Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm

Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâmIon Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâmIon Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm

Ion Exchange (Trao đổi Ion)

1 Tại sao phải xử lý nước trong sản xuất

There are three general reasons to treat water for its impurities (Slater, 1991):

1.To minimize corrosion, which is enhanced by impurities

2.To minimizeradiationlevels in the reactor facility

3.To minimize fouling of heat transfer surfaces

Các tạp chất ion trong nước

Ca++

Mg++

Na+

K+

Al+++

Fe++

Cu++

NO3- OH- SO4- Cl- HCO3- HSiO3- HCrO3-Các tạp chất này cần phải loại ra khỏi nước chế biến để giảm sự mài mòn, giảm bức xạ trong thiết bị phản ứng, giảm sự đóng cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt, kiểm soát độ pH và độ tinh khiết của nước trong các thiết bị hạt nhân, kiểm soát nồng độ một ion nào đó trong dung dịch (làm nước khoáng có nồng độ kiềm thích hợp), tinh sạch các chế phẩm ví dụ như đường dextrose tinh khiết

2 Nguyên lý

Ion Exchange resins are insoluble granular substances

which have in their molecular structure acidic or basic

radicals (gốc tự do) that can be exchanged The positive

or negative ions fixed on these radicals are replaced by

ions of the same sign in solution in the liquid in contact

with them

(Nhựa trao đổi ion là các chất polymer dạng hạt không

tan (with an average diameter of about 0.005

millimeters or 5µm) mà cấu trúc phân tử có các gốc tự

do acid hay kiềm có thể trao đổi Các ion dương hay âm

cố định trên các gốc tự do này sẽ được thay thế bằng

các ion cùng dấu trong dung dịch tiếp xúc với nó.)

(VD: Polystyrene-divinylbenzene resins which has ionic sites consisting of immobile anionic (SO3¯) radicals and mobile hydrogen cations (H+).

The resin itself is a uniform mixture of cation and anion resins in a specific volume ratio depending on their specific gravities The ratio is normally 2 parts cation resin to 3 parts anion

resin (nhựa resin là một hỗn hợp các thành phần nhựa điện tích dương và âm, thường 2 dương

và 3 âm) Qui trình tổng hợp Polystyrene-divinylbenzene resin cho trên bảng sau:

1) Tổng hợp styrene thành Polystyrene

2) Phản ứng cross-link với divinylbenzene

Sau cross-link, tạo thành styrene-DVB polymer

3) Sulphonating styrene-DVB tạo ra cation

resin (phản ứng styrene-DVB với H2SO4)

4) Xử lý styrene-DVB với C3H5ClO và

C3H9N tạo raanion resin

An ion exchange is the reversible exchange of ions between a liquid and a solid. This process is generally used to remove undesirable ions from a liquid and substitute acceptable ions from the solid (resin) The devices in which ion exchange occurs are commonly calleddemineralizers This name is derived from the term demineralize, which means the process where

byimpuritiespresent in the incoming fluid (water) are removed by exchanging impure ions with H+and

OH- ions, resulting in the formation of pure water H+and OH- are present on the sites of resin beads contained in the demineralizer tank or column

Hình mô tả quá trình bắt giữ và giải phóng các

ion trong cột trao đổi ion Các ion Mg, Ca và Na

sẽ bị bắt giữ qua trao đổi ion với resin (vòng tròn

vàng lớn) để giải phóng các ion H+ (chấm vàng

nhỏ) vào nước

Na+ sẽ trao đổi với H+ của resin, và Cl- sẽ trao đổi với OH- của resin Kết quả là NaCl bị bắt giữ lại trong resin và giải phóng H2O vào dung dịch

3) Sau sulphonating tạo

thành cation resin có gốc là

SO3- và ion trao đổi là H+

trimethylamine tạo thành

anion resin có gốc là N(CH3)+

và ion trao đổi là

Cl-Now days, the ion exchange substances are used almost exclusively under the name

of resins There are two categories of resins: the resins of the gel type and those of

themacroporous or loosely cross-linked type Their basic structure is identical: the macromolecular

structure is obtained in both cases by co-polymerization The difference between them lies in their porosity

Gel type resins have a natural porosity

limited to intermolecular distances It is

amicroporous type structure

Macroporous type resins have an additional

artificial porosity which is obtained by adding a substance designed for this purpose

The exchanger is known as monofunctional if there is only one variety of radicals and it is

calledpolyfunctional if the molecule contains various type of radicals.

3 Ứng dụng các quá trình trao đổi ion

 Sea water desalination

 Surface water treatment

 Water softening systems

 Disinfection (tẩy độc)

 Waste water treatment

 Pesticide treatment

 Iron and manganese

 Remineralisation

 Arsenic removal

 Heavy metal removal

 Nitrates treatment

Hình ví dụ ứng dụng của công nghệ trao đổi ion trong nhà máy thủy phân tinh bột thành dextrose

4 Các phần tính toán xem trong tài liệu Chemical Engineering

Phân riêng bằng Sắc ký

1 Giới thiệu

Sắc kí (chromatography) là kỹ thuật phân riêng có độ chọn lựa cao nhằm tách những thành phần có tính chất vật lý và hóa học gần nhau Nhiều hỗn hợp khó tách bằng những phương pháp khác sẽ được phân riêng bằng sắc ký

Sắc ký đóng nhiều vai trò trong công nghiệp: (1) giúp đo đạc nhanh và chính xác đặc tính nhiệt động

và tính chất hóa lý của vật liệu cần cho quá trình thiết bị; (2) giúp phân tích hóa học trong kiểm soát chất lượng của quá trình sản xuất

Chương này không trình bày về kỹ thuật phân tích mà tập trung vào quá trình thiết bị sắc ký để phân riêng các thành phần

In chromatography the components of a mixture are separated as they pass through a column.

The column contains a stationary phase which may be a packed bed of solid particles or a liquid

with which the packing is impregnated The mixture is carried through the column dissolved in a

gas or liquid stream known as the mobile phase, eluent or carrier Separation occurs because the

differing distribution coefficients of the components of the mixture between the stationary and mobile phases result in differing velocities of travel.

(sự phân riêng xảy ra do hệ số phân bố - Distribution Coefficient- của các thành phần trong hỗn hợp giữa các pha động và pha tĩnh là khác nhau gây nên vận tốc chuyển động khác nhau)

Definition:

Distribution Coefficient = CAin stationary phase/ CAin mobile phase

Different affinity of these 2 components to stationary phase causes the separation

2 Phân loại

Gồm sắc kí lỏngliquid chromatography (LC) và sắc kí khígas chromatography (GC)

Ứng dụng của sắc ký trong công nghiệp cho trên hình sau

Chromatographic methods are classified according to the nature of the mobile and stationary

phases used The terms gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC) refer to the

nature of the mobile phase.

(sắc kí khí hay sắc kí lỏng là do pha động)

Trong công nghiệp dùng các nguyên lý sau: the principal modes currently used for large-scale separations are elution (tách rửa), selective adsorption or desorption (hấp thụ chọn lựa hay khử

chọn lựa), and simulated countercurrent chromatography (sắc kí ngược chiều) In addition, reaction and separation (phối hợp phản ứng và phân riêng) can be combined in a single column

with unique advantages.

3 Sắc kí lỏng:

Nguyên lý sắc kí lỏng có thể mô tả trên cột sắc kí sau:

A + B + C

OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO

OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOO OOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOO OOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOO OOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO

Sample (A+B+C) Column

Solid Particles (packing material- stationary phase)

Eluant (eluate)

DIAGRAM OF SIMPLE LIQUID COLUMN CHROMATOGRAPHY

A

B

C

Solvent(mobile or moving phase)

Hỗn hợp có 3 thành phần A, B, và C Khi cho hỗn hợp này trong một dung môi ta được pha động Pha tĩnh có thể là hạt rắn hoặc chất lỏng Ái lực của A, B và C đối với pha tĩnh khác nhau khiến cho tốc độ di chuyển của chúng khác nhau Trong hình cho C ra trước, rồi đến B và A Bàng cách thay đổi hệ dung môi, đặc tính chuyển động của các thành phần A, B và C sẽ thay đổi.

Có 4 loại sắc kí lỏng:

1 Liquid/Solid Chromatography (adsorption chromatography)

A Normal Phase LSC

B Reverse Phase LSC

2 Liquid/Liquid Chromatography (partition chromatography)

A Normal Phase LLC

B Reverse Phase LLC

3 Ion Exchange Chromatography

4 Gel Permeation Chromatography (exclusion chromatography)

Sắc kí cột pha bình thường (normal phase): (liquid-solid), pha tĩnh là cột silica or alumina resins có tính ưa nước (hydrophylic), do vậy, các phân tử ưa nước trong pha động sẽ có ái lực cao

với pha tĩnh nên sẽ bị hấp thụ bởi cột

Còn các phân tử ưa béo (gốc dầu) ít ái lực với cột nên sẽ đi qua và sẽ được dò tìm hay thu hồi trước

Để giải phóng các phân tử ưa nước hấp thụ vào cột cần dùng các dung môi phân cực cao ở trong pha động để di dời sự phân bố các phân tử đó trong pha tĩnh vào trong pha động

Sắc kí cột ngược pha (Reverse phase) hay pha nghịch:

Là kỹ thuật dùng các chuỗi alkyl liên kết cộng hóa trị với pha tĩnh để tạo ra pha tĩnh ưa béo (hydrophobic) có ái lực mạnh với các chất không phân cực Sắc kí cột nghịch pha dùng pha động phân cực Do vậy, các phân tử ưa béo trong pha động phân cực bị hấp thụ bởi pha tĩnh, còn các phân tử ưa nước sẽ đi qua cột và được thu hồi trước

Để giải phóng các phân tử ưa béo hấp thụ vào cột cần dùng các dung môi hữu cơ không phân cực Tính ưa béo càng cao thì phải dùng dung môi nồng độ cao hơn

• Polar Solvents: độ phân cực cao nhất là nước

Water > Methanol > Acetonitrile > Ethanol > Oxydipropionitrile

• Non-polar Solvents: độ phân cực thấp nhất trong dãy là cyclohexane

MOBILE PHASE

Liquid-Liquid Chromatography(Partition) Chromatography(Adsorption) Liquid-Solid

Normal Phase Reverse Phase Normal Phase

PHASE

PH

Liquid

STATIONARY PHASE

N-Decane > N-Hexane > N-Pentane > Cyclohexane

4 Chọn lựa kiểu hoạt động

5 Các thông số động học

Thời gian lưu

Response

Retention Time

A

B

C

D

Hệ số phân bố: tỉ số thời gian lưu của hai thành phần (K)

X 2 - X 0

X 1 - X 0



Moderate Polarity Molecules LSC or LLC

Compounds with Similar Functionality LSC or LLC

Compounds with Differing Solubility LLC

Mixture of Varying Sized Molecules GCC

6 Các phần tính toán thiết bị sắc kí: xem trong tài liệu Chemical Engineering

Response

Retention Time

R e t e n R

S a m p l e T y p e

R

-N

2

1 o

Phụ lục:

Mô tả quá trình tách các thành phần qua sắc kí cột

Cột sắc kí silica-gel

Qui trình công nghệ sản xuất biodiesel từ tảo

Nuôi bình

Ly tâm

Sấy: Tảo khô

Trích ly soxhlet

Dầu tảo sau trích ly Dầu tảo sau cô quay

Tinh chế: cột

silicagel Tinhbentonitechế: cột Dầu sau tinh chế

Transesterification