ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VAI TRÒ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH

MỞ ĐẦUTrao đổi ion là một phản ứng hóa học thuận nghịch trong đó có ion mộtnguyên tử hay phân tử đã bị mất hoặc được một electron và do đó có được mộtđiện tích từ dung dịch được trao đổi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

- -BÁO CÁO TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG, BÁNH, KẸO

ĐỀ TÀI

TÌM HIỂU VAI TRÒ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION VÀ ỨNG DỤNG

CỦA NÓ TRONG CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH.

GVHD : Trần Thị Cúc Phương Nhóm: 1

Sinh viên thực hiện:

Đỗ Kinh Kha – 2005208314

Đỗ Huỳnh Gia Khang – 2005202056Nguyễn Đình Tân – 2005208587Nguyễn Thị Kim Hoa – 2005202040 Huỳnh Bảo Kim – 2005201351

TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên cho nhóm đề tài xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đếnBan Giám Hiệu và toàn thể quý thầy cô Trường Đại học Công NghiệpThực Phẩm TP.HCM, Quý thầy cô Khoa Công Nghệ Thực Phẩm cùngvới tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt vốn kiến thức quý báucho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Và trong học kỳnày Khoa đã tổ chức cho chúng em được tiếp cận với môn học rất hữuích đối với sinh viên Đó là môn học “Công nghệ sản xuất đường, bánh,kẹo”

Nhóm đề tài chúng em gửi lời cám ơn chân thành nhất đến GVTrần Thị Cúc Phương đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổihọc, từng buổi thảo luận hết sức bổ ích và những kiến thức cần thiết mà

Cô đã mang đến cho môn học này

Nhóm đề tài cũng xin cảm ơn bạn bè, anh chị đã tận tình chỉ bảo,giúp đỡ trong quá trình hoàn thành bài tiểu luận, tạo cho chúng em hiểuthêm về những kiến thức

Đề tài tiểu luận do nhóm chúng em tìm hiểu là “Tìm hiểu vai trò củachất trao đổi ion và ứng dụng của nó trong công nghệ làm sạch” Do kiếnthức còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ, không tránh khỏi những thiếu xót làđiều chắc chắn Vì thế, nếu có thiếu xót mong quý Thầy Cô và các bạn bỏqua Nhóm đề tài rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của

Cô và các bạn để bài tiểu luận có thể hoàn thiện hơn

Lời cuối cùng, chúng em xin kính chúc cô có thật nhiều sức khỏe,thành công trong mọi việc và luôn hạnh phúc

Nhóm 1 chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

1.1 Khái niệm và phân loại 4

1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp trao đổi ion 4

1.3 Tính chất và cơ chế hoạt động 4

2.1 Phương pháp thứ nhất 7

2.2 Phương pháp thứ hai 7

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

PHÂN CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 21

MỞ ĐẦU

Trao đổi ion là một phản ứng hóa học thuận nghịch trong đó có ion (mộtnguyên tử hay phân tử đã bị mất hoặc được một electron và do đó có được mộtđiện tích) từ dung dịch được trao đổi cho một ion tích điện tương tự như gắn liềnvới một hạt rắn bất động Những hạt trao đổi ion vững chắc hoặc là tự nhiên zeolite

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 thể trong đó không có sự thay đổi vĩnh viễn trong cấu trúccủa 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 pháptách trong nhiều quá trình Nó có ích đặc biệt trong tổng hợp hóa học, nghiên cứu yhọc, chế biến thực phẩm, khai khoáng, nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác

Bài tiểu luận được tham khảo, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Do kiếnthức còn hạn hẹp, bài tiểu luận của nhóm không tránh khỏi những thiếu sót Mong

cô góp ý để bài của nhóm được hoàn thiện hơn

Chúng em chân thành cảmơn!

1 KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI ION

1.1 Khái niệm và phân loại.

- Chất trao đổi ion là hợp chất cao phân tử, không tan trong nước, có khả nănggiải phóng ion và trao đổi ion của mình với ion khác có trong dung dịch.Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh hoặc yếu và trao đổi ion âm cótính kiềm mạnh và yếu

1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp trao đổi ion

- Trong quá trình xử lý nước thải, phương pháp này được ứng dụng khá phổbiến

 Ưu điểm

 Thân thiện với môi trường

 Không sử dụng bất kì hóa chất nào để xử lý nước thải

 Mang lại chất lượng nước đầu ra hợp tiêu chuẩn trước khi thải ra môitrường

Qúa trình trao đổi trên được biểu diễn bằng phương trình:

- Những nhóm họat động tiêu biểu của chất trao đổi ion dương:

 R-SO3(H) -Nhóm sunfonic

 R-COOH -Nhóm cacboxylic

 R-OH -Nhóm phenol

 H- Đại diện cho ion H+ và được thay thế bởi ion dương khác

- Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh chứa nhóm SO3H có thể trao đổi

dễ dàng H+ của mình với tất cả trị số pH Chất trao đổi ion dương có chứanhóm COOH chỉ trao đổi trong môi trường trung tính và môi trường kiềm.Chất trao đổi ion dương với nhóm hoạt động OH có tính acid yếu chỉ choion H+ trong dung dịch kiềm

- Chất trao đổi ion âm chứa nhóm hoạt động có tính kiềm, có khả năng phân

ly trong dung dịch Những nhóm hoạt động tiêu biểu của chất trao đổi ion

âm là:

- Những chất trao đổi ion âm kiềm mạnh có khả năng cho ion ở pH bất kỳ Cơchế phản ứng của chất trao đổi ion âm còn chưa biết rõ như chất trao đổi iondương Có thể coi HCl như là chất bị hấp phụ hoặc hai phản ứng sau có thểxảy ra:

- Phản ứng (1) là phản ứng hấp phụ Còn phản ứng (2) là phản ứng trao đổi

- Nhóm ion của chất trao đổi có liên quan đến tính chất kiềm và acid Chấttrao đổi ion khi tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vào bêntrong , dẫn đến sự phân ly chất hoạt động :

- SO3- gắn chặt vào lóp lưới có thể chuyển động nhưng không rời vị trí củamình, ngược lại ion H+ có thể chuyển động tự do bên trong hạt trao đổi vàxoay quanh nó, và được gắn chặt bằng lực hút tĩnh điện Khi tiếp xúc vớidung dịch, chất điện ly có thể xâm nhập vào mạng lưới của hạt trao đổi Nếuion dương của chất điện ly có ái lực lớn hơn ion dương của chất trao đổi thìxảy ra sự trao đổi ion Ion H+ của chất trao đổi ion, trao đổi với ion dươngcủa chất điện ly và ion H+ khuếch tán vào dung dịch

- Có rất nhiều giả thuyết giải thích cơ chế quá trình trao đổi ion hiện nay cònchưa thống nhất.Trong công nghệ xử lý nước giả thuyết thích hợp nhất coichất trao đổi ion là vật chất có cấu tạo dạng keo Trên quan điểm đó, người

ta cho rằng trên bề mặt cao phân tử của chất trao đổi ion có rất nhiều lớpđiện tích kép giống bề mặt keo Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạtđộng lớn nhỏ có thể phân ra: lớp hấp phụ và lớp khuếch tán Lớp ion có tínhhoạt động tương đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi làlớp hấp phụ hay lớp cố định, nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phậnion ngược dấu

- Cạnh ngoài lớp hấp thụ, các ion có tính hoạt động tương đối lớn, có khảnăng 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 sauđây sẽ diễn ra:

 Tác dụng trao đổi:

 Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trongdung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau Nhưng do quá trình trao đổi ionkhông giới hạn ở lớp khuếch tán, do quan hệ cân bằng động trongdung dịch cũng có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớpkhuếch tán ,sau đó sẽ trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấpphụ.

 Tác dụng nén ép:

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

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION

- Các phương pháp trao đổi ion được áp dụng phổ biến hiện nay:

2.1 Phương pháp thứ nhất

 Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động, vận hành và tái sinh liên tục

2.2 Phương pháp thứ hai

 Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên, vận hành và tái sinh gián đoạn

 Trong đó, phương pháp trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến nhất

 Cần có một loại vật chất để làm chất trao đổi ion và xử lý khi vật chất nàygặp nước Bản thân của nó dùng ion của mình để trao đổi với các ion kháccùng dấu trong nước Nếu như chất trao đổi ở dạng NaR, gặp nước chứa

Ca2+ sẽ có phản ứng trao đổi như sau:

 Cuối cùng, Ca2+ đã bị hấp thụ trên chất trao đổi ion Chất này sẽ thành dạng

Ca2+, Na+ có trên chất trao đổi vào trong nước Ca2+ đã bị khử đi

3 VAI TRÒ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION TRONG LÀM SẠCH NƯỚC MÍA.

 Hiện nay việc ứng dụng chất trao đổi ion trong ngành đường khá phổ biến

và phong phú, đặc biệt trong sản xuất đường tinh luyện và glucoza tinh thể

 Ví dụ : dùng chất trao đổi ion thấp để thay thế chất không đường có tínhtạo mật cao là những chất có tính tạo mật, làm mếm nước cho vào lò,tách các chất điện ly ra khỏi nước mía

 Phương pháp trao đổi ion: Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương táchoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn Trao đổi ion là mộtquá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các iontrong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp thucủa nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong phalỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi Quátrình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau

3.1 Làm mất ion của nước mía.

 Chất trao đổi ion khi tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vàobên trong dẫn đến sự phân ly chất hoạt động khi tiếp xúc với dung dịch,chất điện ly có thể xâm nhập vào mạng lưới của hạt trao đổi ion nếu ion củachất điện ly có ái lực lớn hơn ion của chất trao đổi thì xảy ra sự trao đổi ion

 Chất trao đổi ion dương:

 Quá trình trao đổi ion trong nước mía xảy ra như sau Trước hết nước mía điqua cột trao đổi ion dương loại những chất ion dương của chất không đườngtrong nước mía

 Trước khi cho nước mía vào cột ion dương cần làm lạnh khoảng 20OC đểngăn ngừa sự chuyển hoá đường Sau đó nước mía đi qua cột ion âm loạiacid tự do

 Chất trao đổi ion qua nhiều lần sử dụng khả năng trao đổi kém dần , cần táisinh lại Có thể dung acid mạnh, ví dụ H2S04 (4-8%) tái sinh chất trao đổiion dương Nếu lớp trao đổi có nhiều ion Ca2+¿ ¿ trước khi tái sinh cần choNaCl qua lớp trao đổi để loại ion Ca2+ ¿ ¿

 Nếu không cho muối NaCl thì khi cho H2S04, CaSO4 kết tủa sẽ tạo thành vàđọng lại trên bề mặt chất trao đổi

 Tái sinh chất trao đổi ion âm thường dung kiềm mạnh như NaOH (2-4 %)

Có thể dung NH4OH thay thế cho NaOH sẽ tạo thành NaCl có vị mặn ảnhhưởng đến vị mặn của nước mía Dùng NH4OH lượng tái sinh tổn thất nhiềuhơn

có thể loại ion âm ở cả môi trường trung tính và kiềm yếu

Cơ chế của mỗi loại trao đổi có thể biểu thị theo sơ đồ

Nước mía Nước mía

H 2 O H 2 0 Loại trao đổi thông thường Loại ngịch đảo Loại hỗn hợp

R

d-R a+

Ra+ Rd

- Trong quá trình tái sinh phải dung một lượng NaCl vừa tốn tiền vừa tănglượng mật cuối Theo nghiên cứu nếu loại 10mg CaO/100g chất khô thìlượng mật cuối tăng 0.004%, nếu loại 130mg CaO/100g chất khô thì lượngmật cuối tăng 0.05% Mặt khác lượng nước dùng để phun NaCl, để rửa trước

và sau tái sinh khá lớn làm tăng tổn thất đường theo nước rửa và làm bẩnmôi trường xung quanh(nước thải chứa ít đường và NaCl) Để khắc phụcnhược điểm này người ta đã tìm được phương pháp tái sinh không dungNaCl mà dung mật đường gọi là phương pháp Gryllus

và chất keo

3.3 Thay thế các ion có khả năng tạo mật lớn bằng các ion tạo mật ít

 Thay thế ion có khả năng tạo mật lớn bằng ion tạo mật ít hơn ( phương phápnày được dùng ở một số nước ngoài) Thường sự trao đổi ion theo hai quytrình sau:

 Quy trình Quentin : được thiết lập trên cơ sở trao đổi ion K+ ¿¿ bởi ionMg2+¿¿cókhả năng tạo mật lớn:

 Quy trình Moebes: nước mía trong đi qua chất trao đổi ion âm có tính kiềmmạnh theo chu kỳ CO2 ở 90OC Ở đây chừng 70% ion âm được trao đổithành cacbonat.

RaCO3 + (K,Na, Ca)A → Ra(A,CO2) + (K,Na,Ca)(A,CO2)

 Sau đó cho dung dịch qua chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh theochu kỳ NH4

 Phản ứng như sau:

- Muối amoni bị phân ly bới một lượng nhỏ Ca2+:

Phương pháp này loại chừng 50% tro và 10% chất chứa nito

3.4 Loại ion Ca 2+ trong nước mía.

 ∞: Đại diện nhóm hoạt động COOH

 a: hạt trao đổi với chu kỳ Na

 b: hạt sau khi trao đổi

 Dùng chất trao đổi ion có thể loại được ion Ca2+ ¿ ¿ trong nước mía,đồng thờitrao đổi những ion hữu cơ và vô cơ dẫn đến sự hấp phụ các chất keo và chấthữu cơ

4 ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION.

4.1 Ứng dụng của quá trình trao đổi ion trong ngành Công Nghiệp Thực

Phẩm

4.1.1 Thu hồi acid citric

 Acid citric là một acid hữu cơ thuộc loại yếu và nó thường được tìm thấytrong các loại trái cây thuộc họ cam quýt Nó là chất bảo quản thực phẩm tựnhiên và thường được thêm vào thức ăn và đồ uống để làm vị chua

 Acid này được sử dụng làm chất bảo quản trong nhiều sản phẩm thực phẩmcông nghệp Nó được sản xuất bằng cách lên men Thanh lọc nó bằng khửkhoáng trao đổi ion sử dụng nhựa cation tính axit mạnh và nhựa anionstyrenic bazo yếu hoặc phenolic bazo yếu

4.1.2 Trong đồ uống

 Một số ứng dụng trao đổi ion trong sản xuất đồ uống như:

 Xử lý nước dùng để làm bia, nước ngọt

 Khử axit hóa đồ uống

 Loại bỏ kim loại

 Loại bỏ mùi vị hoặc mùi hôi

 Loại bỏ màu và độ đục bằng chất hấp phụ không ion

 Xử lý nước ép trái cây

 Loại bỏ axit bằng nhựa anion bazo yếu

 Loại bỏ vị đắng từ nước cam bằng nhựa hấp phụ không ion

 Loại bỏ màu bằng nhựa hấp phụ

4.1.3 Whey khử khoáng

 Whey khử khoáng (còn được gọi là whey giảm khoáng) thu được bằng cáchloại bỏ một phần khoáng chất khỏi whey tiệt trùng

 Whey, sản phẩm phụ của sản xuất phô mai, chứa protein có giá trị và được

sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm Nó được khử khoáng để tăng

độ tinh khiết Nguyên tắc này giống khử khoáng nước hoặc đường

Ngoài ra, trao đổi ion còn được ứng dụng trong phục hồi polyphenol, lysine,khử khoáng sorbitol, khử khoáng gelatin,…

4.2 Ứng dụng của quá trình trao đổi ion trong nghành Hóa Chất.

4.2.1 Sản xuất Clo và Xút

 Những hóa chất này được sử dụng bằng cách điện phân nước muối bão hòa.Trong quá trình sản xuất, sự vắng mặt của kim loại hóa trị II là rất quantrọng Do đó, một loại nhựa chelating chọn lọc được sử dụng để loại bỏchúng (chủ yếu là canxi) làm giảm nồng độ canxi ban đầu từ 10-20 mg/lxuống mức rất thấp

4.2.2 Phục hồi và loại bỏ kim loại

 Trong các cửa hàng hoàn thiện bề mặt và mạ, kim loại có thể được phục hồi

và loại bỏ:

 Thu hồi vàng từ các đồ trang sức công nghiệp dưới dạng xyanua

 Tái chế các dòng nước rửa khác nhau trong các cửa hàng mạ

 Loại bỏ đồng và sắt từ các cửa hàng mạ crom

 Thu hồi axit cromic trong các cửa hàng mạ

 Loại bỏ sắt từ tấm kẽm

 Thanh lọc, loại bỏ sắt và kẽm dưới dạng phức clorua

4.2.3 Loại bỏ Aldehyde

 Nhựa trao đổi anion bazơ mạnh ở dạng bisulfite có thể loại bỏ aldehyde khỏicác dung dịch nước khác nhau Các ion bisulfite tạo thành một sản phẩm bổsung với aldehyde Nhựa được tái sinh bằng dung dịch natri hydro sunfite5%

4.3 Ứng dụng của quá trình trao đổi ion trong xử lý nước

4.3.1 Làm mềm nước

 Một loại nhựa trao đổi cation có tính axit mạnh được sử dụng ở dạng Natri.Các ion hình thành độ cứng của nước như Canxi, Magie được trao đổi vớicác ion Natri của nhựa

 Nước được làm mềm có thể được sử dụng cho một số mục đích:

 Nước sinh hoạt

- Chất lượng nước sau khi xử lý:

 Độ cứng còn lại <0,02 meq/l ( 1mg/l CaCO3) với tái sinh dòng chảyngược