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

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 – 2005202040Huỳnh 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 liền

với 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

- Chất trao đổi ion là hợp chất cao phân tử, không tan trong nước, có khả năng giải 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 có tính 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 phổ biến

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 môi trường

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

2(Rd2COO-Na+) + CaCl2→2(RdCOO)-Ca2+ + 2NaCl

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

 R-SO3(H) -Nhóm sunfonic

 R-COOH -Nhóm cacboxylic

 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 trongdung dịch Những nhóm hoạt động tiêu biểu của chất trao đổi ion âm là:

5TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

- Nhóm ion của chất trao đổi có liên quan đến tính chất kiềm và acid Chất trao đổiion khi tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vào bên trong , dẫn đến sự phân ly chất hoạtđộng :

RSO3H → R-SO3- + H+

- SO3- gắn chặt vào lóp lưới có thể chuyển động nhưng không rời vị trí của mình,ngược lại ion H+ có thể chuyển động tự do bên trong hạt trao đổi và xoay quanh nó, và được gắn chặtbằng lực hút tĩnh điện Khi tiếp xúc với dung dịch, chất điện ly có thể xâm nhập vào mạng lưới củahạt trao đổi Nếu ion dương của chất điện ly có ái lực lớn hơn ion dương của chất trao đổi thì xảy ra

sự trao đổi ion Ion H+ của chất trao đổi ion, trao đổi với ion dương của 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 còn chưathống nhất.Trong công nghệ xử lý nước giả thuyết thích hợp nhất coi chất trao đổi ion là vật chất cócấu 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 lớp điện tích kép giống bề mặt keo Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt độnglớn nhỏ có thể phân ra: lớp hấp phụ và lớp khuếch tán Lớp ion có tính hoạt động tương đối kém bịhấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay lớp cố định, nó bao gồm lớp ionbên trong và một bộ phận ion ngược dấu

- Cạnh ngoài lớp hấp thụ, 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 sẽdiễn ra:

 Tác dụng trao đổi:

6TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trong dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau Nhưng 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

- 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 này gặp nước Bản thân của nó dùng ion của mình để trao đổi với các ion khác cùng dấu trong nước Nếu như chất trao đổi ở dạng NaR, gặp nước chứa

Ca2+ sẽ có phản ứng trao đổi như sau:

2NaR + Ca => CaR2 + 2Na => Ca2+ và Na+

 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

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 tính tạo mậtcao 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 vào bên 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:

H+ R d¿¿ ¿ +K+ ¿¿ A− ¿→¿ K+ ¿¿ R d−¿¿ +H+ ¿¿ A− ¿¿ ( loạiChất trao đổi ion âm:

R a+ OH− ¿¿ ¿ + H+ Cl− ¿¿ ¿ R a+ Cl− ¿ ¿ ¿→ R a+ Cl− ¿ ¿ ¿ + H2O ( loại Cl− ¿¿)

8

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 đường trong nước mía.

Trước khi cho nước mía vào cột ion dương cần làm lạnh khoảng 20OC để ngăn ngừa sự chuyển hoá đường Sau đó nước mía đi qua cột ion âm loại acid tự do

Chất trao đổi ion qua nhiều lần sử dụng khả năng trao đổi kém dần , cần tái sinh lại Có thể dung acid mạnh, ví dụ H2 S 04 (4-8%) tái sinh chất trao đổi ion dương Nếu lớp trao đổi có nhiều ion Ca2+ ¿ ¿ trước khi tái sinh cần cho NaCl qua lớp trao đổi để loại ion Ca2+ ¿ ¿

Nếu không cho muối NaCl thì khi cho H2 S04, CaSO4 kết tủa sẽ tạo thành và đọng lại trên bề mặt chất trao đổi

Phản ứng tái sinh chất trao đổi dương :

2(K+ R

d¿ ¿+ 2H+ S042−¿¿¿→ 2(H+ Rd− ¿ ¿ ¿) + 2K+ ¿¿ S 042− ¿ ¿

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 ảnh hưởng đến vị mặn của nước mía Dùng NH4OH lượng tái sinh tổn thất nhiềuhơn

Phản ứng tái sinh:

R a+ Cl− ¿ ¿ ¿+ OH− ¿¿ →R a+ OH− ¿¿ ¿ + Na+ Cl− ¿¿ ¿

Chất trao đổi ion sau khi qua xử lý acid và kiềm, rửa nước và đưa dung lại

Lượng nước dung để rửa gấp 7 lần trạng lượng chất trao đổi ion

Để giảm lượng tổn thất đường do chuyển hóa có thể dung cơ chế trao đổi ionhỗn hợp và nghịch đảo và dung chất trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh để

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

H 2 O Loại trao đổi thông thường

Trong quá trình tái sinh phải dung một lượng NaCl vừa tốn tiền vừa tăng lượng mật cuối Theo nghiên cứu nếu loại 10mg CaO/100g chất khô thì lượng mật cuối tăng 0.004%, nếu loại 130mg CaO/100g chất khô thì lượng mật 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 bẩn môi trường xung quanh(nước thải chứa ít đường và NaCl) Để khắc phục nhược điểm này người ta đã tìm được phương pháp tái sinh không dung NaCl 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 pháp này được dùng ở một số nước ngoài) Thường sự trao đổi ion theo hai quy trình sau:

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

Mg2+ 2(Rd)- + 2K+→ 2(K+Rd-) + Mg2+

Quy trình Moebes: nước mía trong đi qua chất trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh theo chu kỳ CO2 ở 90OC Ở đây chừng 70% ion âm được trao đổi thành 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 theo chu kỳ NH4

Phản ứng như sau:

[(K.Na)CO3 + (K,Na)A] + NH4Rd→ NH4(CO3A) + (K,Na)Rd

NH4(CO3,A) + Ca(OH)2 →NH4OH + CaCO3 + Ca2+2A

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 COOHa: hạt trao đổi với chu kỳ Na

b: hạt sau khi trao đổiDùng chất trao đổi ion có thể loại được ion Ca

trao đổi những ion hữu cơ và vô cơ dẫn đến sự hữu cơ

hấp phụ các chất keo và chất

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 citricAcid citric là một acid hữu cơ thuộc loại yếu và nó thường được tìm thấy trong các loại trái cây thuộc họ cam quýt Nó là chất bảo quản thực phẩm tự nhiên 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 anion

styrenic 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 ngọtKhử axit hóa đồ uống

Loại bỏ kim loạiLoại bỏ mùi vị hoặc mùi hôiLoại 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 ionLoại bỏ màu bằng nhựa hấp phụ

4.1.3 Whey khử khoángWhey khử khoáng (còn được gọi là whey giảm khoáng) thu được bằng cách loại 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 XútNhững 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 xyanuaTái chế các dòng nước rửa khác nhau trong các cửa hàng mạLoại 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 AldehydeNhựa 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 nướcMột 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 với các ion Natri của nhựa

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

đích: Nước sinh hoạt

Ăn uốngDệt may nướcDùng cho nồi hơi công nghiệp áp suất thấpGiặt ủi

Nhựa được sử dụng:

Hạt captain Tulsion T42Hạt Purolite C100E

Hạt Trilite MC08Hạt Dow HCR-SHạt Akualite C107E Hạt Jacobi K8

- Chất lượng nước sau khi xử lý:

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