đề tài ứng dụng của phương pháp trao đổi ion trong nước

Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ, Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao dổi dược với bên ngoà

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

VIỆN KHCN & QLMT - -

MÔN :

KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CẤP

ĐỀ TÀI :

Thành phố Hồ Chí Minh,tháng7, năm 2010

MỤC LỤC

I CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION… 2

I.1 Giới thiệu……… 2

I.2 Cơ sở của phương pháp trao đổi ion I.3 Vật liệu trao đổi ion……… 2

I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ……….3

I.3.2 Vật liệu trao đổi ion trên than……… 4

I.4 Nhựa trao đổi ion……… 6

I.4.1 Nguyên tắc chế tạo………8

I.4.2 Cationit……… 9

I.4.3 Anionit……….10

I.4.4 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion……….11

I.5 Thứ tự ưu tiên khi trao đổi……… 11

I.6 Cơ chế trao đổi ion……….12

I.7 Cân bằng trao đổi ion……….13

I.8 Thiết kế cột trao đổi ion……….16

I.9 Tái sinh các ionit………17

I.10 Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion……… 17

II XỬ LÝ CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION II.1 Xử lý amoni ( NH4+) trong nước ngầm………19

II.2 Khử sắt trong nước ngầm……….20

II.2.1 Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng……… 20

II.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình khử sắt……… 23

II.2.3 Áp dụng quá trình khử sắt vào việc xử lý nước ngầm để cấp nước cho cộng

đồng dân cư nông thôn………25

II.2.4 Khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion………28

II.3 Xử lý arsen………28

II.3.1 Vai trò arsen và nguồn gốc arsen do hoạt động phát triển 28

II.3.2 Phương pháp xử lý………29

II.4 Làm mềm nước……… 30

II.5 Xừ lý nitrat……….31

III QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION……….32

III.1 Một số giai đoạn về công nghệ khử nitrat trong nước cấp……….32

III.2 Phương pháp khử nitrat……… 33

III.3 Nguyên lý trao đổi ion cột tháp……… 35

III.4 Qúa trình hoàn nguyên……… 37

III.5 Qui trình công nghệ xử lý……… 38

IV KẾT LUẬN……… 38

І CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION

I.1 Giới thiệu.

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình

xử lý nước thải cũng như nước cấp

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

Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hànhkhá cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao

Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng

I 2- Cơ sở của phương pháp:

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 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 ; và trao đổi ion với lớp nhựa traođổi đứng yên ,vận hành và tái sinh gián đoạn Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến.

I.3 Vật liệu trao đổi ion.

Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp,

có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ, Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao dổi dược với bên ngoài, Chất trao đổi ion ở đây là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ

Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện: của nhóm chức cố định và của ion linh động

có thể trao đổi được

Cấy trúc của chúng có thể được mô tả:

Dạng

chất trao đổi

Mạng chất rắn

Điện tích nhóm chức

Ion linhđộngCationit

Anionit

Lưỡngt

ính

Vô cơ, hữu cơ

Vô cơ, hữu cơ

Vô cơ, hữu cơ

ÂmDươngÂm,dương

DươngÂmÂm,dương

Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối vớicationit và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu không nhóm chức của chúng tồn tại ở thái không phân li, điện tích tỏng của nhóm chức bằng không Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở thái trung hòa tại điểm đẳng điện

Phân loại vật liệu trao đổi ion:

A Loại cationit

a.Vô cơ

-tự nhiên (zeolit, khoáng sét).

-tổng hợp(zeolit tổng hợp, permutit, silicat tỗng hợp)

b Hữu cơ

-Tự nhiên (than bùn, ligin)

-than sunfon hóa

-Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản úng trùng ngưng Polymer hóa)

B Loại anionit

a.Vô cơ

-Tự nhiên (dolomite, apatit,hydroxyl apatit)

-Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)

b Hữu cơ

-Tổng hợp (nhựa trao đổi ion)

I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ.

Chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp Các loại zeolit tự nhiên như analcite, chabazite, harmotome…Các loại zeolit này có hệ mao quản rộng thuận lợi cho quá trình trao đổi ion Các ion có thể trao đổi linh động,

chuyển dịch khá tự do trong các gốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+,

Ca2+, K+, Mg2+ Dung lương trao đổi của chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit,

độ sạch của sẩn phẫm

Khoáng sét cấu trúc lớp như montmorilonit, vermiculite cũng có tính năng trao đổi ion Các ion này nằm giữa các lớp của cấu trúc mạng, quá trìnhhydrat hóa các ion này gây ra tính trương nở của khoáng sét Dung lượng trao đổi của khoáng sét thấp hơn so với zeoli, nằm trong khoảng trên dưới 1mdl/g

Glauconite là khoáng sắt (П) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi ) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi được là kali Cấu trúc mạng của nó khá chặt nên quá trình trao đổi ion chỉ

diễn ra ở bề mặt bên ngoài, tuy nhiên nếu ở trạng thái phân tán cao, dạng keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể.

Một số vật liệu trong tự nhiên có tính năng trao anion như dolomite, silicat kim loại nặng Tuy vậy chỉ có apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyl apatit [Ca5(PO4)3]OH là có ứng dụng trọng thực tiễn

Zeolit là loại khoáng vật khá mềm, độ chịu mài mòn thấp, hệ mao quản nhỏ, độ dẻo thấp Khả năng trương nở thấp và hệ mao quản nhỏ nên các ion trao đổi trong đó có độ linh động không cao,

Khoáng sét cấu trúc lớp có khả năng trương nở cao, quá trình trao đổi ion dễ dàng hơn nhưng loại vật liệu này có độ bền cơ học tháp, kích thước nhỏ khó sử dụng trong thực tiễn Tất cả vật liệu trao9 đổi ion vô cơ ( tự nhiên và tổng hợp) đều kém bền về mặt hóa học, bị axit và kiềm phá hủy, điều đó hạn chế ứng dụng trong thực tiễn, tức là chỉ sử dụng chúng trong khoảng pH hẹp Nhiều loại cũng không bền trong dung dịch một số muối

Giai đoạn tỏng hợp các loại zeolit, ngoài khả năng hấp phụ các phân

tử trung hòa, zeolit tổng hợp có dung lượng trao đổi cao hơn nhiều so với zeolit yu75 nhiên

Một số loại oxit kim loại: Fe2O3,Al2O3, MnO2, Cr2O3, Tio2, ZrO2, ThO2, SnO2 là chất lưỡng tính axit- bazo, chúng có khả năng trao đổi cation nếu pH của môi trường cao hơn điểm đẳng điện, chúng được sử dụng cho một số trường hợp đặc thù như hấp phụ flo, asen trên nhôm oxit

I 3 2 Vật liệu trao đổi ion trên than.

Rất nhiều loại than có khả năng trao đổi ion Các nhóm chức trên bề mặt than như COOH, OH là các axit1 yếu có khả năng trao đổi H+ trong điềukiện thích hợp Tuy vậy các vật liệu này dễ bị kiềm phá hủy và có xu hướng

petit hóa Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được ổn định thong qua các biện pháp xử lí

I.4- Nhựa trao đổi ion.

Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có khả năng hấp thu các

ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âmgọi là anionit Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính

Về cấu tạo : 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 nhómion 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

Chất trao đổi ion thông là cầu nối 3 chiều Trong Resin có cấu trúc rỗng

Phân loại : có 4 loại Resin

- Resin Cation acid mạnh

- Resin Cation acid yếu

- Resin Anion bazơ mạnh

- Resin Anion bazơ yếu

Tính chất vật lý

o Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc

của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút

o Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn

o Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến

đổi lớn

o Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm

khô) , hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt)

o Tính chịu nhiệt : 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

o Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ

thuộc vào dạng ion

o Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm.

o Tính chịu mài mòn : trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và

nở ngót , có khả năng dể vỡ vụn Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó

o Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ)

Tính năng hoá học:

Dung lượng trao đổi

Dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổitrong 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

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 năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:

Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch Dựa trên tính chất này người ta dùng dung dịch chất hoàn nguyên , thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó

CaR 2 + 2H +( nhựa traoThí dụ : 2HR + Ca 2+ đổi) 2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)CaR 2 + 2H+

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

I.4.1 Nguyên tắc chế tạo

Nhựa trao đổi ion bắt buộc phải bao gồm: mạng hidrocacbon ba chiều

và các nhóm chức phân li gắn trên mạng đó Có nhiều phương àn để đật được mục tiêu trên: monome là các chất điện li hữu cơ được tạo thành các polymer có liên kết ngang tạo cấu trúc không gian ba chiều, monomer là các phân tử trung hòa, các nhóm chức phân li được gắn vào mạng khi đã tạo thành mạng polymer, hình thành các nhóm chức điện li đồng thời và sự hình thành polymer

Polyme không được tan nhưng cần phải có độ trương nở nhất định, điều đó có thể thực hiện thông qua việc điều chỉnh chất lượng khâu mạch Polymeco1 mang nhóm chức mạch thẳng tan trong nước (các chất trợ keo tụ), polymer có mức có mức đọ liên kết ngang cao, tạo ra mạng ba chiều đặc

sẽ không có độ trương nở, khi đó các ion bị “nhốt” trong đó không trao đổi được Vì vậy cần phải kiểm soát mức độ liên kết ngang của mạng

Để tạo ra mạng polymer ba chiều cần có monomer thích hợp và chất khâu mạch Phản úng trùng ngưng và polymer hóa cho phép đạt được mục tiêu đó

I.4.2 Cationit.

Sản phẩm trùng ngưng của phenol và fomaldehyd hoặc các loại

polyphenol với các aldehyd khác là các cationit được chế tạo sớm nhất Các sản phẩm này chỉ chứa nhóm OH có cường độ axit rất thấp Ngưới ta gắn các nhóm axit mạnh qua phản ứng sufon hóa với axit sunfuric trước khi tiến hành phản ứng trùng ngưng Sản phẩm tạo thành chứa hai loại nhóm chức (-SO3H và OH)

Loại cationit mạnh thông dụng là loại copolymer trùng hợp từ styren

và divinyl benzene với hàm lượng divinyl benzene thường nằm trong

khoảng 8- 20%, quá trình sulfon hóa được tiến hành sau phản ứng polymer hóa Sản phẩm loại này có độ bền nhiệt và bền hóa cao hơn loại sản phẩm trùng ngưng Cationit yếu chứa nhóm hoạt động COOH điều chế qua phản ứng copolymer hóa của axit hữu cơ hoặc axit anhidrid với chất khâu mạch divinyl benzene Sản phẩm thông dụng được điều chế từ axit acrylic hoặc methacrylic với divinyl benzene Do có tính axit yếu, mức độ phân ly của

chúng phụ thuộc vào pH Các nhóm chức này phần lớn ở dạng trung hòa khi

pH < 3, độ phân li tăng dần khi pH tăng và phân li hoàn toàn ở Ph = 10

Nhựa trao đổi chứa hai loại nhóm chức SO3H và COOH có thể chế tạo thông qua sulfon hóa polymer acrylic hay methacrylic

Cationit đặc thù là loại có độ chọn lọc cao đối với một loại cationit nào đó Loại đặc thù dựa trên nguyên tắc là các ion tạo phức bền hay kết tủa (tạo hợp chất không tan) với các nhóm chức của nhựa Cationit yếu chứa nhóm COOH có độ chon lọc cao với proton vì nó tạo thành axit yếu khó phân li Nhựa trao đổi chứa nhóm chức dipicryl amin có độ chọn lọc cao đối với K+, nhóm axit anthranilic tạo phức vòng với kẽm và các kim loại chuyễntiếp

Thông thường các catioint có độ chọn lọc cao thì có tốc độ trao đổi chậm Mặt khác, quá trình tái sinh các ion đặc hiệu khá khó khăn, đôi khi khong tái sinh được Vì vậy, việc chọn lựa vật liệu trao đổi cho một mục tiêunào đó cần phải cân nhắc lĩ để tìm được sự hài hòa giữa độ chọn lọc, tốc độ trao đổi và khả năng tái sinh

I.4.3 Anionit.

Anionit đang được sử dụng là loại hữu cơ tổng hợp Nhóm chức trong anionit là các amin Nhóm amin bậc một (-NH2), bậc hai (-NHR), bậc ba (-NR2) là các nhóm bazo yếu, amin bậc bốn (-N+R3OH-) là loại bazo mạnh

Anionit bân đầu được chế tạo là sản phẩm polymer trùng ngưng, và nó

bị thay thế bởi các polymer trùng hợp có độ bền cao hơn cũng giồng như trường hợp đối với cationit Anionit có mùi tanh của amin ngay ở nhiệt độ thường, ở khoảng 60oC chúng bắt đầu phân hủy và nhả ra methanol và aminbậc 3

Anionit có khả năng phá hủy bởi các chất hữu cơ có kích thước lớn như axit humic, fulvic tồn tại trong nước thiên nhiên, loại có tính bền đối vớicác tác nhân trên được chế tạo với mạng polymer là polyacrylamide và chất khâu mạch là divinyl benzene.

Trong khi các anionit mạng phân li ở mọi pH thì các anionit yếu chỉ hoạt động trong vùng pH < 7 Trong vùng pH cao các nhóm chức tồn tại ở trạng thái trung hòa, ở vùng pH thấp lien kết với proton tạo rat rung tâm mang điện tích dương Anionit yếu bền nhiệt hơn loại mạnh, anionit yếu dạng polystyrene có thể hoạt động ở vùng 100oC

I.4.4 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

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

I.5 Thứ tự ưu tiên khi trao đổi

Đối với nhựa Cationit acid mạnh(SAC) ,

Fe 3+>Al 3+> Ca 2+>Mg 2+ > K+>H+>Li+

Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC)

H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+> Na+>Li+

Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA)

Đối với nhựa anionit kiềm yếu (WBA)

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

I.6 Cơ chế trao đổi ion.

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 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- vá 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 dụngsau đây sẽ diễn ra:

o 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

o 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 dộ quá trình trao đổi ion

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

- 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

I 7 Cân bằng trao đổi ion.

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

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 về mặt

lí thuyết

Quan hệ hàm số phụ thuộc ion trái dấu của chất trao đổi ionvao2 thành phần ion trái dấu của dung dịch ngoài ở nhiệt độ và áp suất không đổi gọi là đường đẳng nhiệt của trao đổi ion Các đường đẳng nhiệt biểu thị bằng

đồ thị ở hệ trục không thứ nguyên ai – ai, với :

a i =





n i i i

i i c z

c z

i i

c z

c z

1

ai và ai - phần tương đương của ion I trong chất trao đổi ion và dung dịch;

ci – nồng độ ion I trong chất trao đổi ion khi hệ đạt cân bằng mol ion/

g chất trao đổi ion;

ci – nồng độ ion I trong dung dịch khi hệ đạt cân bằng;

zi – điện tích của ion i

các đại lượng ai và ai thay đổi từ 0 đến 1, do đó trao đổi đẳng nhiệt

ai = f(ai) sẽ được biểu thị trong biểu đồ hình vuông có cạnh bằng 1.

được gọi là hệ số phân bố của ion i khi hệ số hút là K PI

Hệ số này biểu thị mức làm giàu và làm nghèo của chất trao đổi ion bằng một chất;

- khi K PI < 1: chất trao đổi ion bị làm nghèo;

- khi K PI>1: chất trao đổi ion được làm giàu bởi cấu tử I so với dung dịch cân bằng

Nếu một dung dịch chứa một số ion, ví dụ như ion A và B thì tính chọn lọc của chất trao đổi ion được đánh giá bởi hệ số chọn lọc K A,B và bằng ti số giữa hệ số phân bố của các ion đó:

K A,B=

PB

PA K

K

=

B A

B A

a a

a a

.

.

=

B A

B A

C C

C C

.

- khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion A;

-khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion B;

-khi , không lựa chọn ion nào cả

Khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhỏ hơn 0,003 mol/l thì tốc độ trao đổi được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion qua màngchất lỏng

Khi nồng độ chất gây ô nhiễm bằng 0.1 mol/l tốc độ bởi quá trình được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion trong hạt

Trong vùng nồng độ từ 0,003 đên 0,1 mol/l tốc độ quá trình được xác định bởi hai quá trình khuếch tán.

Số BIO được tính như sau:

I.8 Thiết kế cột trao đổi ion.

Qúa trình trao đổi ion gồm các giai đoạn: di chuyển các ion trao

đổiqua màng chất lỏng bao xung quanh hạt nhựa trao đổi: khuếch tán các iontrong mao quản của nhựa trao đổi và quá trình trao đổi

Trở lực của hai giai đoạn đầu có thể kết hợp trong hệ số chuyển khối tổng như trong hấp thụ Khi đó có thể sử dụng phương trình tốc độ quá trình hấp phụ để tính tốc dộ trao đổi theo chiều cao chất trao đổi Dz:

S.Dy = kt a (Y-Y*) Dz

Trong đó:

S- lưu lượng dòng nước thải qua cột trao đổi;

Kt – hệ số chuyển khối tổng;

a-diện tích bề mặt ngoài của hạt rắn;

Y* - nồng độ cân bằng

Y- nồng độ làm việc

Z- chiều cao lớp chất trao đổi ion

Tổng số đơn vị chuyển khối của toàn bộ vùng trao đổi cũng có thể tính thoe công thức:

Z

= a

K S Z t a

I.9 Tái sinh các ionit.

Các cationit được tái sinh bằng dung dịch axit có nồng độ từ 2 đến 8%

và chúng chuyển thành dạng –H+.Các dung dịch tái sinh chứa các cation Sau khi nới lỏng và rửa, các cation sẽ nạp điện tích, ( ví dụ thành dạng –Na bằng cách cho dung dịch muối ăn đi quá chúng Khi đó nhóm chức năng –H+nhận được trong tái sinh các cationit bằng axit được thay đổi ở nhóm –Na, còn dung dịch muối ăn được sử dụng để tích điện sẽ bị oxy hóa tới HCl)

Người ta tái sinh các anionit đã được sử dụng trong trao đỗi ion bằng dung dịch kiềm Khi đó các anionit chuyển sang dạng OH- Các dung dịch tái sinh chứa các anion được tách ra từ nước thải ở dạng nồng độ cao Khi cần thiết anionit được tái sinh từ dạng –OH- có thể chuyển thành dạng-Cl-bằng cách cho dung dịch NaCl đi qua Trong dung dịch tích điện, NaOH được tích tụ lại Các dung dịch tái sinh là các dịch axit hoặc kiềm Sự trung

hòa được tiến hành bằng trộn các dung dịch tái sinh axit và kiềm I.10 Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion.

Sự loại khoáng hoàn toàn bao gồm: một cột trao đổi cation và một cộttrao đổi anion kiềm yếu như ở hình 1

Cũng có thể sử dụng trao đổi ion hỗn hợp cả cation và anion theo sơ

đồ làm việc gián đoạn như ở hình 2

Hình 1

Chất trao

đổi dạng C+

Chất trao đổi dạng