trường hợp này, các co-ion không tham gia vào các phản ứng và có ít ảnh hưởng lên tỷ giá. tuy nhiên, ảnh hưởng gián tiếp có thể xảy ra.

Hình 16: Sơ đồ biểu diễn các bước khác nhau tham gia vào quá trình trao đổi ion Từ hình 16 rõ ràng là ban đầu các muối hòa tan phân ly có chứa các ion ban đầu, tiếp theo là sự khuếch tán của các ion đầu tiên từ dung dịch khuếch tán đến bề mặt nhựa. sau đó các ion khuếch tán ra khỏi bề mặt nhựa đi vào dung dịch. các liên kết ion với nhóm chức và sau đó phân ly của ion thứ hai và nhóm chức năng xảy ra trong dung dịch. các ion khuếch tán thứ hai bên trong giai đoạn vật chất đối với các bước bề mặt. các ion thứ hai khuếch tán bên trong vật liệu trao đổi, tiếp theo là khuếch tán và phân phối ngẫu nhiên trong dung dịch. vì vậy, sự hình thành của cặp ion thứ hai hoàn thành trao đổi Qúa trình trao đổi ion có thể biểu diễn: R--I+ + M+X ↔ R-M+ + I+X R +Y + M +X ↔ R +X + M +Y R-I+ là cationit vì nó có ion dương I+ có thể trao đổi được với ion M+ trong dung dịch, R+Y là anionit có khả năng trao đổi với các ion âm X- trong dung dịch.

34

R- , R-+ là mạng chất không tan của chất trao đổi ion, với các loại nhựa trao đổi ion nó gồm mạng polymer ba chiều của liên kết hidrocacbon và các nhóm chức tích điện âm như SO, COO- ( đối với cationit) và nhóm chức tích điện dương –NR+ (đối với anionit). Với các cationit, I+ thường là H+ hay Na+ , tương ứng nó được gọi là cationit dạng H+ hay Na+. Anionit cũng thường tồn tại ở hai dạng là Cl_ và OH. Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ có thể phân ra : lớp hấp phụ và lớp khuếch tán .Lớp ion có tính hoạt động tương đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay lớp cố định ,nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phận ion ngược dấu .Cạnh ngoài lớp hấp phụ ,các ion có tính hoạt động tương đối lớn , có khả năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớp khuếch tán . Khi nhựa trao đối ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, các tác dụng sau đây sẽ diễn ra: • Tác dụng trao đổi : Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trong dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau .Nhưnh do quá trình trao đổi ion không giới hạn ở lớp khuếch tán ,do quan hệ cân bằng động ,trong dung dịch cũng có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán ,sau đó sẽ trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.

• Tác dụng nén ép: Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớn ,có thể làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại .Từ đó , một số ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.., Pham vi hoạt động của lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất lợi cho quá trình trao đổi ion . Do đó cần chú ý nếu nồng độ dung dịch hoàn nguyên quá lớn ,không những không thể nâng cao mà còn giảm thấp hiệu quả hoàn nguyên.

• Tốc độ trao đổi ion xảy ra : Quá trình trao đổi ion phổ biến liên quan đến việc thông qua các màng tiếp xúc đó dung dịch chứa nhựa và phổ biến trong các hạt nhựa. Màng phổ biến là tỷ lệ kiểm soát ở nồng độ thấp và hạt được kiểm soát ở tỷ lệ nồng độ cao. Cho dù màng phổ biến hoặc hạt khuếch tán là cơ chế kiểm soát kích thước hạt của nhựa cũng là một yếu tố quyết định. Hạt nhựa có kích thước thống nhất nâng cao hiệu suất động so với nhựa thông thường polydispersed do sự vắng mặt của hạt lớn hơn có động học chậm.

Như trong quá trình hấp phụ ,tốc độ trao đổi ion tuỳ thuộc trên tốc độ của các quá trình thành phần sau: 35

- Khuếch tán của các ion từ trong pha lỏng đến bề mặt của hạt rắn .

- Khuếch tán của các ion qua chất rắn đến bề mặt trao đổi .

- Trao đổi các ion (tốc độ phản ứng ) - Khuếch tán của ion thay thế ra ngoài bề mặt hạt rắn - Khuếch tán của các ion được thay thế từ bề mặt hạt rắn vào trong dung dịch 2.3 Cân bằng trao đổi ion.

Giả sử một loại nhựa có ái lực lớn hơn cho ion B hơn so với ion A. Nếu nhựa chứa ion A và B ion được hoà tan trong nước đi qua nó, sau đó trao đổi sau đây diễn ra, phản ứng tiến tới bên phải (R đại diện cho nhựa ): AR + Bn± ↔ BR + An± =Q Khi khả năng trao đổi nhựa đến gần như không còn, nó sẽ chủ yếu là dưới hình thức BR. Một mối quan hệ cân bằng được áp dụng nơi các đối tượng trong ngoặc vuông đại diện cho nồng độ: Q là hệ số trạng thái cân bằng, và là một hằng số cụ thể cho các cặp ion và các loại nhựa. Biểu hiện này chỉ ra rằng nếu một dung dịch đậm đặc chứa ion A bây giờ là đi qua cột trao đổi ion hết khả năng trao đổi, nhựa sẽ tạo thành dạng AR đã sẵn sàng để tái sử dụng, trong khi ion B sẽ được tách vào trong nước. Tất cả các ứng dụng quy mô lớn cho các loại nhựa trao đổi ion liên quan đến kiệt sức và tái tạo chu kỳ như vậy.

Cân bằng trao đối ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với một dung dịch chất điện ly, ion trao đổi của dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khác nhau. Gỉa sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B. Quá trình trao đổi ion diễn ra: -R- A + B → -R- B + AR là mạng polymer chứa nhóm chức. Trong trạng thái cân bằng các ion trao đổi A, B có mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion. Trao đổi ion là quá trình thuận nghịch và vì vậy rất khó phân biệt là cân bằng được tiệp cận từ phía nào, tức là A trao đổi với B hay ngược lại.Tuy nhiên sự phân bố cả A và B trong hai pha ở trạng thái cân bằng là như nhau đối với cả hai trường hợp miễn là tổng nồng độ của chúng trong hệ không thay đổi. Tỉ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau. Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và 36

về mặt lí thuyết. Quan hệ hàm số phụ thuộc ion trái dấu của chất trao đổi ionvao2 thành phần ion trái dấu của 2.4 Thiết kế cột trao đổi ion Một cột nhựa trao đổi có thể được sử dụng hoặc để loại bỏ các ion không mong muốn từ một dung dịch tiếp xúc nó hoặc để tích lũy một loại khoáng chất có giá trị từ dung dịch mà sau này có thể được phục hồi từ nhựa. Ví dụ về việc loại bỏ các ion không mong muốn là loại bỏ các kim loại nặng từ chất thải thương mại kim loại, khử khoáng của sữa được sử dụng để sản xuất các sản phẩm từ sữa và loại bỏ muối ra khỏi nước ép trái cây.

Hầu hết ứng dụng trong công nghiệp các hệ thống sử dụng cột trao đổi ion cố định, thành phần cơ bản trong số đó là các cột nhựa (hình 17).Thiết kế cột phải có: - Chứa đựng và hỗ trợ các nhựa trao đổi ion - Thống nhất phân phối các dịch vụ và tái tạo dòng chảy thông qua các giường nhựa - Cung cấp không gian để fluidize nhựa trong quá trình rửa ngược Bao gồm các đường ống, van, và các công cụ cần thiết để điều chỉnh dòng chảy của thức ăn, regenerant. và các giải pháp rửa ngược.

37

Hình 17: Cột nhựa trao đổi ion điển hình Cột trao đổi on có than hình trụ làm bằng inox, chiều cao mổi cột là 2m, đường kính 500mm. Trong mổi cột có 24 ống nhựa (12 ống nhựa nằm ở mặt bít trên và 12 ống nhựa nằm ở mặt bít dưới) có tác dụng giữ các hạt trao đổi ion ở lại. ống nhựa có chiều cao 20cm, đường kính 4,5cm. Trên ống có khắc nhiều rãnh ngang, mổi rãnh cách nhau 1mm, mặt trong ống nhựa có 8 gờ dọc theo thân ống để định dạng cố định ống.

Bên trong cột trao đổi ion chứa hạt nhựa trao đổi ion. Các hạt nhựa trao đổi ion chứa đầy cột mà chỉ chứa khoảng 1,7m so với chiều cao của cột trao đổi, 0,3m còn lại là khoảng trống có tác dụng giúp quá trình trao đổi diển ra thuận lợi hơn.

Ion vật liệu trao đổi được chứa trong bể được xây dựng đặc biệt (hình 1), nơi nó hình thành một cột, sâu thường 30-60 inch. Trong một số trường hợp, nó được hỗ trợ bởi một cột sỏi được phân loại hoặc than tùy theo thiết kế của bộ lọc.

Trong trường hợp khác, một số phương pháp đặc biệt hỗ trợ, không có sỏi hoặc than được sử dụng. Trong quá trình hoạt động bình thường, nước chảy vào phía 38

trên của bể chứa qua một đường ống, mà phân phối nó trên bề mặt của cột trao đổi. Nước đã xử lý được rút ra bằng cách thu ở đường ống ở phía dưới. Một số mẫu thiết kế mới để trao đổi ion đang đi vào sử dụng phổ biến. Chúng trở nên phổ biến vì những ưu điểm của chúng về hiệu suất hoạt động cao hơn và tỷ lệ rò rỉ thấp hơn. Trong thủ tục tái sinh ngược, dòng chảy regenerant là ngược lại hướng đến dòng chảy khi xử lý. Vì vậy, nhựa nằm trong cột được tái sinh cao nhất. Điều này dẫn đến tỷ lệ rò rỉ thấp hơn và khả năng điều hành cao hơn một chút ở liều regenerant bằng mạch hoạt động đồng thời.

Hình 18 Tuy nhiên, mạch ngược nhạy cảm hơn với các vấn đề điều hành. Cột phải được cố định trong quá trình tái sinh và nước chảy đến phải rất thấp trong chất rắn lơ lửng.Hệ thống cột cơ bản được lấp đầy bằng nhựa. Các hệ thống này là ngược trong thiết kế và cung cấp các lợi thế tỷ lệ rò rỉ thấp. Tuy nhiên, cột trao đổi cũng cung cấp các lợi thế của giảm phát sinh chất thải. Vì không có không gian cho rửa ngược phù hợp, hệ thống cột trao đổi thường được xây dựng với bể chứa ngược 39

bên ngoài mà cho phép nhựa được rửa trở lại sau khi được sluiced ra khỏi cột hoạt động. Tất cả các hệ thống trao đổi ion dòng ngược yêu cầu nước cấp là chất rắn lơ lửng rất thấp

40

CHƯƠNG 3: TÁI SINH Tái sinh của vật liệu trao đổi bao gồm ba bước: • Đẩy ngược lại • Sử dụng các hóa chất tái sinh • Rửa

Hình 19 Đẩy ngược lại chỉ đơn giản là một sự đảo ngược của dòng chảy bình thường để rửa ra bất kỳ chất lơ lửng trên cột và "làm cho bông ra" khỏi cột trao đổi, để phá vỡ các khu vực bị mất khả năng trao đổi. Điều này được thực hiện ngay trước khi các đơn vị được tái sinh. Trong quá trình tái sinh, hóa chất được sử dụng ở mặt trên của cột và loại bỏ thông qua đầu ra phía dưới. Rửa các dấu vết cuối cùng của hóa chất tái sinh.

41

Hình 20 Các thiết bị trao đổi ion thường được thiết kế trùng lặp cho phép xử lý liên tục trong quá trình tái sinh. Một thiết bị trao đổi điển hình được thể hiện trong hình 21.

42

Hình 21: Các thiết bị trao đổi ion trong quá trình tái sinh • Quy trình tái sinh Khi tái sinh không hiệu quả, cột thường được lấp đầy với chất lơ lửng. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng quy trình đẩy ngược phải thích hợp. Trong quá trình rửa ngược, cột trao đổi cation nên mở rộng ít nhất 50%, trong khi cột trao đổi anion nên mở rộng ít nhất 75%. Cột mở rộng bao nhiêu phụ thuộc vào nhiệt độ nước rửa ngược, tỷ lệ đẩy ngược và mật độ của các thiết bị trao đổi ion. Hình 4 cho thấy các đặc điểm mở rộng các điển hình các loại nhựa cation và anion. Khả năng của các vật liệu trao đổi ion thay đổi tùy theo số lượng và nồng độ của tái sinh hóa học được sử dụng và thời gian các điểm tiếp xúc hóa chất trao đổi. Lựa chọn mức độ liều lượng tối ưu phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng nước hoàn thành yêu cầu, xem xét cả yếu tố kinh tế và hoạt động.

43

Hình 22

Hình 23. Đặc điểm mở rộng của cột trao đổi

44

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG Nhựa cũng có nhiều ứng dụng trong phòng thí nghiệm hóa học nơi sự linh hoạt ít bị hạn chế bởi những cân nhắc về mặc kinh tế. Chúng có thể được sử dụng để loại bỏ các ion can thiệp trong quá trình phân tích, tích lũy số lượng dấu vết của các ion từ các giải pháp pha loãng sau đó họ có thể tập trung vào một lượng nhỏ bằng cách rửa giải. Một nhựa cation ở dạng hydro có thể được sử dụng để xác định tổng nồng độ các ion trong hỗn hợp muối. Các mẫu đi qua một cột được chuyển đổi với số lượng tương đương của axit và nồng độ dễ dàng xác định bằng cách chuẩn độ.

Một trong những ứng dụng đầu tiên của trao đổi ion là sự tách biệt của các nguyên tố đất hiếm trong những năm 1940. Những kim loại có trong tự nhiên như hỗn hợp và có tính chất hóa học gần như giống hệt nhau. Các hệ số cân bằng cho nhựa cation đã được tìm thấy thay đổi đủ để tách phải đạt được sắc ký bằng cách thêm một dung dịch hỗn hợp trên vào cột nhựa và tẩy rửa các kim loại với một rửa axit. Điều này dẫn công việc đầu tiên khi phát hiện ra prometi (phần 61) và sau đó là sự phát hiện của năm yếu tố mới trong chuỗi actinide.

4.1 Làm mềm nước cứng: Sodium zeolite mềm là việc sử dụng ứng dụng rộng rãi nhất của trao đổi ion. Trong làm mềm zeolite, nước có chứa các ion cứng, chẳng hạn như canxi và magiê, đi qua một cột nhựa có chứa nhựa SAC ở dạng natri. Trong nhựa, các ion độ cứng được trao đổi với natri, natri và khuếch tán vào trong dung dịch nước với số lượng lớn. Các nước cứng miễn phí, gọi là nước mềm, sau đó có thể được sử dụng cho thấp đến trung bình áp lực nước cấp lò hơi, hệ thống thẩm thấu ngược trang điểm, một số quá trình hóa học, và các ứng dụng thương mại, chẳng hạn như giặt ủi.

• Nguyên tắc làm mềm Zeolite: Việc loại bỏ độ cứng từ nước bởi một quá trình zeolit làm mềm được mô tả bởi các phản ứng sau đây:

Nước từ một chất làm mềm zeolite hoạt động đúng là gần như miễn phí từ độ cứng phát hiện.Làm thế nào loại bỏ hết, một số lượng nhỏ của độ cứng, được gọi là rò rỉ, có mặt trong các nước được xử lý. Mức độ cứng rò rỉ phụ thuộc vào độ cứng và mức độ natri trong nước chảy đến và lượng muối được sử dụng để tái sinh.

45

Hình 24 Sơ đồ điển hình làm mềm nước thải natri zeolite.

Sau khi rửa cuối cùng, làm mềm đến một mức độ gần như không thể làm thấp độ cứng, cho đến khi nhựa trao đổi ion gần tới kiệt sức. Tại kiệt sức, độ cứng nước thải tăng mạnh, và việc tái sinh được yêu cầu.

Như được minh họa bởi các phản ứng làm mềm, nhựa SAC sẵn sàng trao đổi các ion canxi và magiê trao đổi với các ion natri. Khi cạn kiệt nhựa được tái sinh, một nồng độ cao của các ion natri được áp dụng cho nhựa để thay thế canxi và magiê. Nhựa được xử lý bằng một dung dịch natri clorua 10%, và tiền thu được tái sinh theo phương trình sau:

Sau khi tái sinh, số dư nhỏ của độ cứng vẫn còn trong nhựa. Nếu nhựa ở trong một cột ứ đọng nước, một số độ cứng sẽ khuếch tán vào trong nước với số lượng lớn. Vì vậy, tại thời điểm bắt đầu dòng chảy, nước thải nước từ một chất làm mềm zeolite có thể chứa độ cứng ngay cả khi nó đã được tái sinh. Sau một vài phút của dòng chảy, độ cứng được rửa từ các chất làm mềm, và nước đã xử lý mềm.

46

Hình 25: Quá trình làm mếm nước Thời gian của một chu kỳ dịch vụ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy làm mềm, mức độ cứng trong nước, và lượng muối được sử dụng để tái sinh. Bảng 81 cho thấy ảnh hưởng của mức độ regenerant vào khả năng làm mềm nhựa cation mạnh gelular. Lưu ý rằng năng lực của tăng nhựa như liều lượng tăng regenerant, nhưng mức tăng không tỷ lệ thuận. Sự tái sinh là kém hiệu quả hơn ở cấp regenerant cao hơn. Do đó, chi phí hoạt động làm mềm tăng như tăng mức regenerant. Như được thể hiện bởi các dữ liệu trong Bảng 1, tăng 150% trong muối regenerant chỉ cung cấp một sự gia tăng 67% trong công suất hoạt động.

Bảng 1. Ảnh hưởng của độ mặn đến khả năng làm mềm nhựa cation acid mạnh:

47

• Hoạt động làm mềm nước: Làm mềm natri zeolite hoạt động thông qua hai chu kỳ cơ bản: chu kỳ trao đổi, trong đó làm nước mềm để sử dụng, và chu kỳ tái sinh, giúp phục hồi khả năng trao đổi lúc nhựakiệt sức.

Trong chu kỳ trao đổi, nước chảy vào làm mềm thông qua hệ thống phân phối đầu vào và chảy qua cột nhựa. Các ion độ cứng khuếch tán vào nhựa và trao đổi với các ion natri, trở về nước với số lượng lớn. Nước mềm được thu thập trong hệ thống và xả. Lưu lượng nước phục vụ cho làm mềm nên càng thường xuyên càng tốt để ngăn chặn nước dâng đột ngột và hoạt động thường xuyên.

Do yêu cầu nhựa và thiết kế cột, hoạt động làm mềm là hiệu quả nhất khi tốc độ dòng chảy dịch vụ từ 6 đến 12 gpm/ft² bề mặt nhựa. Hầu hết các thiết bị được thiết kế để hoạt động trong phạm vi này, nhưng một số thiết kế đặc biệt sử dụng một cột nhựa sâu để cho phép hoạt động tại 15-20 gpm / ft². Hoạt động liên tục trên giới hạn đề nghị của nhà sản xuất có thể dẫn tới sự nén chặt cột nhựa, độ cứng rò rỉ. Hoạt động dưới tốc độ dòng chảy được đề nghị của nhà sản xuất cũng có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất làm mềm. Với tốc độ dòng chảy thấp, nước được phân bố không đầy đủ, và tiếp xúc giữa nhựa và nước không đạt tối ưu.

Khi nhựa không còn khả năng làm mềm, nhựa phải được tái sinh. Giám sát độ cứng nước thải cho biết nhựa hết khả năng trao đổi. Khi độ cứng tăng lên, các đơn vị được sử dụng hết. Thời điểm tái sinh nhựa làm mềm có thể được xác định trước khi kiệt sức, dựa trên một khoảng thời gian định trước hoặc số gallon xử lý.

Hầu hết các hệ thống làm mềm bao gồm nhiều hơn một chất làm mềm. Điều này đảm bảo một dòng chảy liên tục của nước mềm. Trước khi nhựa làm mềm chờ trao đổi ion, các đơn vị cần được rửa sạch để loại bỏ bất kỳ độ cứng trước khi tiếp xúc vào nước trong suốt thời gian trao đổi.

• Ứng dụng và thuận lợi Chất tích tụ trong nồi hơi và sự hình thành của lớp cặn không tan đã tạo ra một nhu cầu lớn về nước được làm mềm. Bởi vì các chất làm mềm natri zeolite có thể đáp ứng nhu cầu này về kinh tế, chúng được sử dụng rộng rãi trong việc chuẩn bị nước cho lò hơi áp suất thấp và trung bình, giặt là, và quá trình hóa học. Sodium zeolit làm mềm cũng cung cấp những ưu điểm sau hơn các phương pháp làm mềm khác: Nước được xử lý có độ cứng rất thấp vì zeolit làm mềm làm giảm độ cứng của hầu hết các nguồn cung cấp nước ít hơn 2 ppm.

48

Hoạt động rất đơn giản và đáng tin cậy; điều khiển tái sinh tự động và bán tự động có sẵn với chi phí hợp lý Muối là không tốn kém và dễ dàng để xử lý Không có bùn thải được sản xuất; thường, xử lý chất thải không phải là một vấn đề Trong giới hạn nhất định, sự thay đổi trong tốc độ dòng nước có ít ảnh hưởng đến chất lượng nước sau xử lý Vì hoạt động hiệu quả có thể thu được trong các đơn vị của hầu hết các kích thước, chất làm mềm natri zeolite thích hợp cho cả việc cài đặt lớn và nhỏ • Hạn chế Mặc dù làm mềm natri zeolite giảm độ cứng hòa tan trong nước, chất rắn, độ kiềm, và silica trong nước không bị ảnh hưởng. Làm mềm natri zeolite không phải là một sự thay thế trực tiếp cho một chất làm mềm vôi, sôđa. Nhà máy đã thay thế các chất làm mềm của họ chỉ làm mềm zeolite với mức silica và độ kiềm trong nồi hơi của họ.

Làm mềm natri zeolite không hoạt động hiệu quả trên các vùng nước đục. Tiếp tục hoạt động với một độ đục chảy đến vượt quá 1,0 JTU gây tắc nghẽn cột, thời gian trao đổi không dài, và chất lượng nước xử lý nghèo khoáng.

Nhựa có thể bị hỏng do chất gây ô nhiễm kim loại nặng như sắt và nhôm, mà không được loại bỏ trong quá trình của một tái sinh bình thường. Nếu dư thừa sắt hoặc mangan có mặt trong việc cung cấp nước, nhựa phải được làm sạch định kỳ. Bất cứ khi nào keo tụ nhôm được sử dụng trước làm mềm zeolite, vận hành thiết bị phù hợp và kiểm soát chặt chẽ của pH lắng là cần thiết để thực hiện làm mềm tốt.

Tác nhân oxy hóa mạnh mẽ trong tấn công nước thô và làm suy giảm nhựa. Chlorine, có mặt trong hầu hết các nguồn cung cấp của thành phố, là một chất oxy hóa mạnh mẽ và cần được loại bỏ trước khi zeolit làm mềm bằng cách kích hoạt lọc carbon hoặc phản ứng với sodium sulfite.

4.2 Khử khoáng Làm mềm một mình là không đủ cho hầu hết nước sử dụng nồi hơi áp suất cao và cho nhiều dòng quá trình, đặc biệt là những người sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện tử. Ngoài việc loại bỏ độ cứng, các quá trình này đòi hỏi phải loại bỏ tất cả các chất rắn hòa tan, chẳng hạn như natri, silica, độ kiềm, và các anion khoáng sản (Cl, SO 4 ², NO 3 ¯ ).

49

Khử khoáng nước là việc loại bỏ cơ bản tất cả các muối vô cơ bằng cách trao đổi ion. Trong quá trình này, nhựa cation acid mạnh trong các hình thức chuyển đổi ion hydro hòa tan muối thành các axit tương ứng của chúng, và nhựa anion base mạnh theo hình thức hydroxide loại bỏ các axit.Khử khoáng nước tương tự về chất lượng để chưng cất với một chi phí thấp hơn.

Khử khoáng với hạt cation và hạt anion Về cơ bản có 2 loại hạt nhựa trao đổi ion là hạt nhựa trao đổi cation và hạt nhựa trao đổi anion.

Hạt nhựa trao đổi cation sẽ cung cấp Hydrogen (H+ ) các ion hay các ion tích điện dương khác trong trao đổi cation tạp chất có trong nước.

Nhựa trao đổi anion sẽ cung cấp Hydroxyl ( OH- ) các ion hay các ion mang điện tích âm khác trong trao đổi anion tạp chất có trong nước.

• Nguyên tắc khử khoáng: Một hệ thống khử khoáng bao gồm một hoặc nhiều cột nhựa trao đổi ion, trong đó bao gồm một đơn vị axit cation mạnh và một đơn vị anion base mạnh. Các trao đổi nhựa cation hydro cho các cation nước thô được thể hiện bằng các phản ứng sau đây:

Một biện pháp tổng nồng độ của các axit mạnh trong nước thải cation là FMA (Free Mineral Acidity). Nếu trao đổi cation là 100% hiệu quả, các FMA từ trao đổi sẽ bằng với axit của nồng độ khoáng trên lý thuyết (TMA) của nước. Các FMA thường là thấp hơn so với TMA bởi vì một lượng nhỏ natri rò rỉ qua bộ trao đổi cation. Lượng natri rò rỉ phụ thuộc vào mức độ tái sinh, tốc độ dòng chảy, và tỷ lệ natri để các cation khác trong nước thô. Nói chung, natri rò rỉ tăng lên khi tỷ lệ natri cation tổng mức tăng.

Một đơn vị trao đổi cation tới gần kiệt sức, FMA trong nước thải giảm mạnh, chỉ ra rằng các trao đổi cần được loại bỏ từ dịch vụ. Tại thời điểm này nhựa nên được tái sinh với một dung dịch axit, trong đó trả về vị trí trao đổi mẫu hydro. Axit sunfuric thường được sử dụng do chi phí giá cả phải chăng của nó và sẵn có của nó. Tuy nhiên, sử dụng không đúng acid sulfuric có thể gây tắc nghẽn không thể đảo ngược của nhựa với calcium sulfate. Để ngăn chặn điều này xảy ra, axit sunfuric thường được cho vào ở vi trí cao của dòng chảy (1 gpm/ft²) và nồng độ ban đầu là 2% hoặc ít hơn. Nồng độ axit dần tăng lên 6-8% để hoàn thành tái sinh.

Một số thiết kế sử dụng axit clohydric để tái sinh. Điều này đòi hỏi việc sử dụng các vật liệu đặc biệt để thiết kế trong hệ thống tái sinh. Như với một đơn vị

50

natri zeolite, một dư thừa của tái sinh (sulfuric hay axít clohiđric) được yêu cầu lên đến ba lần so với liều lý thuyết. Để hoàn tất quá trình khử khoáng, nước từ các đơn vị cation được chuyển qua một nhựa trao đổi anion base mạnh trong các hình thức hydroxit. Các trao đổi nhựa ion hydro cho cả hai loại ion khoáng bị ion hóa cao và các acid cacbonic và silic yếu hơn, như hình dưới đây:

Các phản ứng trên cho thấy khử khoáng hoàn toàn loại bỏ các cation và anion ra khỏi nước.Trong thực tế, bởi vì các phản ứng trao đổi ion là những phản ứng cân bằng, một số rò rỉ xảy ra.Hầu hết rò rỉ từ các đơn vị cation là natri. Rò rỉ natri này được chuyển sang sodium hydroxide trong các đơn vị anion. Độ pH nước thải của một hệ thống cation-anion khử khoáng hai cột là hơi kiềm. Các chất kiềm trao đổi tại các anion gây ra một lượng nhỏ silica rò rỉ. Mức độ rò rỉ từ các anion phụ thuộc vào các chất hóa học của nước được xử lý và liều lượng tái sinh được sử dụng.

Khử khoáng bằng nhựa anion mạnh mẽ loại bỏ silica cũng như chất rắn hòa tan khác. Silica nước thải và độ dẫn điện là thông số quan trọng để theo dõi trong quá trình khủ khoáng.

51

Hình 26: Quá Trình khử khoáng Khi silica tăng đột biến xảy ra vào cuối qáu trình, mức silica trong nước được xử lý tăng mạnh. Thông thường, độ dẫn điện của nước giảm trong giây lát, sau đó tăng lên nhanh chóng. Giảm tạm thời này trong độ dẫn điện có thể dễ dàng giải thích. Trong các trao đổi bình thường, hầu hết các dẫn nước thải là do mức độ nhỏ của sodium hydroxide được sản xuất trong trao đổi anion. Khi silica tăng đột biến xảy ra, hydroxit là không còn nữa, và natri từ trao đổi cation được chuyển thành natri silicat, do đó độ dẫn điện ít hơn nhiều hơn so với sodium hydroxide. Như nhựa anion hết khả năng trao đổi, các ion khoáng tăng và có độ dẫn điện lớn hơn.

52

Hình 27 Khi kết thúc một quá trình khử khoáng, các hạt nhựa phải được tái sinh ngay lập tức. Nếu khử khoáng được phép dừng trong qua trình trao đổi qua các điểm dừng, mức silica trong nước đã xử lý có thể tăng hơn của các nước chảy đến, do sự tập trung của silica diễn ra trong nhựa anion trong quá trình trao đổi.

Mạnh trao đổi anion gốc được tái sinh với một dung dịch natri hydroxit 4%. Như với cation tái sinh, nồng độ tương đối cao của ổ đĩa hydroxide phản ứng tái sinh. Để cải thiện việc loại bỏ các silica khỏi giường nhựa, các chất ăn da regenerant thường được đun nóng đến 120 ° F hoặc nhiệt độ theo quy định của nhà sản xuất nhựa. Loại bỏ Silica cũng được tăng cường bởi một cột nhựa.

4.3 Ứng dụng khác: • Loại bỏ nitrat: trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ nitrat từ nước ô nhiễm nitrat. Trao đổi nhựa anion cơ sở vững mạnh hoạt động dưới dạng ion clorua (muối tái tạo) đã được sử dụng thành công cho dịch vụ này.

53

• Xử lý chất thải, phóng xạ:Hệ thống chất thải phóng xạ tại nhà máy điện hạt nhân bao gồm các hệ thống trao đổi ion để loại bỏ số lượng nuclit phóng xạ từ nước sẽ được thải ra môi trường. Hệ thống chính được sử dụng là giường hỗn hợp.

• Hóa chất chế biến - Xúc tác. Kể từ trao đổi nhựa ion là rắn, không hòa tan (nhưng phản ứng) axit, bazơ, hoặc muối, họ có thể thay thế chất kiềm, axit và các chất xúc tác ion kim loại trong quá trình thủy phân, đảo ngược, este hóa, ẩm hoặc mất nước, trùng hợp, hydroxy hóa và phản ứng epoxidation. Các lợi thế của trao đổi nhựa ion làm chất xúc tác dễ dàng tách từ các sản phẩm của phản ứng, tái sử dụng lặp đi lặp lại, giảm các phản ứng phụ và không có nhu cầu hợp kim đặc biệt hoặc niêm mạc của thiết bị.

• Thanh lọc. Làm sạch bằng trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ ô nhiễm axit, kiềm, muối hoặc hỗn hợp các chất không ion hóa hoặc hơi ion hóa hữu cơ hay hữu cơ. Ví dụ như loại bỏ axit formic từ 50 % các giải pháp formaldehyde, loại bỏ các amin từ methanol, loại bỏ các chất sắt từ các hoạt động sản xuất thép, phòng tắm nhúng nhôm tươi sáng và loại bỏ sắt trong sạch của axit hydrochloric.

• Khai thác kim loại, tách và tập trung. Trong hỗn hợp dung dịch nước hoặc dung môi có chứa một lượng lớn các chất gây ô nhiễm và một lượng nhỏ một chất tan mong muốn, trao đổi nhựa ion có thể được sử dụng để cô lập một cách chọn lọc và tập trung chất tan mong muốn, ví dụ, sự phục hồi của urani trong dung dịch axit sulfuric ngấm với ion anion là cơ sở vững mạnh . Nhựa phức cụ thể khác có thể được sử dụng để phục hồi các kim loại như đồng, niken, coban và các kim loại quý.

• Khô. Trao đổi nhựa ion, trao đổi nhựa cation axit đặc biệt mạnh mẽ trong trạng thái khô, có tác dụng như chất làm khô [10]. Trao đổi nhựa ion cho thấy khả năng lớn nhất của chúng là chất làm khô trong quá trình sấy các dung môi kỵ nước, ví dụ, hydrocarbon và các hydrocacbon clo.

• Đường ly thân và thanh lọc. Nhựa trao đổi ion được sử dụng như một phần của xi-rô ngô, cao xi-rô fructose corn (HFCS) chế biến và xi-rô tinh bột khác.

Trong chế biến đường mía, các loại nhựa thường được sử dụng để làm mềm nguồn cấp dữ liệu, phục hồi đường từ mật, hoặc decolorization. Họ cũng được sử dụng trong việc sản xuất các chất làm ngọt phi dinh dưỡng như sorbitol và mannitol.

Nhựa và chất hấp phụ được sử dụng trong bốn quá trình quan trọng trong chế biến ngô ngọt: deashing, tách sắc ký của glucose và fructose, đánh bóng giường hỗn hợp và loại bỏ màu sắc. Trong deashing, cột nhựa axit cation thường được theo sau bởi cột nhựa anion cơ sở. Các loại nhựa được sử dụng là macroporous, như cấu trúc xốp lớn của chúng cho phép các thành phần xi-rô để di chuyển tự do vào hạt.

• Tách sắc ký. Tách sắc ký là một quá trình sản xuất sử dụng trao đổi nhựa ion để tách một thành phần hòa tan từ khác. Nó được áp dụng trong ngành công nghiệp đường để tinh chế các hợp chất như sucrose, glucose, fructose, oligosaccharides, sorbitol và mannitol. Nó có thể được sử dụng để muối riêng biệt từ glycerol và tịnh hóa các axit amin và hữu cơ khác nhau axit. Sắc ký công 54

nghiệp nhất hiện nay sử dụng mô phỏng di chuyển (SMB) công nghệ để giảm thiểu sử dụng dung môi, dẫn đến chi phí hoạt động khi so sánh với sắc ký hàng loạt truyền thống.

• Dược phẩm và lên men: Nhựa trao đổi ion rất hữu ích khi cho nguyên liệu làm thuốc vào trong các ứng dụng. Trong một số trường hợp, trao đổi nhựa ion có ảnh hưởng đến thuốc, ví dụ, Cholestyramine, một nền tảng mạnh mẽ nhựa anion cơ sở sấy khô và được sử dụng để gắn kết acid mật để giảm cholesterol trong máu. trao đổi nhựa ion cũng được sử dụng trong một loạt các quá trình lên men và quy trình công nghệ sinh học, chẳng hạn như sự cô lập và tinh sạch lysine, streptomycin và neomycin và kháng sinh tương tự khác •

Trong xử lý nước cấp: xử lý nước cứng, xử lý arsen, xử lý nitrat, xử lý silic

• Trong xử lý nước thải: xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý một số kim loại nặng, xủ lý nước thải công nghiệp, thu hồi các chất có giá trị, thu hồi vàng, thu hồi bạc, thu hồi thủy ngân, thu hồi Nicken:

55

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Việc sử dụng các quá trình trao đổi ion là hiệu quả trong điều hòa nước cấp.

Việc lựa chọn đúng đắn của quá trình trao đổi ion cụ thể phụ thuộc vào nhu cầu chất lượng nước, thuận tiện hoạt động, và những cân nhắc kinh tế. Để có kết quả hiệu quả, hệ thống phải được lựa chọn cẩn thận, thiết kế, vận hành và duy trì. Bởi vì quyết định là phức hợp, một kỹ sư trao đổi ion kinh nghiệm nên được tư vấn để hỗ trợ trong việc lựa chọn và thiết kế.

Phương pháp hấp thụ và trao đổi ion là những phương pháp có hiệu quả trong kỹ thuật xử lý nước cấp và nước công nghệ. Các phương pháp đó cho phép loại bỏ phần lớn các chất độc tan trong nước, dạng hữu cơ hay ion kim loại, chúng có thể kết hợp với các phương pháp khác để nâng cao hiệu quả xử lý.

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bài giảng tóm tắt: Quá trình công nghệ môi trường – Phạm Anh Đức - Đại học Tôn Đức Thắng, 2012.

2. Remco engineering Water systems and controls. Ion Exchange 3. History, Introduction, and Kinetics of Ion Exchange Materials. Sanjeev Kumar and Sapna Jain 4. Ion exchange resins; nzic.org.nz/ChemProcesses/water/13D.pdf 5. Dow Liquid Separations DOWEX Ion Exchange Resins Fundamentals of Ion Exchange 6. Ion exchange water treatment; kbkf.kkft.bme.hu/labor/ion_exchange.pdf 7. Removal of Cadmium from Wastewater Using Ion Exchange Resin Amberjet 1200H Columns. Y. Bai*, B. Bartkiewicz 8. Chaper 8 Ion exchange. gewater.com/handbook/ext_treatment/ch_8_ionexchange.jsp 9. Ion exchange letters 2( 2009) 1- 14. Inorganic and Composite Ion Exchange Materials and their Applications.

10. Ion exchange for dummies. Rohm and Haas 11. Regeneration methods for ion exchange units. dardel.info/IX/processes/regeneration.html

57