Tiểu luận 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

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

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 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 phươngpháp tách trong nhiều quá trình Nó có ích đặc biệt trong tổng hợp hóa học, nghiêncứu 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 ioncủa nó đối với các ion tích điện tương tự chứa trong một môi trường mà nó tiếpxúc; định nghĩa này là tất cả các bao quát Đề cập đến một "chất" hơn là một hợpchất bao gồm nhiều trao đổi, một số trong số đó là sản phẩm tự nhiên mà không cómột thành phần được xác định rõ Thuật ngữ "trung bình" thừa nhận rằng trao đổiion có thể xảy ra ở cả hai dung dịch dung dịch nước và nonaqueous, trong muốinóng chảy, hoặc thậm chí tiếp xúc với hơi Định nghĩa này không giới hạn các chấtrắn, 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 baogồm 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 ionđược trao đổi có nghĩa là trao đổi phải được ion hóa, nhưng chỉ một trong số cácion trong trao đổi là hòa tan Đó ion có thể trao đổi, trong khi người kia, là khônghòa tan, có thể không làm như vậy

Các tiện ích của trao đổi ion thuộc về khả năng sử dụng và tái sử dụng cácvật 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 bỏcanxi 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 trởlại mẫu natri, do đó, nó đã sẵn sàng cho một chu kỳ Các phản ứng tái sinh có thểđảo ngược; trao đổi ion là không thay đổi vĩnh viễn Hàng triệu lít nước có thểđược làm mềm trong một mét khối nhựa trong suốt một thời gian hoạt động trongnhiều năm

Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng đểkhử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và cácion 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 rakhỏi 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 Phươngpháp 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 tựnhiên và sau đó tổng hợp zeolit Than gỗ hoạt tính, được phát triển để xử lý nướccông nghiệp, là nguyên liệu trao đổi ion đầu tiên đã ổn định ở mức pH thấp Sự rađời của nhựa trao đổi ion hữu cơ tổng hợp vào năm 1935 là kết quả của sự tổnghợp các sản phẩm ngưng tụ phenolic có chứa một trong hai nhóm sulfonic hoặcamin có thể được sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược của các cation hoặc anion

• Ưu điểm:

- 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

• Hạn chế :

- Nếu trong nước tồn tại các hợp chất hữu cơ hay ion Fe3+, chúng sẽ bám dính vàocác 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

• So sánh với hấp thụ:

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 đặctrưng 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 lượngtương đương có trên hạt nhựa Trong hấp thụ mặt khác một chất tan thường đượcđưa 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 phalỏng và ion trong pha rắn Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá họcđổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (lànhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong phalỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mangcủa nhựa trao đổi Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loạiion 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 ;

- Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và tái sinh giánđoạn

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 cóthể được trao đổi với các ion khác trong dung dịch khi tiếp xúc với nó Những traođổi này diễn ra mà không có bất kỳ thay đổi vật lý của vật liệu trao đổi ion Traođổi ion giữa dung dịch acid hoặc base tạo muối không hòa tan, và điều này chophép chúng trao đổi Ngoài ra còn có các ion mang điện tích dương (trao đổication) hoặc những ion mang điện tích âm (trao đổi anion) trao đổi với các ioncùng 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 phépthông qua các cation nhưng từ chối anion, trong khi vật liệu trao đổi anion có chứanhóm mang điện dương như nhóm amino, alkyl được thế phosphine , alkyl đượcthế sulfua , vv được cố định vào các trục vật liệu và cho phép thông qua các anionnhưng 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 củaanion và nhựa trao đổi cation hoặc đi qua các dung dịch xử lý thông qua vật liệutrao đổi ion khác nhau Có một cấp khác của bộ trao đổi ion được gọi là trao đổiion chất tạo phức Nhiều ion chấp nhận cặp electron từ các ligand thiết lập kếtcộng hóa trị như liên kết Tùy thuộc vào số liên kết điều phối, ligand được gọi làmonodentate, 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 ethylenediamine 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 cácnguyên 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 gồmnhựa 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 thôngdụng 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 hainhóm sulfonic hoặc amin có thể được sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược của cáccation hoặc anion

Một loạt các nhóm chức năng đã được thêm vào sự ngưng tụ, bổ sung polymeđược sử dụng như các cấu trúc xương sống Độ xốp và kích thước hạt đã đượckiểm soát bởi điều kiện trùng hợp và thống nhất công nghệ sản xuất kích thướchạt Ổn định vật lý và hóa học đã được điều chỉnh và cải thiện Theo kết quả củanhững tiến bộ, những trao đổi vô cơ (khoáng sản, greensand và zeolit) đã được gầnnhư hoàn toàn thay thế bằng các loại nhựa ngoại trừ một số ứng dụng phân tích vàchuyên 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 traođổi 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 traođổi 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 đượctrao cho nó bằng cách xử lý hóa học đơn giản Tế bào thực vật và động vật hoạtđộng 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 tínhhoặc kiềm Các humins và axit humic được tìm thấy trong tự nhiên đất "mùn" lànhững 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 hoặcgiấy lọc cho sự phân ly trao đổi ion trên giấy Nhiều trao đổi ion đã được làm từvật liệu tự nhiên khác như gỗ, sợi, than bùn và than bằng quá trình oxy hóa vớiaxit nitric hoặc tốt hơn nữa, với axít sulfuric đậm đặc khi nhóm axit mạnhsulphonic acid, (-SO3H) được đưa vào vật liệu Quá trình thứ hai đặc biệt thànhcông hơn với than sulfonat hóa Đây có thể trao đổi trong dung dịch axit, bởi vìnhóm trao đổi chính nó bị ion hóa dưới những điều kiện này, trong khi các nhómcarboxylic và phenolic yếu là không Tất cả các tài liệu này có nhược điểm nhấtđịnh; Tuy nhiên, có xu hướng màu sắc thì đã có các giải pháp đó được xử lý, vàthuộc tính của nó khó khăn để tái tạo vì khó khăn trong việc kiểm soát xử lý mà nóđược 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 sửdụng 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 cóthể 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 nhiênđược thay đổi; ví dụ, cellulose dựa trên trao đổi cation có thể thay đổi thànhphosphate, 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 hóahọc hoặc xử lý nhiệt; ví dụ, bằng cách xử lý clinoptilolite với một dung dịch loãngcủa axit hoặc một số muối, một hình thức có chọn lọc các chất hấp thụ có thể đượcphát triển thành một hạt nhân phóng xạ đặc biệt

Tại Nhật Bản khoáng chất tự nhiên được xử lý bằng dung dịch kiềm trong điềukiện 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 strontiumthay 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 quốcgia ở Teddington, chứng minh rằng nhiều loại nhựa trao đổi ion hữu cơ có thểđược 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 khókhăn, không hòa tan nhựa polymer ngưng tụ và có thể được dễ dàng thực hiệnbằng cách nung nóng cùng phenol và formaldehyde, trong sự hiện diện của axithoặc base với việc loại bỏ nước Về cơ bản các phản ứng xảy ra trong hai giaiđoạn

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 -OHphenol axit yếu hoặc OR nhóm (hình 6)

Hình 6: polymer Cross-liên kết của phenol và formaldehyde.

Adams và Holmes đã chỉ ra rằng những trao đổi ion hydro trong dung dịchkiềm; họ cũng chuẩn bị trao đổi cation làm việc trong dung dịch axit bằng cáchđưa các nhóm axit sulphonic axit mạnh, -SO3H, vào cấu trúc Điều này đã đượcthực hiện bằng cách sulphonation sản phẩm cuối cùng hoặc bằng cách sử dụng

như nguyên liệu đầu không phải là một phenol mà là một axit phenolsulphonic,trong đó nhóm axit sulphonic đã hiện diện.

Bằng một sự sửa đổi phù hợp tổng hợp của họ, họ cũng đã có thể giới thiệu cácnhóm cơ bản xuất phát từ amin và để chuẩn bị trao đổi anion tổng hợp Lần đầutiên người ta có thể tạo vật liệu có thề kiểm soát cả hai nhựa trao đổi cation vàanion , hành vi và sự ổn định trong số đó là đáng kể trước các vật liệu khác

Cho đến khi sự phát triển của kỹ thuật hiện đại của hóa học polymer cao, nhựangưng tụ đã được sử dụng thành công Năm 1944 d'Alelio, tại Hoa Kỳ, sản xuấtvật liệu cao cấp Nhựa D'Alelio, cũng như hầu hết các con cháu của họ, dựa trênmột mạng lưới ba chiều thường xuyên hình thành bởi trùng hợp benzen styrenephái sinh (xem hình 7)

Hình 7: Styrene

Các liên kết đôi trong chuỗi bên có thể được mở và các đơn vị liên kết styrene từđầu đến cuối để cung cấp cho các chuỗi polymer (Hình 8)

Hình 10: polymer của divinyl benzen

Ở các khu vực được bao bọc bởi các đường dây bị hỏng chuỗi liên kết với nhau,

và nếu chúng ta tưởng tượng xảy ra trong ba chiều nó rất dễ dàng để thấy rằngpolymer kết quả sẽ tạo thành một mạng lưới khá thường xuyên (Hình 10) Các liênkết giữa các chuỗi được gọi là "liên kết chéo", và nhựa thông thường được đặctrưng bởi tỷ lệ divinylbenzene (DVB) được sử dụng trong chuẩn bị của nó; do đó,

2 phần trăm nhựa liên kết ngang chứa 2 phần trăm của DVB và 98 phần trăm củastyrene

D'Alelio chuẩn bị nhựa như vậy bằng cách trùng hợp nhũ tương, sử dụng chất nhũhoá phù hợp, từ đó lắng như hạt nhựa hình cầu Các polymer tự nó không làm việcnhư trao đổi ion, mà nó có thể được sunfonat hoá chỉ như thể các loại nhựa ngưng

tụ, giới thiệu các nhóm axit mạnh, như –SO3H, vào vòng benzen của polymer Cácion hydro của nhóm này sẽ trao đổi với các cation khác trong dung dịch

Luôn nhớ rằng một vòng benzen được lặp đi lặp lại nhiều lần trong suốt polymer,những bước cơ bản trong giới thiệu của các nhóm trao đổi (hoặc nhóm "chứcnăng" như họ thường được gọi là) được thể hiện trong trao đổi hình cation (a) vàtrao đổi anion (b ) (Hình 11)

Hình 11: (a) trao đổi cation; (b) trao đổi anion

Thứ hai của những phản ứng này cho một muối amoni bậc bốn, được ion hóamạnh mẽ, và được dễ dàng chuyển đổi để các cơ sở tương ứng Các anion sẵn sàngtrao đổi với các anion khác ở tất cả các giá trị pH Các cation là một phần của mộtchuỗi polymer hòa tan hoặc mạng lưới, do đó trao đổi nói chung không hòa tantrong nước

Các trao đổi ion tổng hợp như nhựa polystyrene nêu trên, tạo thành nềntảng của hầu hết các loại nhựa hiện nay với mục đích thương mại, có nhiều lợi thếhơn trao đổi hữu cơ tự nhiên trước đó:

- Phương pháp tổng hợp được hơn kiểm soát, và sản phẩm cuối cùng là thốngnhất hơn trong kích thước hạt, mức độ liên kết ngang, và nội dung của các nhómchức năng;

- Bằng cách biến đổi các yếu tố thích hợp một loạt nhiều loại sản phẩm khác nhau

có thể được chuẩn bị;

- Các sản phẩm có hình cầu, không giống như các hạt không đều hình thành khikhối rắn nhựa ngưng tụ được nghiền và sàng lọc Điều này giảm thiểu chất thải;

Ngoài ra, hạt hình cầu đóng gói thống nhất hơn vào cột hơn so với các hạt hìnhdạng bất thường Điều này ảnh hưởng đến các kiểu dòng chảy của các các giảipháp thông qua các cột và làm cho nó dễ dàng hơn để kiểm soát hành vi của mình;

- Sự ổn định vật lý và hóa học của các loại nhựa được cấp trên như của loại nhựangưng tụ

1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo:

Một vài ứng dụng quan trọng của những trao đổi ion vô cơ là:

- Ly thân các ion kim loại

- Ly các hợp chất hữu

- Loại bỏ các chất thải và ô nhiễm không khí

- Chuẩn bị các điện cực chọn lọc ion

- Chuẩn bị thận nhân tạo máy

- Chuẩn bị các tế bào nhiên liệu

Tầm quan trọng của phân tích trao đổi ion vô cơ tổng hợp hiện nay được thiết lặpchặt chẽ Việc xem xét các trao đổi ion trong hóa phân tích cho năm 1970 bao gồmbáo cáo kết quả quan trọng; những tiến bộ rõ ràng trong hai năm qua là trong lĩnhvực trao đổi ion vô cơ Thậm chí ngày nay tuyên bố này là gần đúng như vậy

Trao đổi ion tổng hợp có thể được phân loại trong các loại sau:

- zeolit nhân tạo

- muối axit Polybasic

- oxit ngậm nước

- Kim loại ferrocynides

- Vật liệu trao đổi ion hòa tan

- Hetropolyacids

• Zeolit nhân tạo

Zeolit là các vật liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng cho việc loại bỏ các chất nước thải với quy mô lớn Zeolit là tinh thể alumin silicat vật liệu và có thể được chuẩn bị như vi tinh thể dạng bột, viên hoặc các hạt Ưu điểm chính của zeolit tổng hợp khi so sánh với zeolit tự nhiên được điều đó, nó có thể được thiết kế rộng

Mu Naushad: Ion Exchange Letters 2 (2009) ngày 01 ngày 14 tháng 3 nhiều tính chất hóa học và kích thước lỗ rỗng, và nó được ổn định ở nhiệt độ cao nhưng có một số hạn chế

Những hạn chế chính của zeolit nhân tạo là:

- Chi phí tương đối cao so với zeolit tự nhiên

- Ổn định hóa học giới hạn ở phạm vi pH cực đoan (cao hoặc thấp)

- Ion đặc trưng là dễ bị can thiệp từ các ion kích thước tương tự

Công suất xử lý thực tế thu được với các zeolit là thấp hơn so với công suất tối đacủa nó kể từ khi cột được thay đổi trong giai đoạn đầu của mang tính đột phá vàbởi vì các dòng thải thường chứa các ion khác sẽ chiếm một số vị trí trao đổi và do

đó làm giảm khả năng xử lý Trao đổi ion dựa trên silica tổng hợp được sản xuấtcho mục đích kỹ thuật bằng cách nung chảy soda, kali cacbonat, fenspat vàkaolinit (Schmaltz permutite) và sau đó dùng dung dịch sunfat nhôm có chứa natrisilicat kết tủa với dung dịch natri hydroxit (Gel permutite) Kể từ đó, zeolit tinhthể nhân tạo cũng đã được tổng hợp thành công

Các đặc tính có lợi của bộ trao đổi ion tinh thể silicat dựa trên trao đổi ionnhựa tổng hợp hiện đại như sau:

- Ít nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn

• Muối axit polybasic

Muối axit của kim loại đa hóa trị được hình thành bằng cách trộn oxit axitkim loại thuộc IV, V và VI nhóm của bảng tuần hoàn Muối axit của kim loại hóatrị bốn được nhóm của lớp này nghiên cứu nhiều nhất họ là cực kỳ không hòa tan.Thành phần của chúng là không stochiometric và phụ thuộc vào các điều kiện theo

đó họ được kết tủa Các tài liệu đã được tổng hợp cho đến nay bao gồm phốt phát,asenat, molybdat, tungstat, antimonates, silicat, vanadate, và tellurates củazirconium, titan, thori, thiếc, xeri, crom, sắt, niobi, tantali, vv

• Oxit ngậm nước

Các oxit ngậm nước của một số ion kim loại cũng đã được các vật liệuđược thiết lập cho mục đích trao đổi ion Oxit kim loại hóa trị ba kết tủa rất hiệuquả trong lĩnh vực này, ví dụ như oxit sắt ngậm nước và sắt hydroxit dễ dàng hấpthụ các cation kiềm thổ theo luật tác dụng khối lượng, các cation hóa trị hai khácđược hấp thụ trên pH 7 Trong quá trình này, các kim loại kiềm và đất kiềm đượchấp phụ trên bề mặt và được dễ dàng tách rửa trong khi các cation tích điện caohơn Ce (III), Y (III), Pm (III), Ru (IV) số lượng lớn và chỉ tách rửa với khi khó

khăn Các trao đổi ion của lớp này cho thấy một hành vi lưỡng tính phụ thuộc vào

pH của dung dịch Quá trình này có thể được mô tả bởi các điểm cân bằng sau đây.Oxit kẽm cũng cho thấy tính chất trao đổi lưỡng tính Oxit pha trộn có thể sẵnsàng trong đó cation thứ hai cao hơn so với các cation mẹ được đưa vào cấu trúc.Kết quả là lưới điện tích dương được cân bằng hiện diện của các anion khác hơn làoxit và hydroxit Ví dụ như vật liệu bao gồm Zn(OH)2 trong đó Zn2+ là một phầnthay thế bằng Al3+ và Al(OH)3 có chứa Si4+, Ti+ hoặc Zr2+ Các công thức chung

Znn-a AL(OH)2Xn và ALn-1 Mn(OH)3 Xn-1, nơi M4+ là một oxit tetravalent và X làmột anion đơn trị Oxit kim loại hóa trị bốn cũng thường được sử dụng như traođổi ion vô cơ như SnO2, SiO2, ThO2 và ZrO2 Trên thực tế các tài liệu này không

có công thức oxit đơn giản như nêu trên trừ khi chúng được đốt cháy ở nhiệt độcao Chúng được phát hiện có chứa lượng nước khác nhau, mà không phải là cómặt như là nước hydrat hóa từ về sưởi ấm, nó bị mất liên tục trên một phạm vinhiệt độ Do đó các ôxit này thường được mô tả như oxit ngậm nước

• Kiêm loaị Ferrocyanides

Ferrocyanides kim loại không hòa tan cũng có thể được sử dụng như traođổi ion vô cơ Họ cũng được biết đến như người nhặt rác cho kim loại kiềm Nó cóthể dễ dàng sẵn sàng và hữu ích trong việc tách các chất thải phóng xạ và các vậtliệu phân rã hạt nhân với ít thiệt hại cho bức xạ hơn các bộ phận hữu cơ của họtruy cập Baetsley et al Nghiên cứu molybdate ferrocyanide và xác định cấu trúccủa nó bởi các nghiên cứu X-ray Nó cũng sử dụng molypden và vonframferrocyanides cho việc tách Cs-137 và Sr-90 từ các sản phẩm phân hạch trong môitrường axit Amine kim loại dựa ferrocyanides cũng đã nhận được sự chú ý Họlần đầu tiên được giới thiệu bởi Hahn và Clein, người chuẩn bị một ferrocyanidecoban amin ferrichydroxit cũng đã nhanh chóng phát triển các ứng dụng trongviệc tách các ion kim loại và nó đã được sử dụng như một vật liệu hấp phụ để loại

bỏ asen từ nước tự nhiên

• Vật liệu không hòa tan ion trao đổi

Vật liệu trao đổi ion không hòa tan khác nhau Một số lượng lớn các hợpchất như vậy đã được xây dựng Những vật liệu này đã được xây dựng bằng cáchkết tủa từ dung dịch muối kim loại với Na2S hoặc H2S Các tính chất trao đổi ioncủa sulfua không hòa tan (ví dụ Ag2S, SNS, cus, PBS, FeS, NiS, As2S3, Sb2S3) đãđược nghiên cứu Sulfua được chọn lọc đối với các cation tạo thành sulfua khônghòa tan Các phản ứng trao đổi xảy ra thông qua phản ứng metathetical trong đókim loại của sunfua được thay thế bởi ion thích hợp từ dung dịch Hấp thụ lượngcủa TI +, Ni2+, Co2+, Mn2+, Cu2+ và Pb2 đã được ghi nhận về ZnS, CdS và PBS,Uranium trên PBS, tách Cu2+ từ Zn2+ và Cd2+ về SnS và kim loại quý về CuS

• Acid Teropoy

Muối heteropolyaxit có thể được sử dụng như trao đổi ion vô cơ Nhómnày rao đổi có nguồn gốc từ 12 heteropolyacids của HnXY12O40.nH2O công thứcchung trong đó X có thể P, As, Si, B hoặc Ce và Y có thể là một cá yếu tố như Mo,

W hoặc V Các hợp chất heteropoly đặc biệt là các hợp chất 12-molybdo là tácnhân oxy hóa khá mạnh Các trao đổi của loại này là ổn định trong axit vừa phảitập trung Tuy nhiên, họ hòa tan trong dung dịch kiềm Các heteropolyacids thểhiện ái lực cao với kim loại nặng kiềm, thori và bạc Kích thước của các ionunivalent của những yếu tố này là phù hợp để duy trì với nó trong mạng tinh thểcủa heteropolyacids Ngoài các muối heteropolyaxit, nhiều chất khác như muốihỗn hợp cũng đã được tổng hợp và nghiên cứu chi tiết cho các thuộc tính trao đổiion Nó đã được tìm thấy rằng muối kép hoặc muối hỗn hợp của các ion kim loại

có tính chất trao đổi ion khác với muối đơn giản Thông thường, thấy ưu thế hơnmuối đơn giản chủ yếu ở ba khía cạnh: nhiệt tốt hơn và ổn định về mặt hóa học,thứ hai được chọn lọc trong tự nhiên và khả năng trao đổi ion là cao hơn so vớimuối đơn giản của nó Đó là với quan điểm này, sự chú ý đã được đưa ra để tổnghợp và nghiên cứu các tính chất trao đổi ion của các lớp trao đổi ion Để mô tả một

chất mới như là một trao đổi ion vô cơ, tiện ích của nó trong các lĩnh vực khácnhau và giới hạn của nó, các thuộc tính sau đây có thể được nghiên cứu theo thứ tựnhất định ưu tiên.

- Khả năng trao đổi Ion

Bên cạnh các ứng dụng, ion vô cơ trao đổi có một số hạn chế:

- Khả năng trao đổi tương đối thấp

- Độ bền cơ học tương đối thấp

- Kích thước lỗ rỗng không thể kiểm soát được

- Clay khoáng sản có xu hướng peptize (nghĩa là chuyển đổi mẫu keo)

- Zeolit rất khó để kích thước cơ học

- Phân hủy một phần trong axit hoặc kiềm

- Hạn chế hóa chất ổn định trong nhiều các giải pháp

- Cần một chất hóa học hoặc xử lý sơ bộ trước (đặc biệt là những có hàm lượngmuối rất thấp)

1.4 Nhựa trao đổi ion

Là các polyme có khả năng trao đổi ion đặc biệt bên trong polymer với cácion trong dung dịch được truyền qua chúng Khả năng này cũng được nhìn thấytrong các hệ thống tự nhiên khác nhau như đất và các tế bào sống nhau.Là một loạipolymer có khả năng trao đổi những ion cụ thể của nó với các ion khác hiện diệntrong dung dịch chảy qua cột phản ứng Vật liệu trao đổi ion tổng hợp được sửdụng phổ biến là nhựa polystyrene với nhóm sulphonate có khả năng trao đổi iondương và nhóm amine trao đổi ion âm Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủyếu để tinh sạch nước, ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác bao gồm việc phân táchcác yếu tố lẫn trong dung dịch.

Hình 12: Hạt nhựa ion

1.4.1 Về cấu tạo:

Hạt nhựa này có cấu trúc dị thể gồm hai pha: vùng đồng chứa mạngpolymer và nước (hình cầu nhỏ) và vùng không gian chứa nước giữa các hạt cầunhỏ Các ion khuếch tán trong nhựa dạng xốp lớn trước hết trong khoảng khônggian giữa các hạt cầu nhỏ và vì vậy trở lực tổng thể của chúng nhỏ hơn nhiều sovới khuếch tán trong dạng gel.

Mật độ nhóm chức trong một đơn vị thể tích của loại mô quan lớn thấp hơn

so với dạng gel và vì vậy lượng hóa chất dùng tái sinh cũng lớn hơn

Một cấu trúc khác thông dụng của vật liệu trao đổi ion là màng trao đổi ion Vớicác chất kết dính thích hợp người ta chế tạo ra các cấu hình khác nhau: dạngphẳng, dạng cuốn Chúng được ứng dụng trong việc tách các ion, tách các phân tửtrung hòa, ứng dụng trong kĩ thuật điện thẩm tách làm nước ngọt

Mạng polyme có tính kị nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng lại cótính ưa nước Nhựa trao đổi ion không tan nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nócũng không tan hầu hết trong các dung môi Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và trương

nở khi ngậm dung môi, nó có độ xốp khá lớn Lỗ của nó có kích thước không đềunhư zeolit Tuy vậy người ta vẫn coi nó có cấu trúc đồng nhất theo thể tích xốp

Độ bền hóa học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa phụ thuộc vào cấu trúc và mức độ liênkết ngang của mạng cũng như vào bản chất và mật độ của các nhóm chức Mức độliên kết ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độ trương nở và khảnăng trao đổi ion và độ dẫn điện của nhựa Nhựa có liên kết ngang cao độ bền cơhọc, cứng và ít bị mài mòn

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 nhóm ion 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 là cầu nối 3 chiều Trong Resin có cấu trúc rỗng

1.4.2 Tính chất vật lý:

Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn,

dạng xốp đều, dạng bột mịn và dạng từ tính Nhựa dạng gel là loại được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố đồng đều trong cả dạng polymer Nhựa bị trương nởtrong điều kiện nhất định và chính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng

khoảng cách của các chuỗi polymer

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

của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút Hạt nhựa dùng trong xử lý nướcthông thường có bề ngoài là các hạt nhựa styrene dạng gel, màu vàng trong suốt;hạt nhựa macroprous không trong suốt (hoặc hơi trong); nhựa macroprous cationstyrene màu vàng nhạt hoặc nâu xám nhạt, hạt nhựa macroprous anion styrene cómàu trắng; nhựa acrylic màu trắng hoặc trắng sữa Nhựa macroprous styrene khihình thái ion khác nhau sẽ xảy ra hiện tượng biến đổi màu sắc, ví dụ hạt nhựa001x7 từ trạng thái tái sinh sang trạng thái hết tác dụng sẽ biến đổi từ màu đậmsang màu nhạt, từ trạng thái hết tác dụng sang trạng thái tái sinh thì màu sắc lạibiến đổi từ nhạt sang đậm, quá trình như vậy có thể chuyển ngược được

Khi hạt nhựa trao đổi ion ( hạt nhựa làm mềm nước ) bị bẩn, màu sắc của nó bị

thay đổi, mức độ thay đổi tỷ lệ thuận với độ bẩn của hạt nhựa, và trường hợp nàythường khó chuyển ngược được.Vì thế, trong quá trình sử dụng, phải chú ý đến sựthay đổi màu sắc của hạt, để xác định độ bẩn của nó.Ví dụ hạt nhựa 201x7 khi gặpsắt hoặc nhiễm bẩn từ vật chất hữu cơ, màu sẽ trở nên đậm thậm chí thành nâuđen Nhựa 001x7 nếu hỏng do oxy thì liên kết và trao đổi nhóm sẽ bị oxy hóa, màuchuyển nhạt, thể tích lớn hơn, vì thế dễ vỡ và giảm dung lượng trao đổi

Tính bền và hóa học của nhựa cũng chỉ có giới hạn Nguyên nhân gây hỏng

nhựa thông thường là yếu tố hóa học và nhiệt như oxy hóa mạnh, phá hủy các

nhóm chức do thủy phân nhiệt Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các loại dungmôi thông dụng trừ trường hợp trong các dung dịch có tính oxy hóa khử cao,thường chịu được tới 100 Riêng anionit mạnh bắt đầu phân hủy ở 6000C

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

Nhìn chung, quá trình khuếch tán của các ion bị ngăn trở bởi mạng polyme, độ liên kết ngang càng lớn thì lực khuếch tán càng cao Mặt khác khi độ liên kết ngang thấp thì độ bền cơ và hóa thấp Để khắc phục hai yếu tố ngược chiều nêu trên người ta chế tạo loại nhựa có cấu trúc mao quản lớn (dạng xốp lớn) Bằng phương pháp chế tạo thích hợp, polymer hóa với sự góp mặt của dung môi, chuỗi polymer hình thành kết tủa thành các hình cầu nhỏ, các hình cầu nhỏ kết tụ lại vớinhau thành hạt nhựa có kích thước lớn giống quá trình chế tạo silicagel

Hình thái: những loại nhựa được sản xuất hình cầu, căng và dạng tự do để

chống suy thoái vật lý

Nhiệt độ: Chúng là ổn định ở nhiệt độ cao như 300 ° F và được áp dụng

trên một khoảng pH rộng các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạnnhất định , vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50o C Các giới hạn của sự ổn định nhiệt bị phụthuộc bởi cường độ mạnh của liên kết cacbon-nitơ của nhựa anion Đây là cường

độ mạnh nhạy cảm với độ pH và độ pH thấp giúp tăng cường sự ổn định Một hạnchế là nhiệt độ 60 ° C (140 ° F) được khuyên dùng cho các hoạt động chu kỳhydroxit Nhựa Cation ổn định cũng phụ thuộc vào độ pH; sự ổn định để thủyphân các liên kết cacbon-lưu huỳnh giảm dần theo sự giảm pH Chúng là ổn địnhhơn nhiều tuy nhiên so với anion và có thể hoạt động lên đến 150 ° C (300 ° F)

Kích thước: Các loại nhựa được chế biến như hạt hình cầu 0,5-1,0 mm

đường kính Trong trạng thái phông nước, những loại nhựa trao đổi ion thườngxuất hiện một lực hấp dẫn cụ thể của 1,1-1,5

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

khô) , hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt)

Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụthuộc vào dạng ion.

1.4.3 Tính chất hoá học:

Độ trương nở : phụ thuộc vào mức độ liên kết ngang và độ liên kết ngang

này không đều trong toàn bộ mạng, hạt nhựa càng lớn sự phân bố càng ít đồngđều Do sự phân bố không đều, độ trương nở của từng vùng khác nhau dẫn đếnnhững hạn chế trong khi sử dụng và tái sinh

Sức chứa: Khả năng trao đổi ion có thể được thể hiện bằng một số cách.

Tổng công suất, tức là tổng số các trạng thái có sẵn để trao đổi, thường được xácđịnh sau khi chuyển đổi nhựa bằng kỹ thuật tái tạo hóa học mẫu ion nhất định Cácion sau đó thoát ra khỏi một số lượng đo được của nhựa và định lượng trongphương pháp phân tích thông thường Tổng công suất được thể hiện trên một trọnglượng khô, trọng lượng hoặc khối lượng ướt cơ sở Sự hấp thụ nước của một loạinhựa và do đó trọng lượng và khối lượng ướt sức chứa của nó phụ thuộc một bảnchất của polymer trụ cột cũng như một môi trường trong đó các mẫu được đặt.Công suất hoạt động là thước đo hiệu quả hoạt động hữu ích thu được với các vậtliệu trao đổi ion khi nó đang hoạt động trong một cột trong một tập hợp các điềukiện quy định Nó phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm cả vốn (tổng cộng) nănglực của nhựa, mức độ tái sinh, các thành phần của giải pháp xử lý, tốc độ dòngchảy qua cột, nhiệt độ, kích thước và phân phối hạt Một ví dụ được thể hiện tronghình 3 đối với trường hợp làm mềm nước với một loại nhựa sulfonic tiêu chuẩn ởnhiều cấp độ regenerant

Sự trương : Nước trương trao đổi ion chủ yếu là một hydrat hóa của các

nhóm ion và tăng cố định với sự gia tăng khả năng giới hạn sắp xếp bởi các mạng polymer Khối lượng nhựa thay đổi với chuyển đổi sang dạng ion mức độ hydrat hóa khác nhau; do đó, đối với một quá trình trao đổi cation, có sự thay đổi khối lượng với các loại ion đơn trị, Li+ > Na+ > K+ > Cs+ > Ag+ Với các ion đa năng, độ

ẩm giảm bởi hoạt động liên kết ; do đó, Na+ > Ca2+ > Al3+ Trong các giải pháp tập trung hơn, nước được lấy lên do áp suất thẩm thấu lớn hơn

Chọn lọc: của một loại nhựa cho một ion nhất định được đo bằng hệ số

chọn lọc K Mà ở dạng đơn giản nhất cho phản ứng

R-A+ + B+ ↔ R--B+ + A+được biểu diễn bằng:

K = (nồng độ B+ trong nhựa / nồng độ của A+ trong nhựa)

X (nồng độ của A+ trong dung dịch / nồng độ B+ trong dung dịch)

Hệ số chọn lọc thể hiện sự phân bố tương đối của các ion khi một loại nhựatrong A+ mẫu được đặt trong một dung dịch chứa các ion B+ Sự chọn lọc của axitmạnh và nhựa trao đổi ion bazơ vững mạnh cho các hợp chất ion khác nhau Cầnlưu ý ra rằng hệ số chọn lọc không là hằng số mà thay đổi với những thay đổitrong điều kiện dung dịch Nó cung cấp một phương tiện để xác định gì sẽ xảy rakhi các ion khác nhau có liên quan Nhựa axit mạnh có một ưu tiên cho niken trênhydro Mặc dù lựa chọn này, nhựa có thể được chuyển đổi sang dạng hydro bằngcách tiếp xúc với một dung dịch đậm đặc của axit sulfuric (H2SO4):

(R-SO4)2Ni + H2SO4 -> 2(R-SO3H) + NiSO4Phản ứng trao đổi ion có thể đảo ngược Bằng cách liên hệ với một loại nhựa dư thừa (B+ trong phản ứng sau), nhựa có thể được chuyển đổi hoàn toàn sang dạng muối mong muốn:

RA+ + B ↔ RB+ + A+Tuy nhiên, với một số lượng hạn chế của ion B+ trong hàng loạt liên lạc, một trạng thái cân bằng tái sản xuất được thành lập mà phụ thuộc một tỷ lệ A+ và B+ và chọn lọc của nhựa Hệ số chọn lọc, KB

A, cho phản ứng này được cho bởi:

Trong đó mA và mB tham khảo với nồng độ ion trong dung dịch và giai đoạn nhựatương ứng Hệ số chọn lọc nhựa đã được xác định cho một loạt các loài ion và liênquan H+ cho các cation và anion OH cho, được gán các giá trị chọn lọc của 1.00.

Ổn định: tác nhân oxy hóa mạnh, chẳng hạn như nitric hoặc axit cromic,

nhanh chóng làm suy giảm nhựa trao đổi ion Suy thoái chậm hơn với oxy và clo

có thể gây nên xúc tác Vì lý do này, các ion kim loại cố định, ví dụ như, sắt, mangan, đồng, được giảm thiểu trong giải pháp oxy hóa Với trao đổi cation, tấn công chủ yếu là một polymer chủ yếu Sự tiếp xúc mạnh liên kết nhựa cation có một quá trình mở rộng hữu ích vì số lượng lớn các bề mặt phải được tấn công trước khi trương giảm khối lượng hữu ích dựa trên sức chứa và tính chất vật lý không thể chấp nhận, ví dụ, Sự nén giảm mạnh và áp lực tăng Với trao đổi anion, đầu tiên tấn công xảy ra vào các nhóm chức năng nhạy cảm hơn, dẫn đến mất tổngsức chứa và / hoặc chuyển đổi mạnh mẽ các cơ sở so với sức chứa cơ sở yếu kém

Tính chất trao đổi: của nhựa trao đổi ion được quyết định bởi các nhóm đặc

trưng trong sườn (khung) cao phân tử của nhựa và các ion linh động Các nhómnày mang điện tích âm hoặc dương tạo cho nhựa có tính kiềm hoặc acid Cácnhóm đặc trưng trong ionit nối với các ion linh động có dấu ngược lại bằng liênkết ion Các ion linh động này có khả năng trao đổi với các ion khác trong dungdịch

Rất nhiều nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất,chúng không chỉ khác nhau về bản chất hóa học và mật độ nhóm chức mà cònkhác nhau về thành phần hóa học và độ liên kết ngang của mạch polymer nhằmtương thích với điều kiện sử dụng

Dung lượng trao đổi: dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ nhiều ít của

lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion Có 2 phuơng pháp biểuthị 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 chấttrao 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 điềukiện vận hành thực tế

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 đổităng khi hoá trị của ion trao đổi tăng

1.4.4 Phân loại

Nhựa trao đổi ion được phân loại là trao đổi cation, trong đó có các ionmang điện tích dương di động có sẵn để trao đổi, và trao đổi anion, có trao đổi cácion mang điện tích âm Cả hai nhựa anion và cation được sản xuất từ các polymehữu cơ cơ bản giống nhau Chúng khác nhau ở nhóm ion hoá gắn liền với mạnghydrocarbon Nhóm chức năng này dùng để xác định hoạt động hóa học của nhựa.Nhựa có thể được phân loại như trao đổi cation axit mạnh hay yếu hoặc trao đổianion bazơ mạnh hay yếu

Nhựa anion và cation có thể thu được trong các hình thức vật lý khác nhau Chúng

có thể thu được với các ion khác nhau ở các vị trí trao đổi Điều này có tầm quantrọng trong các ứng dụng như cột nhựa hỗn hợp nơi có tỷ lệ rò rỉ tối thiểu đượcyêu cầu và thậm chí từ một cột mới được thiết lập Kích thước hạt cũng có thểđược chỉ định Hạt có kích thước thống nhất (UPS) nhựa đang có sẵn nơi mà tất cảhạt phù hợp với một phạm vi kích thước hạt rất gần Đối với các mục đích thực tế,tất cả các hạt có cùng kích thước Cột nhựa UPS có một số đặc điểm hoạt độngđộc đáo trong đó cung cấp nhiều lợi thế khi chúng được sử dụng trên cột nhựa hỗnhợp, lớp nhựa trong cột, cột nhựa trao đổi và các ứng dụng khác

Nhựa macroporous là nhựa có độ xốp cao mà cho chúng có lợi thế khi được sử

1.4.4.1 Trao đổi cation:

Vật liệu trao đổi cation được phân loại là axit yếu hoặc axit mạnh tùythuộc vào loại của nhóm trao đổi Cation trao đổi axit mạnh chứa – SO3- chứcnăng, yếu trao đổi cation axit chứa –COO- nhóm chức năng Hiện đã có cải tiếnliên tục trong vật liệu trao đổi ion từ năm đầu tiên sử dụng sản phẩm vô cơ tựnhiên và tổng hợp Than gỗ hoạt tính, nhựa styrene-base, nhựa phenolic và acrylicnhựa là một số đã được phát triển Năng lực giá đã được tăng lên rất nhiều với sựphát triển của bộ trao đổi styrene-base Những loại nhựa được sản xuất hình cầu,căng và dạng tự do để chống suy thoái vật lý Chúng là ổn định ở nhiệt độ cao như

300 ° F và được áp dụng trên một khoảng pH rộng Nhựa dày đặc hơn, những sảnphẩm có mức độ cao hơn của kết ngang polymer, được phát triển đặc biệt cho cácứng dụng trong công nghiệp nặng Những sản phẩm này là khả năng chống suythoái bằng cách ôxi hóa các chất như clo, và chịu được áp lực vật lý mà gãy vậtliệu nhẹ hơn

• Nhựa cation acid mạnh (SAC):

Nhựa axit mạnh được đặt tên như vậy vì hoạt động hóa học của chúng là tương tựnhư của một axit mạnh.Nhựa SAC có thể trung hòa các base mạnh và chuyển đổithành các muối trung tính của các axit tương ứng với chúng Các loại nhựa đượcđánh giá ion hóa cao trong cả dạng axit (RSO3H) và muối (RSO3Na) Chúng cóthể chuyển đổi một muối kim loại acid tương ứng bởi các phản ứng:

2 (R-SO3H) + NiCl2 ↔ (R-SO4)2Ni + 2HCI (5)Nhựa SAC có được chức năng từ các nhóm axit sulfonic (HSO3) Khi được sửdụng trong khử khoáng, nhựa SAC loại bỏ gần như tất cả các cation trong nướcthô, thay thế chúng bằng các ion hydro, như hình dưới đây:

Phản ứng trao đổi là có thể đảo ngược Khi khả năng trao đổi cạn kiệt, nhựa có thể được tái sinh cần một lượng dư axit.

Trao đổi cation axit mạnh hoạt động tốt ở tất cả các phạm vi pH Những loại nhựa

đã tìm thấy một loạt các ứng dụng Ví dụ, chúng được sử dụng trong chu trìnhnatri (sodium như các ion di động) làm mềm và trong chu trình hydro cho quátrình phản cation hóa

Nhựa axit mạnh dạng Hydro và natri được đánh giá cao khả năng điện ly và traođổi Na+ và H+ luôn có sẵn để trao đổi trên toàn bộ dải pH Do đó, trên dung dịch

pH khả năng trao đổi các loại nhựa axit mạnh là độc lập Những loại nhựa sẽđược sử dụng dưới hình thức hydrogen cho sự khử ion; chúng được sử dụng trongcác mẫu natri để làm mềm nước (canxi và magiê loại bỏ) Sau khi cạn kiệt, nhựađược chuyển đổi trở lại dạng hydrogen (tái sinh) bằng cách tiếp xúc với một dungdịch axit mạnh, hoặc nhựa có thể được hội tụ lại để hình thành natri từ một dungdịch natri clorua Đối với phương trình 5 axit clohydric (HCl) tái sinh sẽ cho kếtquả một dung dịch niken clorua đậm đặc (NiCl,)

• Nhựa Acid Cation yếu:

Trong một loại nhựa axit yếu nhóm ion hoá là một axit cacboxylic (COOH) tráingược với nhóm axit sulfonic (SO3H) được sử dụng trong các loại nhựa axitmạnh Những loại nhựa này hoạt động tương tự như các axit hữu cơ yếu được điện

ly một cách yếu ớt

Nhựa axit yếu có ái lực cao hơn rất nhiều so với các ion hydro từ nhựa axit mạnh.Đặc điểm này cho phép việc tái tạo mẫu hydro với axit ít hơn đáng kể so với yêucầu cho các loại nhựa axit mạnh Hầu như tái sinh hoàn chỉnh có thể được thựchiện với số lượng cân bằng hóa học của axit Mức độ phân ly của một loại nhựaaxit yếu chịu ảnh hưởng mạnh bởi độ pH dung dịch Do đó nhựa phụ thuộc mộtphần vào độ pH dung dịch Hình 13 cho thấy một loại nhựa axit yếu điển hình có

dung lượng dưới độ pH 6.0 giới hạn Làm cho nó không thích hợp để khử ion cótính axit nước thải hoàn tất kim loại.

Nhựa trao đổi cation axit yếu có được hoạt động trao đổi từ một nhóm cacboxylic(COOH).Khi hoạt động dưới hình thức hydrogen, nhựa WAC loại bỏ các cation

có liên quan đến kiềm, tạo ra axit carbonic như:

Những phản ứng này cũng có thể đảo ngược và cho phép sự trở lại của nhựa WACmất khả năng trao đổi với hình thức tái sinh Nhựa WAC không thể loại bỏ tất cảcác cation trong hầu hết các nguồn cung cấp nước Khả năng chính của chúng làhiệu quả tái sinh cao so với nhựa SAC Hiệu quả cao này làm giảm lượng axit cầnthiết để tái tạo nhựa, do đó làm giảm axit chất thải và giảm thiểu các vấn đề xử lý.Nhựa cation axit yếu được sử dụng chủ yếu để làm mềm và dealkalization ở độcứng cao, nước có độ kiềm cao, thường xuyên kết hợp với các hệ thống chu kỳnatri SAC Trong các hệ thống khử khoáng đầy đủ, việc sử dụng WAC và nhựaSAC kết hợp cung cấp cho nền kinh tế của nhựa WAC hiệu quả hơn cùng với khảnăng trao đổi hoàn toàn của nhựa SAC

1.4.4.2 Trao đổi anion

Vật liệu trao đổi anion được phân loại dưa trên cơ sở base yếu hoặc mạnhtùy thuộc vào loại của nhóm trao đổi Nhựa cơ sở yếu hoạt động như adsorbersaxit, loại bỏ hiệu quả các axit mạnh như sulfuric và hydrochloric Tuy nhiên, họ sẽkhông loại bỏ carbon dioxide hoặc silica Chúng được sử dụng trong các hệ thốngnơi các axit mạnh chiếm ưu thế, trong đó giảm silica là không cần thiết, và nơicarbon dioxide được loại bỏ bằng phản khí hóa Trước các đơn vị cơ sở vữngmạnh trong quá trình khử khoáng, nhựa base yếu cho quá trình loại bỏ sunfat vàclorua hiệu quả hơn Có hai loại cùng là nhựa trao đổi anion base mạnh, loại I và

II, biểu thị sự khác biệt về tính chất hóa học Cả hai loại bỏ silica và carbondioxide cũng như các anion khác Loại I là hiệu quả hơn trong việc loại bỏ silica,

và được sử dụng khi nộng độ silic và carbon dioxide của các nước tiếp xúc traođổi là hơn 25% tổng số các anion Khi có ô nhiễm của nước với chất hữu cơ, mộtdạng xốp hơn nhựa loại I được khuyến khích Loại II anion vật liệu được sử dụngtrong xử lý vùng biển nơi nồng độ carbon dioxide và silica kết hợp là ít hơn 25%tổng số các anion Điều này thường là trường hợp khi carbon dioxide được đưa ratrong phản khí hóa trước của đơn vị trao đổi anion

Hình 13: công suất trao đổi của nhựa Cation axit yếu và Anion bazo yếu như là một

chức năng của dung dịch pH

• Nhựa anion bazơ mạnh (SBA):

Giống như nhựa axit mạnh nhựa bazơ mạnh được đánh giá cao khả năng ion hóa

và có thể được sử dụng trên toàn bộ dải pH Những loại nhựa được sử dụng tronghình thức hydroxit (OH) cho nước Nó sẽ phản ứng với các anion trong dung dịch

và có thể chuyển đổi một dung dịch axit vào nước tinh khiết:

R - NH3OH + HCl ↔ R-NH3Cl + HOH Tái sinh với natri hydroxit đậm đặc (NaOH) là chuyển đổi các nhựa cạn kiệt vớihình thức hydroxit