Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion

Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion” đã được tiến hành nghiên cứu nhằm góp phần cung cấp cơ sở thực tiễn để lực chọn phương pháp xử lý kim lo

LỜI MỞ ĐẦU

Nước thải sản xuất từ các ngành công nghiệp, đặc biệt là nước thải củacác ngành công nghiệp luyện kim, khai khoáng, hoá chất, gia công và chế biếnkim loại thường chứa nhiều kim loại như: Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, pb, Cd, Hg, Cu, Hầu hết các kim loại này tồn tại trong nước dưới dạng ion, khác với chất thảihữu cơ có thể tự phân huỷ trong đa số trường hợp Các kim loại nặng khi đãphóng thích vào môi trường sẽ tồn tại lâu dài Nếu kim loại trong nước thảikhông được xử lý thì tuỳ thuộc vào nguồn thải, hàm lượng chúng sẽ gây độc cho

hệ sinh thái của nguồn tiếp nhận ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sứckhoẻ con người, qua tích luỹ sinh học chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗithức ăn vào cơ thể con người gây ra một số bệnh nguy hiểm đe doạ cuộc sốngcủa con người

Khác với các kim loại khác Fe và Mn ngoài sự tồn tại trong nước thảicông nghiệp luyện kim, khai khoáng còn có mặt nhiều hơn trong nước ngầm.gây nguy hại cho đối tượng sử dụng nước, và ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạtcủa con người Như đóng cặn trong đường ống, gây mùi tanh khó chịu, vàng ố

thực tế Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương

pháp trao đổi ion” đã được tiến hành nghiên cứu nhằm góp phần cung cấp cơ sở

thực tiễn để lực chọn phương pháp xử lý kim loại trong nước, đồng thời gópphần bảo vệ môi trường

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Sắt và mangan trong nước

Cả sắt và mangan đều gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước Đặc biệt

là đối với nguồn nước ngầm Một số nguồn nước ngầm không chứa sắt vàmangan nhưng một số khác lại luôn chứa lượng đáng kể

1.1.1 Trong nước ngầm [7]

1.1.1.1 Sắt (Fe) trong nước ngầm

Trong thiên nhiên sắt tồn tại trong các loại khoáng và quặng ở vỏ trái đấtnhư pirit, xederit, pioxen, anfibon, manhetit, diotit, hematit Khi các khoáng này

bị phong hóa, một lượng Fe sẽ giải phóng và chuyển hóa vào trong nước ngầm ởdạng Fe2+ và Fe3+, sắt (II) thường không bền trong không khí khi có mặt ôxy nórất dẽ bị ôxy hóa và tạo thành sắt (III) hydrat Ôxit sắt thường có nhiều trongnước ngầm tầng trên và thường tồn tại ở dạng keo

Hàm lượng của sắt có trong nước phụ thuộc vào nguồn nước chảy qua,

độ pH sự có mặt của một số chất như CO32-, CO2, O2 và các hợp chất hữu cơ tantrong nước

Hàm lượng Fe trong nước ngầm rất khác nhau tùy theo địa chất từngvùng, thường trong khoảng từ 0,5 - 50 mg/l

Khi nước ngầm tiếp xúc với khoáng vật chứa sắt sẽ hòa tan sắt Môitrường yếm khí mang tính khử, nên phần lớn sắt trong nước ngầm tồn tại dướidạng Fe2+ tan của các muối bicacbonnat, sunfat, clorua Trạng thái phổ biến nhấtcủa Fe trong nước ngầm là Fe(HCO3)2, tan khá tốt trong nước, đôi khi dưới dạngkeo của axit humic

Nước ngầm thiếu ôxy có thể chứa 5 - 7 mg /l Fe2+ vẫn trong và không cómùi, khi tiếp xúc với ôxy (không khí) Fe (II) lập tức bị ôxy hóa tạo thành Fe(III) hydroxit (Fe(OH)3) chất khó tan có màu vàng nhạt

Hình 1 1 Chu trình sắt trong tự nhiên

Trong nước ngầm, đặc biệt là nguồn nước nguồn ở khu vực có dầu mỏkhoáng hoặc gần khu công nghiệp nặng thì hàm lượng sắt rất cao Có thể đến vàichục đến vài trăm mg/l hoặc hơn thế

1.1.1.2 Mangan (Mn) trong nước ngầm

Trong nước Mn tồn tại ở hai dạng tan và không tan Ở dạng tan Mn tồn tạidưới dạng cation Mn2+ còn ở dạng không tan Mn tồn tại dưới dạng kết tủahydroxit

Mangan cũng là nguyên tố hay gặp trong nước ngầm, thường cùng tồn tạivới sắt Trong đất đá chúng thường ở dạng ít tan, được chuyển thành dạng tan dophản ứng khử hoặc vi sinh vật thâm nhập vào nước Về tính chất hoá học chúng

có nhiều điểm tương đồng với sắt: oxi hoá với oxi, tạo kết tủa

Khi mạch nước ngầm chảy qua vùng có các mỏ khoáng vật hay vùng bị ônhiễm bởi các nguồn nước thải công nghiệp trên bề mặt thì hàm lượng Mn hòatan vào nước sẽ tăng lên làm biến đổi chất lượng nước ngầm

Bụi

Sông

Hoà tan sắt (Dạng huyền phù)

thủy phân kim loại, polime hóa, tạo các phức chất, Do vậy kim loại nặng trongnước đều tồn tại ở dạng ion đơn hoặc ion phức

Sắt trong nước thải có nguồn gốc từ các ngành công nghiệp: luyện kim,chế tạo máy Nguồn địa chất thiên nhiên, trong các khoáng vật

Mangan trong nước thải có nguồn gốc từ các ngành công nghiệp Chấtthải công nghiệp, luyện kim đen, luyện kim màu, sản xuất pin khô, phân bónthuốc diệt nấm

Kim loại nặng trong nước thải không được xử lý dẫn đến ô nhiễm nướctrầm trọng điển hình là Thành Phố Thái Nguyên Tổng lượng nước thải từ luyệnkim, cán thép, chế tạo máy trên địa bàn mỗi ngày Thái Nguyên thải ra sông Cầu16.000 m3 Ước tính mỗi năm công tuy gang thép Thái Nguyên thải ra sông Cầu1,3 triệu m3 nước có nhiễm các chất dầu mỡ, phenol, xianua, kim loại nặng như

Trong đó hàm lượng Fe và Mn tăng lên đáng kể ở đợt lấy mẫu vào tháng

6, hàm lượng sắt Fe vượt TCCP 10,75 lần, hàm lương Mn vượt TCCP 5,11 lần.điều này chứng tỏ sự ô nhiễm kim loại trong nước ở lưu vực sông Cầu là đángbáo động

1.2 Sự ảnh hưởng của sắt và mangan tới sức khoẻ sinh vật và con người 1.2.1 Sự ảnh hưởng của sắt [2], [7]

Sắt là một nguyên tố gây ô nhiễm nước ngầm phổ biến nhất Đó là do cáctầng trữ nước trong lòng đất ở điều kiện có hoạt động của vi sinh vật yếm khísinh ra CO2, làm cho nước thường có pH < 7

Fe rất cần thiết cho cơ thể, lượng Fe cần thiết cho cơ thể phụ thuộc vào:tuổi tác, giới tính, trung bình khoảng 10 - 50 mg/ngày Để hạn chế sự tích lũy

trong cơ thể, mức sử dụng của cơ thể được xác định là 0,8 mg/kg trong ngày,lượng Fe được tính cho tất cả từ các nguồn: thức ăn, nước uống là đóng gópkhoảng 10 % tức là khoảng 20 mg/l sẽ không gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe

Fe kết tủa ở dạng hydroxit Fe (III) gây ố bẩn quần áo khi giặt và các dụng

cụ trong gia đình với nồng độ > 0,3 mg/l Mùi và vị của Fe hầu như không cảmnhận được ở mức < 0,3 mg/l, nồng độ 1- 3 mg/l trong nước yếm khí có thể chấpnhận cho một mức sinh hoạt về phương diện độc hại Tuy vậy về cảm quan thìyêu cầu nồng độ thấp hơn Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của các nước EU là 0,2mg/l, của WHO là 0,3 mg/l, Việt Nam là < 0,3 mg/l

1.2.2 Sự ảnh hưởng của mangan [2]

Mn là nguyên tố vi lượng của cơ thể động vật và cây trồng Lượng cầnthiết cho cơ thể là 30 đến 50.10-6 g / kg thể trọng và phụ thuộc nhiều vào các yếutố: dạng tồn tại, sự có mặt đồng thời của các kim loại khác như sắt và đồng Trẻ

áo cụ sinh hoạt, kết tủa dưới dạng hyđroxit đóng cặn đường ống

1.3 Các phương pháp xử lý sắt và mangan trong nước[3]

1.3.1.1 Xử lý sắt bằng phương pháp làm thoáng

Thực chất của phương pháp này là làm giàu oxi trong nước, tạo điều kiện

để Fe2+ oxi hoá thành Fe3+, sau đó Fe3+ thực hiện quá trình thuỷ phân để tạothành hợp chất ít tan Fe(OH)3, rồi dùng bể lọc để giữ lại Làm thoáng có thể là:làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo Sau khi làm thoáng quá trình oxihoá Fe2+ và thuỷ phân Fe3+có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạthay môi trường xúc tác

do.

Trong nước Fe tồn tại dưới dạng Fe2+ Nếu trong nước có oxi hoà tan, quátrình oxi hoá và thuỷ phân diễn ra như sau:

4Fe2+ + O2 + 10H2O = 4Fe(OH) + 8H+ (1.1) Đồng thời xảy ra phản ứng phụ

Quá trình làm thoáng như vậy, sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọcmột lớp màng Lớp màng này có cấu tạo từ các hợp chất Fe như: Fe2+, Fe3+,Fe(OH)2, Fe(OH)3.

mangan.

Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxi hoá Fe2+

thành Fe3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp (pH < 5) Các phản ứng tại lớpmàng xảy ra như sau:

MnOMn2O7 + 4 Fe(HCO3)2 +2H2O = 3MnO2 + 4 Fe(OH)3 +8CO2 (1.3)3MnO2 + O2 = MnOMn2O7 (1.4)Dưới tác dụng của lớp màng MnOMn2O7 khi có hợp chất Fe2+ đi qua,MnOMn2O7 sẽ làm chất xúc tác, kết thúc phản ứng MnOMn2O7 lại được hìnhthành, nên lớp màng càng dày, quá trình phản ứng xảy ra càng nhanh Trong quátrình sử dụng, lớp màng tăng lên đến một giới hạn nhất định thì phải bỏ lớpmàng đi để thay thế

So sánh với phương pháp xử lý Fe bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxihoá mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn (pH < 6) Nếutrong nước có tồn tại các hợp chất như: H2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởngđến quá trình khử Fe

b Xử lý Fe bằng vôi

Phương pháp xử lý Fe bằng vôi thường không đứng độc lập, mà kết hợpvới các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mền nước Khi cho vôi vào nước,quá trình khử Fe xảy ra theo 2 thường hợp:

 Trường hợp nước có oxi hoà tan: Vôi được coi như chất xúc tác, phảnứng khử Fe diễn ra như sau:

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 = 4Fe(OH)3 + 4 Ca(HCO3)2 (1.7)

Fe(OH)3 được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàntoàn trong bể lọc

 Trường hợp nước không có oxi hoà tan: Khi cho vôi vào nước phảnứng diễn ra như sau:

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 = FeCO3 + CaCO3 + H2O (1.8)

Fe được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt

1.3.1.3 Xử lý Fe bằng các phương pháp khác

a Xử lý Fe bằng điện phân

Dùng các cực âm bằng Fe, Al, cùng các cực dương bằng Cu, pt hay Cu

mạ kền và dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho tấm điện cực phẳng

b Xử lý Fe bằng phương pháp vi sinh vật

Cấy các mầm khuẩn Fe trong lớp cát lọc của bể lọc Thông qua hoạt độngcủa các vi khuẩn, Fe được loại bỏ ra khỏi nước

c Xử lý sắt bằng trao đổi cationit

Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion Các ion H+ và

Na+ có trong thành phần của lớp vật lọc, sẽ trao đổi với các ion Fe2+ trong nước.Kết quả Fe2+ bị giữ lại trong lớp vật liệu lọc Lớp vật liệu lọc có khả năng traođổi ion gọi là cationit, thường được sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ởdạng hoà tan

2KNa + Fe(HCO3)2 K2Fe + 2NaHCO3 (1.9)

2KH + Fe(HCO3)2 K2Fe + H2CO3 (1.10)

Cationit có thể được tái sinh bằng HCl, NaCl

NaCl + K2Fe KNa + FeCl2 (1.11) HCl + K2Fe KH + FeCl2 (1.12)

Cùng với quá trình này, các ion Ca2+, Mg2+ cũng tham gia vào quá trìnhtrao đổi Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao, thường dùng với việckết hợp làm mềm nước

1.3.2 Các phương pháp xử lý mangan

Trong thực tế, việc xử lý mangan trong nước thường được tiến hành đồngthời với xử lý sắt

1.3.2.1 Xử lý mangan bằng phương pháp làm thoáng

Công nghệ xử lý mangan bằng phương pháp làm tháng cũng bao gồm cáccông đoạn tương tự như sắt: làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc Trong quá trình lọc,lớp vật liệu lọc được phủ 1 lớp Mn(OH)4 tích điện âm, lớp hyđroxit mangan này

có tác dụng như chất xúc tác hấp phụ Mn2+ và ôxy hoá chúng Cũng do quá trìnhôxy hoá mangan diễn ra chậm hơn sắt, nên trong bể lọc phải có bề dày 1,2 –1,5m

mangan trên bề mặt hạt vật liệu lọc Lớp màng này có tác dụng xúc tác quá trìnhkhử mangan.

1.4 Phương pháp trao đổi ion [4]

Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để táchkim loại nặng ra khỏi nước thải Nhựa trao đổi ion có thể được tổng hợp từ cácnhóm vô cơ hay hữu cơ có gắn các nhóm như (-SO3H), (-COO-), amin… Cáccation và anion được hấp thụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion:

nRH + Men+ RnMe + nH+ (1.13)RCL + A RA + Cl- (1.14)

1.4.1 Cơ sở của quá trình trao đổi ion.

Phương pháp này lợi dụng khả năng trao đổi ion của một số chất cao phân

tử thiên nhiên hoặc nhân tạo gọi là ionit Đó là sự dịch chuyển thuận nghịch cácion giữa pha nước và pha rắn Những hợp chất có khả năng trao đổi cation gọi làcationit, những hợp chất có khả năng trao đổi anion là anionit

Trao đổi ion là một quá trình gồm hai phần ứng dụng của cùng một côngnghệ Một là làm mềm nước, đây là quá trình di chuyển các ion trong nước vàthay thế chúng bằng các ion Na+ và Cl-, công dụng thông thường nhất là làmgiảm độ cứng của nước hoặc tái sử dụng lại phế thải trong nước Nó làm giảmcác cặn bẩn trong nước Ứng dụng thứ hai là đề ion hóa Trong quá trình này cácion trong nước được di chuyển và thay thế bởi ion H+ và OH-, hai loại ion này cóthể tạo nên cấu trúc của nước

Quá trình làm việc như sau: các nhựa trao đổi ion (những hạt nhỏ có sốlượng thích hợp) được bao bên ngoài bởi các ion chiếm chỗ Trong trường hợplàm mềm nước các hạt nhựa được bao bởi Na+ và Cl- Trong trường hợp đề ionhóa chúng được bao bọc bởi OH- và H+ Nước chảy từ trên bề mặt hạt nhựa, cácion trong nước được di chuyển sang (hút sang) nhựa, các ion trong nước tựchúng cũng di chuyển sang nhựa

1.4.2 Cơ chế trao đổi.

Trong quá trình trao đổi ion xảy ra sự trao đổi ở bề mặt nhựa trao đổi.Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật cân bằng tỉ lượng: mỗi ion dời bề mặtphải được thay thế bởi một ion khác Lượng ion chuyển đến bề mặt và tách khỏi

bề mặt bằng nhau Gần bề mặt nhựa trao đổi, sự vận chuyển xẩy ra thông quaquá trình khuếch tán Quá trình khuếch tán này chịu ảnh hưởng bởi tương táctĩnh điện giữa các ion chuyển động với những ion trái dấu với chúng Quá trìnhtrao đổi tại bề mặt thường xảy ra rất nhanh và không hạn chế vận tốc của quátrình trao đổi

Có nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế trao đổi ion Song quá trình này

có thể xem như gồm những giai đoạn sau:

1 Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài củalớp biên giới màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion

2 Khuếch tán ion qua lớp biên giới

3 Chuyển ion đã qua lớp biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi

4 Khuếch tán ion A bên trong hạy nhựa trao đổi tới các nhóm chứcnăng trao đổi ion

5 Phản ứng hóa trao đổi ion A và B

6 Khuếch tán các ion B trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha

7 Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màngchất lỏng

8 Khuếch tán các ion B qua màng

9 Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng

Tốc độ quá trình trao đổi được quyết định bởi quá trình chậm nhất trongcác giai đọan trên Đó là quá trình khuếch tán trong màng chất lỏng hay khuếchtán trong hạt trao đổi, còn quá trình phản ứng hóa học trao đổi ion xảy ra rấtnhanh

1.4.3 Vật liệu trao đổi ion [4]

Các loại vật liệu trao đổi ion được phân thành nhiều loại phụ thuộc vàocác ứng dụng khác nhau.

Các loại vật liệu vô cơ được sử dụng khi yêu cầu về độ tinh khiết khôngcao

Để cải thiện độ bền vật lý của hạy nhựa, phương pháp gắn các lại vật liệutrao đổi ion vào một loại vật liệu khác (có thể vô cơ hoặc hữu cơ) được nghiêncứu và phát triển mạnh

Vật liệu trao đổi cần: độ bền hoá học, độ hoà tan thấp, chi phí thấp

1.4.3.1 Vật liệu tự nhiên

a Loại vô cơ.

Nhiều khoáng vô cơ trong thiên nhiên được sử dụng: Sét (bentotnite,kaolinite, illite), mica và zeolit (như analcite, chabazite, sodalite vàclinoptilolite) có tính chất trao đổi ion Trong đó zeolit là vật liệu được sử dụngđầu tiên trong công nghệ trao đổi ion

Các loại aluminosilicate tự nhiên cũng được thường sử dụng trong xử lýnước thải Nó hoạt động như là vật kiệu trao đổi ion và chất lọc đặc biệt

Sét và zeolite thiên nhiên tuy được thay thế dần bởi các loại vật liệu tổnghợp xong nó vẫn được dùng trong một số ứng dụng nào đấy do rẻ và sẵn cótrong thiên nhiên Một số nhược điểm của loại vật liệu này:

- Dung lượng trao đổi thấp

- Bền cơ thấp

- Kích thước lỗ xốp không khống chế được

- Các hạt sét có khuynh hướng tạo thành các hạt keo

- Khó gia công đúng kích thước theo yêu cầu

- Có thể bị phân huỷ trong môi trường axit hoặc kiềm

b Loại hữu cơ

Một lượng lớn các chất hữu cơ có tính chất trao đổi ion như:polysaccharides (cellulose, algic acid, rơm, than bùn), proteins (như casein,keratin và collegen) và các loại than (như than bùn, than nâu) Mặc dù dunglượng hoạt động của các loại vật liệu này thấp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi

do giá thành thấp Các nhược điểm chính của loại vật liệu này:

- Dung lượng trao đổi thấp so với các loại vật liệu khác

1.4.3.2 Vật liệu tổng hợp

a Vật liệu vô cơ tổng hợp

 Zeolites

Là loại vật liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng trên một quy mô lớn,

tách chất ô nhiễm phóng xạ trên một quy mô lớn Zeolite là loại vật liệu trên cơ

sở là aluminosilicate có thể tổng hợp dưới dạng bôt, hạt hoặc viên

Ưu điểm của loại này là có thể thay đổi tính chất hoá học trong mộtkhoảng rộng kích thước lỗ xốp được không chế, bền nhiệt

Nhược điểm:

- Chi phí cao hơn so với loại có sẵn trong thiên nhiên

- Bền hoá học, bền trong các môi trường pH khắc nghiệt kém.

- Dễ nứt, bền cơ học kém

Độ chọn lọc và dung lượng chọn lọc của zeolite có thể phù hợp với cáccông nghệ có độ muối thấp Nếu trong dòng thải có mặt các ion khác, các tâmhoạt động của zolite bị các ion này chiếm giữ do đó sẽ giảm dung lượng hoạtđộng

 Các hợp chất của Ti, Si –Ti

Trong nhiều năm qua, ôxy và hydro ôxy của Ti được biết đến khả năngtách loại ion trong dung dịch Năm 1955 ở UK và sau đó là Đức và Nhật sửdụng HTiO để tách uranium trong nước biển với quy mô lớn Các nhiên cứu tiếptheo chỉ ra rằng loại vật liệu này cũng có ái lực rất mạnh với ion kim loạiactinium (Ac), Sr và với các ion có điện tích +2

 Hexacyanoferrates của kim loại chuyển tiếp

Trong nhiều thập kỷ qua, hợp chất này được biết như là chất có thể tách

Ce trong dung dịch

b Vật liệu hữu cơ tổng hợp

Nhóm lớn nhất trong loại vật liệu này là nhựa trao đổi ion dạng bột (5

-150m) hay dạng hạt (0,5 – 2 mm) Mạch hydrocarbon phân bố ngẫu nhiên tạonên một mạng lưới rất linh động Trên mạch này có mang các điện tích cố địnhtrên các vị trí khác nhau Nhựa không tan do có các liên kết nối ngang Lượngnối ngang sẽ ảnh hưởng đến kích tthước của hạt nhựa qua sàng, khả năngtrương, vận chuyển của các ion linh động, độ cứng và độ bền cơ học Lượng nốingang lớn, sẽ làm tăng độ cứng của nhựa, tăng độ bền cơ, ít lỗ xốp và ít trươngtrong dung môi

Khi vật liệu này ngâm trong dung môi hoặc trong nước, nó sẽ trương lên.Mức độ trương phụ thuộc vào đặc tính của cả dung môi và chính vật liệu, nó ảnhhưởng bởi các yếu tố sau: độ phân cực của dung môi, độ liên kết ngang, dung

lượng trao đổi, độ solvat hoá mạnh hay yếu của nhóm cố định, kích thước solvatcủa các ion trao đổi, nồng độ dung dịch.

Ưu điểm nổi bật của loại vật liệu này: Dung lượng trao đổi lớn, áp suấtrộng rãi, đa lĩnh vực, chi phí khá rẻ so với một vài loại vô cơ tổng hợp khác

Các lại nhựa chính trong nhóm này là:

 Polystyrene divinylbezene

Là sản phẩm copolymer của styrene và DVB Độ nối ngang được quyếtđịnh bởi lượng DVB Nồng độ DVB thấp sẽ làm cho nhựa mềm, khả năngtrương rất mạnh trong các dung môi Các nhóm chức cố định (nhóm đặc trưng)được gắn vào trong mạng lưới mạch polymer để tạo nên khả năng trao đổi ion

Ví dụ như nhóm – SO3H, thường từ 8 đến 10 nhóm cho vòng benzene H+ sẽ làion linh động (hay ion đối – counter ion) sẽ tham gia trao đổi với các cationtrong dung dịch Khi gắn các nhóm – NH3+ hay –N2+ trong mạch polymer, nhựatrao đổi anion được tạo ra, các ion đối sẽ là OH- , Cl-

 Phenolic

Là sản phẩm trùng ngưng của phenol và formaldehyde với nhóm OH- lànhóm đặc trưng, cố định trong mạch polymer, là loại nhựa trao đổi cation acidyếu Để tăng cường độ acid cho nhựa, nhóm –SO3H được gắn vào nhựa Nhưvậy nhựa sẽ có hai chức năng – chứa cả nhóm acid mạnh – SO3H và nhóm acidyếu –OH

Sản phẩm đa trùng ngưng (polycondesnation) của resorcinol –formaldehyde được sử dụng rộng rãi ở Ấn Độ để tách Cs

Cũng có thể gắn thêm nhóm phosphoric acid vào mạch polymer để tăngkhả năng làm việc của nhựa

 Arylic

Là nhựa trao đổi ion acid yếu, có nhóm – COOH trong mạch Là sảnphẩm copolymer của acrylic hay metharcylic acid với DVB Nhóm –COOH cókhả năng tách muối thấp nhưng trong môi trường kiềm nó có ái lực mạnh với

Ca2+ và các ion tương tự khác Các nhóm acid khác có thể gắn vào nhựa như

PO32-, PO33-, HPO2-

1.4.3.3 Vật liệu composite

Là loại vật liệu kết hợp với một hay nhiều vật liệu trao đổi ion với các loạivật liệu khác Tạo ra các composite này sẽ làm tăng độ bền để có thể sử dụngtrong cột Zeolite tạo ra ở dạng hạt trên chất mang là aluminium oxide Một loạikhác được biết đến là phủ cupric ferric haxacyanoferrate trên sợi polyacrylic.Vật liệu này sử dụng để tách nước thải phóng xạ trong nhà máy nguyên tử

Một loại composite khác là sự kết hợp vật liệu trao đổi vô cơ với magnetic

Fe3O4 Do vậy sẽ dễ dàng tách loại ra khi đã bão hoà nhờ từ trường Loại vật liệunày đã trở thành thương phẩm

1.4.3.4 Màng trao đổi ion

Có hai loại màng trao đổi: Đồng nhất (homogeneous) và không đồng nhất(heterogeneous)

Màng không đồng nhất được tổng hợp bằng cách phân tán các loại vậtliệu trao đổi (dạng hạt keo hoặc hạt rất mịn) trong nhựa nhiệt dẻo polyethylene,polystyrene hay cao su tổng hợp Sau đó đem dán, ép hoặc đùn để tạo ra cáchình dạng khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng (dạng tấm, đĩa, băng, dài).Khi các hạt này bong ra khỏi màng, độ bền cơ học của màng sẽ rất thấp Thườngthì hạt sẽ chiếm 50 – 70 % trong thể tích màng

Màng đồng nhất là sản phẩm trùng ngưng của sulphonated phenol vàformaldehyde trong môi trường acid hay kiềm mạnh và được rát lên thuỷ ngânhoặc tấm bền acid Các thương phẩm được tổng hợp bằng: bay hơi dung dịchđiện ly cao phân tử Mặc dù không có lối ngang nhưng màng không tan trongnước Trong phương pháp polymer gắn kết bằng phóng xạ gamma dùng để gắnatyrenen hay styrene DVB lên màng polyethylene

Nhược điểm của loại màng trao đổi: giá thành cao, độ bền cơ học hạn chế,trở kháng cao khi nồng độ dịch điện ly thấp, thẩm thấu cao

1.4.4 Tính năng chất trao đổi ion [4]

- Tính vật lý: Hình dạng bên ngoài nhựa trao đổi ion là một loại vật chấttrong suốt Mỗi loại nhựa có thành phần khác nhau Nhựa trao đổi ion sử dụngtrong thực tế thường ở dạng viên tròn

- Cỡ hạt: Cỡ hạt của nhựa ảnh hưởng tương đối lớn đối với quá trình xử

lý nước Hạt lớn tốc độ trao đổi chậm, ngược lại hạt nhỏ tổn thất áp suất củanước thông qua hạt nhựa lớn Nên cỡ hạt chênh lệch nhau nhiều thì không có lợicho quá trình xử lý nước

- Tỉ trọng được chia làm ba loại: Đó là tỉ trọng khô, tỉ trọng ẩm, và tỉtrọng biểu kiến

 Tỉ trọng khô: Là tỉ trọng của bản thân nhựa ở trạng thái khô

 Tỉ trọng ẩm: Là tỉ trọng của nhựa ở trạng thái ẩm

 Tỉ trọng biểu kiến: Là tỉ trọng xếp đống sau khi nhựa trương nở

sử dụng nhựa hệ số ngậm nước biến đổi thì có thể nhựa đã bị hỏng

- Hệ số trương nở: Nhựa trao đổi ion ngậm trong nước sẽ nở ra, sựtrương nở có liên quan với độ liên kết của khung nhựa và các nhóm hoạt động,dung lượng trao đổi, tính năng trao đổi và tái sinh nhựa cũng sinh ra hiện tượngdãn nở và co lại, qua nhiều lần co dãn nhựa sẽ bị vỡ

- Tính chịu nhiệt: Các loại nhựa bị ảnh hưởng của nhiệt độ đều có giớihạn nhất định Vượt quá nhiêt độ này chúng bị phân giải rất nghiêm trọng vàkhông sử dụng tiếp được nữa Nhựa cation có thể chịu được nhiệt độ khoảng

100oC, nhựa anionit tính kiềm mạnh chịu được nhiệt độ khoảng 60oC, loại nhựa

có tính kiềm yếu chịu nhiệt độ khoảng 80oC

- Tính năng hóa học

+ Tính thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion: Phản ứng trao đổi ion cótính thuận nghịch

2RH + Ca2+ CaR2 + 2H+ (1.18)Sau khi phản ứng thuận nghịch đạt cân bằng muốn khôi phục lại năng lựctrao đổi ion có thể lợi dụng tính thuận nghịch của phản ứng (1.18) để khôi phụclại tính năng trao đổi Đây là tính năng quan trọng của chất trao đổi ion để có thể

sử dụng nó lặp đi lặp lại nhiều lần

- Tính chọn lọc của chất trao đổi ion: Nhựa trao đổi ion có ái lực khácnhau với loại ion khác nhau trong nước Các ion có điện tích lớn có khả năngtrao đổi tốt hơn Hiện tượng này là tính chọn lọc của nhựa trao đổi ion

- Dung lượng trao đổi ion: Biểu thị lượng ion có thể trao đổi trong mộtloại chất trao đổi ion Đó là một chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng của chất trao đổiion Có hai phương pháp biểu thị dung lượng trao đổi: Biểu thị theo khối lượngmđlg/ l và biểu thị theo thể tích mđlg/m3

Dung lượng trao đổi thường dùng có các loại sau:

+ Tổng dung lượng trao đổi E: Sau khi đem toàn bộ gốc hoạt tínhtrong chất trao đổi sinh thành ion có thể trao đổi Dung lượng trao đổi này chủyếu dùng để nghiên cứu chất trao đổi ion

+ Dung lượng trao đổi cân bằng B: sau khi tái sinh hoàn toàn chất traođổi thì dung lượng trao đổi của nó tác dụng với dung dịch nước có thành phầnnhất định, trong trạng thái cân bằng gọi là dung lượng trao đổi cân bằng Chỉtiêu này biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi

+ Dung lượng trao đổi làm việc: Là dung lượng trao đổi xác định đượcdưới điều kiện vận hành thực tế Dung lượng trao đổi làm việc và điều kiện vậnhành thực tế có mối quan hệ rất mật thiết Tổng hàm lượng các muối hòa tantrong nước, thành phần của chúng, chiều dày của lớp nhựa, vận tốc nước vậnhành, nhiệt độ nước, phương thức tái sinh, loại hóa chất dùng tái sinh, độ thuần

khiết hóa học của chất tái sinh… Đều ảnh hưởng đến dung lượng làm việc củanhựa.

1.4.5 Tái sinh nhựa

Nhựa trao đổi ion được sử dụng triệt để khi toàn bộ các ion chiếm chỗthay thế, thì nhựa được làm mới lại, hay còn gọi là tái sinh lại nhựa Dung dịchtái sinh nhựa sẽ được đi qua bề mặt nhựa để loại bỏ các ion từ nước và tái sinhlại nhựa Dung dịch để tái sinh vật liệu làm mềm nước là nước muối cô đặc còngọi là “Brine” (nước muối hoặc nước biển) Có hai loại dung dịch được sử dụng

để tái sinh vật liệu đề ion hóa Một là axit đặc và loại khác là bazơ đặc

1.4.6 Ưu điểm của phương pháp

Hấp thụ và trao đổi ion là các phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tantrực tiếp trong nước, chúng được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước nhờ các ưuđiểm chính sau:

- Là hiện tượng khá phổ biến trong tự nhiên và trong sản xuấtcông nghiệp

- Có khả năng làm sạch ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ vềchất lượng

- Có rất nhiều khả năng lựa chọn do tính phong phú của chất hấpthụ, chất trao đổi ion (chất hấp thụ và trao đổi ion thương mại có

số lượng lên tới vài trăm loại)

- Có khả năng tái sinh sử dụng nhiều lần

- Thu hồi một số chất để tái sử dụng

- Thiết kế, sử dụng, vận hành tương đối thuận lợi, giá thành hạ

CHƯƠNG 2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài xử lý kim loại trong nước là dung dịchmẫu giả pha các nồng độ kim loại Fe3+, Mn2+ khác nhau 20, 30, 40, 50 mg/l

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng nhựa đến hiệu suất trao đổi của

Fe và Mn

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trao đổi của Fe vàMn

- Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất trao đổi của Fe và Mn

- Khảo sát khả năng tái sinh nhựa bằng dung dịch acid H2SO4

- Khảo sát khả năng xử lý của nhựa tái sinh lần một

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm

- Giá trị pH đo bằng máy đo pH Mettler, với độ chính sác 10-2

- Hàm lượng sắt được phân tích trong nước bằng phương pháp trắcquang dùng thuốc thử thioxianat Cơ sở của phương pháp là ôxy hóa toàn bộ sắt

có trong mẫu nước thành sắt (III) Trong môi trường axit tạo được với ion SCN

-phức chất mầu đỏ Một số cation như đồng, coban cản trở phản ứng này, songnhững ion này trong nước là rất ít

- Hàm lượng mangan được phân tích trong nước bằng phương pháp trắcquang (so màu) khi trong môi trường axit mangan sẽ bị ôxy hóa thành Mn+7 bởichất ôxy hóa mạnh là amonipesufat ( (NH3)2S2O8) tạo phức có màu tím

2.4.2 Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu được thống kê và xử lý theo phần mềm Microsoft Excel 2003

Đồ thị được vẽ bằng phần mềm Origin 6.0

2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số tới quá trình trao đổi

Nhựa trao đổi cation trước khi vào hoạt động thì nhựa phải được hoạt hóaqua đêm bằng dung dịch HCl 1M theo tỉ lệ 1g: 50ml ở nhiệt độ thường Sau đónhựa được rửa nhiều lần bằng nước đến khi không phát hiện ion Cl- trong nướcrửa (kiểm tra bằng Ag do dễ phản ứng với Cl-), sấy khô ở 80 oC đến khối lượngkhông đổi

 Khảo sát khối lượng nhựa tới hiệu suất trao đổi

Đối với thực nghiệm xác định ảnh hưởng của khối lượng nhựa tới hiệusuất trao đổi ta tiến hành như sau:

- Khảo sát với nồng độ Fe3+ là 20 mg/l:

+ Lấy 4 bình tam giác 100ml, có chứa 30 ml dung dịch Fe3+ đã được điềuchỉnh pH ban đầu bằng dung dịch NaOH và HNO3 và mỗi bình chứa 0,1; 0,15;0,2; 0,25 g nhựa đã được hoạt hoá

+ Mẫu được khuấy với tốc độ 150 vòng / phút

+ Ở nhiệt độ phòng

+ Thời gian trao đổi 4h