CHUYÊN ĐỀ Quá Trình Trao Đổi Ion

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 cấ

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

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

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

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

- 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

- 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

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

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

- 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

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)

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

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

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

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)