đề tài ứng dụng của phương pháp trao đổi ion trong nước

Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
VIỆN KHCN & QLMT
---------------MÔN :

KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CẤP
ĐỀ TÀI :

Thành phố Hồ Chí Minh,tháng7, năm 2010

1


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

MỤC LỤC
I. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION…...2
I.1 Giới thiệu………………………………………………………. 2
I.2 Cơ sở của phương pháp trao đổi ion
I.3 Vật liệu trao đổi ion………………………………………...2
I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ………………………………….3
I.3.2 Vật liệu trao đổi ion trên than………………………...........4
I.4 Nhựa trao đổi ion……………………………………………… 6
I.4.1 Nguyên tắc chế tạo…………………………………………8
I.4.2 Cationit……………………………………………………..9

I.4.3 Anionit…………………………………………………….10
I.4.4 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion………………….11
I.5 Thứ tự ưu tiên khi trao đổi……………………………………..11
I.6 Cơ chế trao đổi ion…………………………………………….12
I.7 Cân bằng trao đổi ion………………………………………….13
I.8 Thiết kế cột trao đổi ion……………………………………….16
I.9 Tái sinh các ionit………………………………………………17
I.10 Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion…………………………...17
II. XỬ LÝ CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI
ION.
II.1 Xử lý amoni ( NH4+) trong nước ngầm…………………………19
II.2 Khử sắt trong nước ngầm……………………………………….20
II.2.1 Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng……………...20
II.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình khử sắt…………………...23

2


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

II.2.3 Áp dụng quá trình khử sắt vào việc xử lý nước ngầm để cấp nước cho cộng
đồng dân cư nông thôn……………………………………………25
II.2.4 Khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion……………………28
II.3 Xử lý arsen………………………………………………………28
II.3.1 Vai trò arsen và nguồn gốc arsen do hoạt động phát triển...28
II.3.2 Phương pháp xử lý…………………………………………29
II.4 Làm mềm nước…………………………………………………..30
II.5 Xừ lý nitrat……………………………………………………….31

III. QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP TRAO ĐỔI ION……………………………………………….32
III.1 Một số giai đoạn về công nghệ khử nitrat trong nước cấp……….32
III.2 Phương pháp khử nitrat…………………………………………..33
III.3 Nguyên lý trao đổi ion cột tháp…………………………………..35
III.4 Qúa trình hồn ngun…………………………………………...37
III.5 Qui trình cơng nghệ xử lý………………………………………..38.
IV. KẾT LUẬN…………………………………………………………..38

3


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

І. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
I.1. Giới thiệu.
Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình
xử lý nước thải cũng như nước cấp.
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
Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành
khá cao nên ít được sử dụng cho các cơng trình lớn và thường sử dụng cho

các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao.
Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối¬
tượng.
I. 2- Cơ sở của phương pháp:
Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hố 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. Q trình này phụ thuộc vào
từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau .

4


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

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 ; và 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.
I.3 . Vật liệu trao đổi ion.
Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp,
có nguồn gốc vơ cơ hay hữu cơ, Chúng được coi là một nguồn tích trữ các
ion và có thể trao dổi dược với bên ngồi, Chất trao đổi ion ở đây là dạng
rắn khơng tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ.
Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức
chứa hai thành phần tích điện: của nhóm chức cố định và của ion linh động

có thể trao đổi được.
Cấy trúc của chúng có thể được mơ tả:
Dạng
Mạng chất
Điện tích
chất trao đổi
rắn
nhóm chức
Cationit Vơ cơ, hữu cơ
Âm
Anionit Vơ cơ, hữu cơ
Dương
Lưỡngt Vơ cơ, hữu cơ
Âm,dương
ính

Ion
linhđộng
Dương
Âm
Âm,dương

Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với
cationit và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu khơng nhóm chức của chúng
tồn tại ở thái khơng phân li, điện tích tỏng của nhóm chức bằng khơng. Chất
trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả
năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở thái trung hòa tại điểm đẳng
điện.
Phân loại vật liệu trao đổi ion:
A. Loại cationit

a.Vô cơ
5


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

-tự nhiên (zeolit, khoáng sét).
-tổng hợp(zeolit tổng hợp, permutit, silicat tỗng hợp).
b. Hữu cơ
-Tự nhiên (than bùn, ligin).
-than sunfon hóa.
-Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản úng trùng ngưng.
Polymer hóa).
B. Loại anionit
a.Vơ cơ
-Tự nhiên (dolomite, apatit,hydroxyl apatit).
-Tổng hợp (silicat của kim loại nặng).
b. Hữu cơ
-Tổng hợp (nhựa trao đổi ion).
I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ.
Chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các
loại zeolit tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp. Các loại zeolit tự nhiên như
analcite, chabazite, harmotome…Các loại zeolit này có hệ mao quản rộng
thuận lợi cho q trình trao đổi ion. Các ion có thể trao đổi linh động,
chuyển dịch khá tự do trong các gốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+,
Ca2+, K+, Mg2+. Dung lương trao đổi của chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit,
độ sạch của sẩn phẫm.
Khoáng sét cấu trúc lớp như montmorilonit, vermiculite cũng có tính

năng trao đổi ion. Các ion này nằm giữa các lớp của cấu trúc mạng, q trình
hydrat hóa các ion này gây ra tính trương nở của khoáng sét. Dung lượng
trao đổi của khoáng sét thấp hơn so với zeoli, nằm trong khoảng trên dưới
1mdl/g.
Glauconite là khống sắt (П) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi
được là kali. Cấu trúc mạng của nó khá chặt nên quá trình trao đổi ion chỉ

6


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

diễn ra ở bề mặt bên ngoài, tuy nhiên nếu ở trạng thái phân tán cao, dạng
keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể.
Một số vật liệu trong tự nhiên có tính năng trao anion như dolomite,
silicat kim loại nặng. Tuy vậy chỉ có apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyl apatit
[Ca5(PO4)3]OH là có ứng dụng trọng thực tiễn.
Zeolit là loại khống vật khá mềm, độ chịu mài mịn thấp, hệ mao
quản nhỏ, độ dẻo thấp. Khả năng trương nở thấp và hệ mao quản nhỏ nên
các ion trao đổi trong đó có độ linh động khơng cao,
Khống sét cấu trúc lớp có khả năng trương nở cao, q trình trao đổi
ion dễ dàng hơn nhưng loại vật liệu này có độ bền cơ học tháp, kích thước
nhỏ khó sử dụng trong thực tiễn. Tất cả vật liệu trao9 đổi ion vô cơ ( tự
nhiên và tổng hợp) đều kém bền về mặt hóa học, bị axit và kiềm phá hủy,
điều đó hạn chế ứng dụng trong thực tiễn, tức là chỉ sử dụng chúng trong
khoảng pH hẹp. Nhiều loại cũng không bền trong dung dịch một số muối.
Giai đoạn tỏng hợp các loại zeolit, ngoài khả năng hấp phụ các phân
tử trung hịa, zeolit tổng hợp có dung lượng trao đổi cao hơn nhiều so với

zeolit yu75 nhiên.
Một số loại oxit kim loại: Fe2O3,Al2O3, MnO2, Cr2O3, Tio2, ZrO2,
ThO2, SnO2 là chất lưỡng tính axit- bazo, chúng có khả năng trao đổi cation
nếu pH của môi trường cao hơn điểm đẳng điện, chúng được sử dụng cho
một số trường hợp đặc thù như hấp phụ flo, asen trên nhôm oxit.
I. 3. 2 Vật liệu trao đổi ion trên than.
Rất nhiều loại than có khả năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề
mặt than như COOH, OH là các axit1 yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều
kiện thích hợp. Tuy vậy các vật liệu này dễ bị kiềm phá hủy và có xu hướng
7


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

petit hóa. Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được ổn định thong qua các
biện pháp xử lí.
I.4- Nhựa trao đổi ion.
Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có khả năng hấp thu các
ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm
gọi là anionit. Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả
năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính .
Về cấu tạo : 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 khơng hồ tan

và giai bền. Cầu nối trong Resin
Chất trao đổi ion thông là cầu nối 3 chiều. Trong Resin có cấu trúc
rỗng .
Phân loại : có 4 loại Resin
- Resin Cation acid mạnh
- Resin Cation acid yếu
- Resin Anion bazơ mạnh
- Resin Anion bazơ yếu
Tính chất vật lý
o Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc
của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút.
8


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

o Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn
o Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến
đổi lớn.
o Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm
khô) , hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt).
o Tính chịu nhiệt : các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn
nhất định , vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng
được . Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50o C.
o Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ
thuộc vào dạng ion.
o Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm.
o Tính chịu mài mòn : trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và

nở ngót , có khả năng dể vỡ vụn . Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính
năng thực dụng của nó.
o Tính chịu oxy hố: chất oxy hố mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hố (trơ)
Tính năng hố học:
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 biểu thị 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
chất trao 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 khơng phải là

9


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

hằng số
Dung lượng trao đổi làm việc : Dung lượng trao đổi được xác định dưới
điều kiện vận hành thực tế.
Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:
Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch . Dựa trên tính chất này
người ta dùng dung dịch chất hồn ngun , thơng qua chất trao đổi ion đã
mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó .
CaR 2 + 2H +( nhựa trao→Thí dụ : 2HR + Ca 2+ đổi) 2HR + Ca 2+(hoàn
nguyên)→CaR 2 + 2H+
Tính acid , kiềm : tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH

,giống chất điện giải acid, kiềm.
Tính trung hồ và thuỷ phân : tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất
trao đổi ion giống chất điện giải thơng thường .
Tính chọn lựa của chất trao đổi ion
- Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch , nhiệt độ bình thường, khả năng
trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng.
I.4.1. Nguyên tắc chế tạo
Nhựa trao đổi ion bắt buộc phải bao gồm: mạng hidrocacbon ba chiều
và các nhóm chức phân li gắn trên mạng đó. Có nhiều phương àn để đật
được mục tiêu trên: monome là các chất điện li hữu cơ được tạo thành các
polymer có liên kết ngang tạo cấu trúc không gian ba chiều, monomer là các
phân tử trung hịa, các nhóm chức phân li được gắn vào mạng khi đã tạo
thành mạng polymer, hình thành các nhóm chức điện li đồng thời và sự hình
thành polymer.

10


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Polyme khơng được tan nhưng cần phải có độ trương nở nhất định,
điều đó có thể thực hiện thơng qua việc điều chỉnh chất lượng khâu mạch.
Polymeco1 mang nhóm chức mạch thẳng tan trong nước (các chất trợ keo
tụ), polymer có mức có mức đọ liên kết ngang cao, tạo ra mạng ba chiều đặc
sẽ khơng có độ trương nở, khi đó các ion bị “nhốt” trong đó khơng trao đổi
được. Vì vậy cần phải kiểm sốt mức độ liên kết ngang của mạng.
Để tạo ra mạng polymer ba chiều cần có monomer thích hợp và chất
khâu mạch. Phản úng trùng ngưng và polymer hóa cho phép đạt được mục

tiêu đó.
I.4.2 Cationit.
Sản phẩm trùng ngưng của phenol và fomaldehyd hoặc các loại
polyphenol với các aldehyd khác là các cationit được chế tạo sớm nhất. Các
sản phẩm này chỉ chứa nhóm OH có cường độ axit rất thấp. Ngưới ta gắn
các nhóm axit mạnh qua phản ứng sufon hóa với axit sunfuric trước khi tiến
hành phản ứng trùng ngưng. Sản phẩm tạo thành chứa hai loại nhóm chức (SO3H và OH).
Loại cationit mạnh thông dụng là loại copolymer trùng hợp từ styren
và divinyl benzene với hàm lượng divinyl benzene thường nằm trong
khoảng 8- 20%, q trình sulfon hóa được tiến hành sau phản ứng polymer
hóa. Sản phẩm loại này có độ bền nhiệt và bền hóa cao hơn loại sản phẩm
trùng ngưng. Cationit yếu chứa nhóm hoạt động COOH điều chế qua phản
ứng copolymer hóa của axit hữu cơ hoặc axit anhidrid với chất khâu mạch
divinyl benzene. Sản phẩm thông dụng được điều chế từ axit acrylic hoặc
methacrylic với divinyl benzene. Do có tính axit yếu, mức độ phân ly của

11


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

chúng phụ thuộc vào pH. Các nhóm chức này phần lớn ở dạng trung hòa khi
pH < 3, độ phân li tăng dần khi pH tăng và phân li hoàn toàn ở Ph = 10.
Nhựa trao đổi chứa hai loại nhóm chức SO3H và COOH có thể chế
tạo thơng qua sulfon hóa polymer acrylic hay methacrylic.
Cationit đặc thù là loại có độ chọn lọc cao đối với một loại cationit
nào đó. Loại đặc thù dựa trên nguyên tắc là các ion tạo phức bền hay kết tủa
(tạo hợp chất không tan) với các nhóm chức của nhựa. Cationit yếu chứa

nhóm COOH có độ chon lọc cao với proton vì nó tạo thành axit yếu khó
phân li. Nhựa trao đổi chứa nhóm chức dipicryl amin có độ chọn lọc cao đối
với K+, nhóm axit anthranilic tạo phức vịng với kẽm và các kim loại chuyễn
tiếp.
Thơng thường các catioint có độ chọn lọc cao thì có tốc độ trao đổi
chậm. Mặt khác, q trình tái sinh các ion đặc hiệu khá khó khăn, đơi khi
khong tái sinh được. Vì vậy, việc chọn lựa vật liệu trao đổi cho một mục tiêu
nào đó cần phải cân nhắc lĩ để tìm được sự hài hòa giữa độ chọn lọc, tốc độ
trao đổi và khả năng tái sinh.
I.4.3 Anionit.
Anionit đang được sử dụng là loại hữu cơ tổng hợp. Nhóm chức trong
anionit là các amin. Nhóm amin bậc một (-NH2), bậc hai (-NHR), bậc ba (NR2) là các nhóm bazo yếu, amin bậc bốn (-N+R3OH-) là loại bazo mạnh.
Anionit bân đầu được chế tạo là sản phẩm polymer trùng ngưng, và nó
bị thay thế bởi các polymer trùng hợp có độ bền cao hơn cũng giồng như
trường hợp đối với cationit. Anionit có mùi tanh của amin ngay ở nhiệt độ
thường, ở khoảng 60oC chúng bắt đầu phân hủy và nhả ra methanol và amin
bậc 3.

12


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Anionit có khả năng phá hủy bởi các chất hữu cơ có kích thước lớn
như axit humic, fulvic tồn tại trong nước thiên nhiên, loại có tính bền đối với
các tác nhân trên được chế tạo với mạng polymer là polyacrylamide và chất
khâu mạch là divinyl benzene.
Trong khi các anionit mạng phân li ở mọi pH thì các anionit yếu chỉ

hoạt động trong vùng pH < 7. Trong vùng pH cao các nhóm chức tồn tại ở
trạng thái trung hịa, ở vùng pH thấp lien kết với proton tạo rat rung tâm
mang điện tích dương. Anionit yếu bền nhiệt hơn loại mạnh, anionit yếu
dạng polystyrene có thể hoạt động ở vùng 100oC.
I.4.4 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion.
Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc huyền phù
,chất keo và nhũ màu .Sự có mặt các chất này có thể rút ngắn tuổi thọ của
nhựa .
Loại bỏ các chất hữu cơ bằng nhựa rất phức tạp ,cần có nghiên cứu
đặc biệt.
Sự có mặt của khí hồ tan trong nước với lượng lớn có thể gây nhiễu
loạn hoạt động của nhựa .
Các chất oxy hố mạnh Cl 2,O3,….có thể tác dụng xấu lên nhựa.
I.5 . Thứ tự ưu tiên khi trao đổi
Đối với nhựa Cationit acid mạnh(SAC) ,
Fe 3+>Al 3+> Ca 2+>Mg 2+ > K+>H+>Li+
Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC)
H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+> Na+>Li+
Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA)
Đối với nhựa anionit kiềm yếu (WBA)

13


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Ở hàm lượng ion thấp ,nhiệt độ bình thường và những ion cùng hoá trị
,khả năng trao đổi tăng khi số điện tử của ion trao đổi lớn (bán kính hydrat

hoá lớn)
Ở hàm lượng ion cao ,khả năng trao đổi của các ion không khác nhau
nhiều lắm .
I.6. Cơ chế trao đổi ion.
Qúa trình trao đổi ion có thể biểu diễn:
R- -I+ + M+X ↔ R-M+ + I+X
R+Y +M+X ↔ R+X +M+Y
R-I+ là cationit vì nó có ion dương I+ có thể trao đổi được với ion M+
trong dung dịch, R+Y là anionit có khả năng trao đổi với các ion âm Xtrong dung dịch. R- , R-+ là mạng chất không tan của chất trao đổi ion, với
các loại nhựa trao đổi ion nó gồm mạng polymer ba chiều của liên kết
hidrocacbon và các nhóm chức tích điện âm như SO, COO- ( đối với
cationit) và nhóm chức tích điện dương –NR+ (đối với anionit).
Với các cationit, I+ thường là H+ hay Na+, tương ứng nó được gọi là
cationit dạng H+ hay Na+. Anionit cũng thường tồn tại ở hai dạng là Cl- vá
OH.
Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ có thể
phân ra : lớp hấp phụ và lớp khuếch tán .Lớp ion có tính hoạt động tương
đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay
lớp cố định ,nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phận ion ngược dấu
.Cạnh ngoài lớp hấp phụ ,các ion có tính hoạt động tương đối lớn , có khả
năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớp khuếch tán .

14


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Khi nhựa trao đối ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, các tác dụng

sau đây sẽ diễn ra:
o Tác dụng trao đổi :
Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trong
dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau .Nhưnh do q trình trao đổi ion không
giới hạn ở lớp khuếch tán ,do quan hệ cân bằng động ,trong dung dịch cũng
có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán ,sau đó sẽ
trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.
o Tác dụng nén ép:
Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớn ,có thể làm cho lớp
khuếch tán bị nén ép lại .Từ đó , một số ion ngược dấu trong lớp khuếch tán
biến thành ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu
trong lớp hấp phụ …, Pham vi hoạt động của lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất
lợi cho quá trình trao đổi ion . Do đó cần chú ý nếu nồng độ dung dịch hồn
ngun q lớn ,khơng những khơng thể nâng cao mà cịn giảm thấp hiệu
quả hồn nguyên.
Tốc dộ quá trình trao đổi ion
Như trong quá trình hấp phụ ,tốc độ trao đổi ion tuỳ thuộc trên tốc độ của
các quá trình thành phần sau:
- Khuếch tán của các ion từ trong pha lỏng đến bề mặt của hạt rắn .
- Khuếch tán của các ion qua chất rắn đến bề mặt trao đổi .
- Trao đổi các ion (tốc độ phản ứng )
- Khuếch tán của ion thay thế ra ngoài bề mặt hạt rắn
- Khuếch tán của các ion được thay thế từ bề mặt hạt rắn vào trong dung
dịch .

15


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

I .7. Cân bằng trao đổi ion.
Cân bằng trao đối ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với
một dung dịch chất điện ly, ion trao đổi của dung dịch và trong nhựa trao đổi
có bản chất khác nhau.
Gỉa sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung
dịch là B. Qúa trình trao đổi ion diễn ra:
-R – A + B → -R – B + A
- R là mạng polymer chứa nhóm chức. Trong trạng thái cân bằng các
ion trao đổi A, B có mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion. Trao
đổi ion là quá trình thuận nghịch và vì vậy rất khó phân biệt là cân bằng
được tiệp cận từ phía nào, tức là A trao đổi với B hay ngược lại.Tuy nhiên
sự phân bố cả A và B trong hai pha ở trạng thái cân bằng là như nhau đối với
cả hai trường hợp miễn là tổng nồng độ của chúng trong hệ không thay đổi.
Tỉ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau.
Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và về mặt
lí thuyết.
Quan hệ hàm số phụ thuộc ion trái dấu của chất trao đổi ionvao2
thành phần ion trái dấu của dung dịch ngồi ở nhiệt độ và áp suất khơng đổi
gọi là đường đẳng nhiệt của trao đổi ion. Các đường đẳng nhiệt biểu thị bằng
đồ thị ở hệ trục không thứ nguyên a i – ai, với :
z i ci

z i ci
ai =

và

n

∑z c
i =1

i

i

ai =

n

∑z c
i =1

i i

a i và ai - phần tương đương của ion I trong chất trao đổi ion và dung

dịch;

16


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

c i – nồng độ ion I trong chất trao đổi ion khi hệ đạt cân bằng mol

ion/g chất trao đổi ion;
ci – nồng độ ion I trong dung dịch khi hệ đạt cân bằng;
zi – điện tích của ion i.
các đại lượng a i và ai thay đổi từ 0 đến 1, do đó trao đổi đẳng nhiệt a
i =

f(ai) sẽ được biểu thị trong biểu đồ hình vng có cạnh bằng 1.
- Tỷ số

ai
được gọi là hệ số phân bố của ion i khi hệ số hút là K PI .
ai

Hệ số này biểu thị mức làm giàu và làm nghèo của chất trao đổi ion bằng
một chất;
- khi K PI < 1: chất trao đổi ion bị làm nghèo;
- khi K PI >1: chất trao đổi ion được làm giàu bởi cấu tử I so với dung
dịch cân bằng.
Nếu một dung dịch chứa một số ion, ví dụ như ion A và B thì tính
chọn lọc của chất trao đổi ion được đánh giá bởi hệ số chọn lọc K A, B và bằng
ti số giữa hệ số phân bố của các ion đó:
K A, B =

K PA a A .a B C A .C B
=
=
K PB a A .a B C A .C B

- khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion A;
-khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion B;

-khi

, không lựa chọn ion nào cả.

Khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhỏ hơn 0,003 mol/l thì
tốc độ trao đổi được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion qua màng
chất lỏng.

17


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Khi nồng độ chất gây ô nhiễm bằng 0.1 mol/l tốc độ bởi quá trình
được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion trong hạt.
Trong vùng nồng độ từ 0,003 đên 0,1 mol/l tốc độ quá trình được xác
định bởi hai q trình khuếch tán.
Số BIO được tính như sau:
Bi =

βr0
( K H D ) = số BIO

Trong đó:
β – hệ số cấp khối:
r0 - bán kính của hạt;
K H - hằng số henri;
D - hệ số dẫn khối.

Hệ số khuếch tán của các ion trong nhựa trao đổi có giá trị trong
khoảng 10-6 -10-9 cm2 /s , còn trong nước là 10-4 -10-5 cm2/s. Hệ số khuếch tán
bị giảm khi tăng kích thước của các ion bị hidrat hóa trong dung dịch và tăng
điện tích các ion trái dấu của nhựa trao đổi ion.
I.8. Thiết kế cột trao đổi ion.
Qúa trình trao đổi ion gồm các giai đoạn: di chuyển các ion trao
đổiqua màng chất lỏng bao xung quanh hạt nhựa trao đổi: khuếch tán các ion
trong mao quản của nhựa trao đổi và quá trình trao đổi.
Trở lực của hai giai đoạn đầu có thể kết hợp trong hệ số chuyển khối
tổng như trong hấp thụ. Khi đó có thể sử dụng phương trình tốc độ q trình
hấp phụ để tính tốc dộ trao đổi theo chiều cao chất trao đổi Dz:
S.Dy = kt .a (Y-Y*) Dz
Trong đó:

18


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

S- lưu lượng dòng nước thải qua cột trao đổi;
Kt – hệ số chuyển khối tổng;
a-diện tích bề mặt ngồi của hạt rắn;
Y* - nồng độ cân bằng
Y- nồng độ làm việc
Z- chiều cao lớp chất trao đổi ion
Tổng số đơn vị chuyển khối của toàn bộ vùng trao đổi cũng có thể
tính thoe cơng thức:

Za
Za
dY
Nt = ∫
= S a
* =
Ht
YB Y − Y
Kt
YE

I.9. Tái sinh các ionit.
Các cationit được tái sinh bằng dung dịch axit có nồng độ từ 2 đến 8%
và chúng chuyển thành dạng –H+.Các dung dịch tái sinh chứa các cation.
Sau khi nới lỏng và rửa, các cation sẽ nạp điện tích, ( ví dụ thành dạng –Na
bằng cách cho dung dịch muối ăn đi quá chúng. Khi đó nhóm chức năng –H+
nhận được trong tái sinh các cationit bằng axit được thay đổi ở nhóm –Na,
cịn dung dịch muối ăn được sử dụng để tích điện sẽ bị oxy hóa tới HCl).
Người ta tái sinh các anionit đã được sử dụng trong trao đỗi ion bằng
dung dịch kiềm. Khi đó các anionit chuyển sang dạng OH-. Các dung dịch
tái sinh chứa các anion được tách ra từ nước thải ở dạng nồng độ cao. Khi
cần thiết anionit được tái sinh từ dạng –OH- có thể chuyển thành dạng-Clbằng cách cho dung dịch NaCl đi qua. Trong dung dịch tích điện, NaOH
được tích tụ lại. Các dung dịch tái sinh là các dịch axit hoặc kiềm. Sự trung
hòa được tiến hành bằng trộn các dung dịch tái sinh axit và kiềm.
I.10. Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion.
19


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Sự loại khống hồn tồn bao gồm: một cột trao đổi cation và một cột
trao đổi anion kiềm yếu như ở hình 1.
Cũng có thể sử dụng trao đổi ion hỗn hợp cả cation và anion theo sơ
đồ làm việc gián đoạn như ở hình 2.

Hình 1
Dịng
vào
A+ B-

Chất trao
đổi dạng C+

Chất trao
đổi dạng
D+

C+ D-

20


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Nước rửa
Nước thải

5

4

3
7

2

1

6
Nước rửa

8

Nước sạch

Hình 2:
1.cột trao đổi: 2. lười đỡ: 3. lớp ionit: 4 đến 6. bộ phận phân bố; 7. thùng
chứa dung dịch tái sinh; 8. bơm.
П. XỬ LÍ CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG NƯỚC BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION.

21


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

П.1 Xử lý amoni (NH4 +) trong nước ngầm.
Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm ứng dụng kỹ thuật trao đổi
ion trên vật liệu trao đổi ion là nhựa cationit; các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình trao đổi amoni là nồng độ amoni trong nước đầu vào, tốc độ dịng chảy,
độ cứng của nước và thời gian hồn nguyên…
Theo đó, trong điều kiện trao đổi tĩnh, thời gian để hệ đạt cân bằng
nằm trong khoảng 60 phút. Tuy nhiên ở thời điểm 30 phút đầu nhựa đã hấp
thu được 84-90% ion amoni so với thời điểm hệ đạt cân bằng. Đẳng nhiệt
trao đổi ion của nhựa C100 với ion amoni trong mẫu khơng có độ cứng và
với mẫu có độ cứng đều tuân theo đường thẳng nhiệt Freundlich, không tuân
theo đường đẳng nhiệt Langmuir ở nồng độ khảo sát 10 mg NH4 +/l đến 50
mg NH4 +/l. Tốc độ dịng vào ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni của
nhựa cationit C100. Tuy nhiên, chiều cao tầng chuyển khối trong cột phụ
thuộc rất lớn vào tốc độ dịng chảy. Tốc độ dịng càng tăng thì chiều cao
tầng chuyển khối càng tăng. Độ cứng trong nước đầu vào ảnh hưởng rất lớn
đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit C100. Độ cứng tăng làm tăng
chiều cao tầng chuyển khối nhưng ít ảnh hưởng đến tổng dung lượng hoạt
động của nhựa. Nồng độ amoni đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử
lý amoni trong cột. Khi nồng độ amoni đầu vào tăng thì chiều cao tầng
chuyển khối tăng và dung lượng hoạt động tổng của nhựa đối với ion amoni
và ion canxi ít thay đổi (dao động trong khoảng 1,1 đl/l đến 1,14 đl/l). Độ
chọn lọc của nhựa cationit C100 đối với ion Ca2+ cao hơn ion NH4 +, thể hiện
rất rõ trong tất cả đường làm việc của cột. Các thông số như nồng độ amoni
trong nước đầu vào và độ cứng trong nước đầu vào đều lựa chọn khoảng
khảo sát rất phù hợp với đặc thù nước ngầm ô nhiễm amoni trong nước

22

Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

ngầm một số vùng của nước ta. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để thiết
kế cột trao đổi ion xử lý amoni trong nước ngầm phục vụ cấp nước.
П.2 Khử sắt trong nước ngầm.
Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hố trị 2 (Fe
2+) là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO)2; FeSO4…hàm
lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng
đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Nước có hàm lượng sắt cao, làm
cho nước co mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất
lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Do đó, khi mà nước có hàm
lượng sắt cao hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thì chúng ta phải tiến
hành khử sắt.
Các hợp chất vơ cơ của ion sắt hố trị II:
, Fe(OH)2, FeCO3, Fe (HCO3)2, FeSO4, v.v…
Các hợp chất vô cơ của ion sắt hố trị III:
Fe(OH)3, FeCl3 …trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng
đọng trong các bể lắng và bể lọc. Vì thế các hợp chất vơ cơ của sắt hồ tan
trong nước hồn tồn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thống lấy
oxy của khơng khí để oxy hố sắt hố trị II th ành sắt hố trị III và cho q
trình thuỷ phân, keo tụ Fe(OH) xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc
tiếp xúc và các bể lọc
Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat FeSiO(OH)3 +3)
Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic,…
Các ion sắt hoà tan Fe(OH)+, Fe(OH)3 tồn tại tuỳ thuộc vào giá trị thế
oxy hố khử và pH của mơi trường. Các loại phức chất và hỗn hợp các ion
hoà tan của sắt không thể khử bằng phương pháp lý học thông thường, mà

23


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

phải kết hợp với phương pháp hoá học. Muốn khử sắt ở dạng này phải cho
thêm vào nước cá chất oxy hoá như: Cl -,KMnO4, Ozone, đã phá vỡ liên kết
và oxy hoá ion sắt thànhion hoá trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ
FeCl 3 , Al(SO4)3 và kiềm hố để có giá trị pH thích hợp cho quá tr ình
đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc
tiếp xúc và bể lọc trong.`
II.2.1. Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng
• Làm thống đơn giản trên bề mặt bể lọc
Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa trên bề mặt lọc, lỗ phun
có đường kính 5 đến 7 mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0,5
đến 0,6m. Lưu lượng phun vào khoảng 10m3 /m2.h.
• Làm thống trực tiếp trên bề mặt bể lọc
Nó chỉ nên áp dụng khi nước nguồn có hàm lượng sắt thấp và khơng
phải khử CO2.
• Tháp làm thoáng tự nhiên
Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu ôxy
kết hợpvới khử khí CO2. Do khả năng trao đổi của O2 lớn hơn CO2 nên
tháp được thiết kế cho trường hợp khử CO2. Giàn mưa cho khả năng thu
được lượng ơxy hồ tan bằng 55% lượng ơxy bão hồ và có khả năng khử
được 75-80% lượng CO2 còn lại sau khi làm thống khơng xuống thấp hơn
5-6mg/l.
• Tháp làm thống cưỡng bức
Cấu tạo của tháp làm thoáng cưỡng bức cũng gần giống như tháp làm

thoáng tự hiên, ở đây chỉ khác là khơng khí được đưa vào tháp cưỡng bức
bằng quạt gió. Khơng khí đi ng ược chiều với chiều rơi của các tia nước.
24


Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp

GVHD:Cao Thị Thúy Nga

Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40 m3 /m2 .h. Lượng khơng khí cấp
vào từ 4 đến 6m3 cho 1m3 nước cần làm thống.
• Bể lắng tiếp xúc
Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước lại sau q trình làm thống
trong một thời gian đã để q trình ơxy hố và thuỷ phân dắt diễn ra hồn
tồn, đồng thời tách một phần cân nặng tr ước khi chuyển sang bể lọc. Trong
thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 đến 45 phút. Bể lắng tiếp
xúc có thể đ ược thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới giàn
làm thoáng.
Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc sơ bộ được áp dụng khi hàm lượng sắt
trong nước nguồn cao hoặc cần khử đồng thời cả mangan. Bể lọc tiếp xúc có
cấu tạo như các bể lọc thông thường với lớp vật liệu lọc bằng sỏi , than
antraxit, sành, sứ…có kích thước hạt lớn. Tốc độ lọc thường khống chế
trong khoảng 15 đến 20m/h.
• Bể lọc cặn sắt
Để lọc sạch nước có chứa cặn sắt, sử dụng các bể lọc nhanh thông
thường. Do khác với bể lọc cạn bẩn bình thường ở chỗ quá trình ơxy hố và
thuỷ phân sắt con tiếp tục xảy ra trong lớp vật liệu lọc, n ên ngay từ đầu chu
kỳ loc, cặn đã bám sẵn trong lớp vật liệu lọc và độ chứa cặn của lớp vật liệu
lọc sẽ cao hơn.
Vì vậy, vật liệu lọc có thể lấy cấp phối hạt lớn hơn, đương kính trung

bình hạt từ 0,9 đến 1,3 mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1,0 đến 1,2m, tốc độ lọc
lấy từ 5 đến 10m/h. Do cặn sắt bám chắc n ên phải rửa lọc bằng nước và khí
kết hợp, lưu lượng nước rửa thực tế thường dùng từ 10 đến 12 l/m2 .s. Nếu

25