PHUƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION doc

PHUƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
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 nư
ớc 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 ph
ương pháp này là
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
chất lượng xử lý cao.
 Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và
xử lý có chọn lựa đối tượng.

2- Cơ sở của phương pháp:
Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự t
ương tác

hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong
pha rắn .Trao đ
ổi 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
th
ế chổ các ion có trên khung mang của nhựa
trao đ
ổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại
nhựa trao đổi và các loại ion 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 ; 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.

3- Nhựa trao đổi ion
Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có
khả năng hấp thu các ion dương gọi là ca
tionit,
ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các
ion âm g
ọi là anionit. Còn các ionit vừa có khả
năng hấp thu cation ,vừa có khả năng h
ấp 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 đ
ổi 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 g
ọi là
nhựa trao đổi ion (resin) .Resin được tạo ra
bởi sự trùng ngưng từ styren
vàdivinylbenzen(DVB). Phân t
ử styren tạo nên
cấu trúc cơ b
ản 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 .
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.
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 hư
ởng
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 đi
ện
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 ch
ịu mài mòn : trong vận hành các chất
trao đ
ổi 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 ch
ịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể
làm cho nhựa bị lão hoá (trơ)
 Tính năng hoá học:
Dung lượng trao đổi
Dung lượng trao đổi là biểu thị mức đ
ộ 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 đ
ổi 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 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 hoàn nguyên , thông qua chất
trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại
năng lực trao đổi của nó .
CaR 2 + 2H +( nhựa trao đổi)Thí d
ụ : 2HR +
Ca 2+
2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)CaR 2 + 2H+
 Tính acid , kiềm : tính năng c
ủa chất Cationit
RH và chất Anionit ROH ,giống chất điện giải
acid, kiềm.

 Tính trung hoà và thuỷ phân : tính n
ăng 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 lư
ợng ion thấp trong dung dịch , nhiệt
độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi
hoá trị của ion trao đổi tăng.

4- 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)

- Ở hàm lượng ion thấp ,nhiệt độ bình thư
ờng
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 .
5- Cơ chế trao đổi ion
Có rất nhiều giả thuyết giải thích cơ chế quá
trình trao đổi ion hiện nay còn chưa th
ống nhất

.Trong công nghệ xử lý nước giả thuyết thích
hợp nhất coi chất trao đổi ion là vật chất có
cấu tạo dạng keo .Trên quan điểm đó ,ngu
ời ta
cho rằng trên bề mặt cao phân tử của chất
trao đổi ion có rất nhiều lớp đi
ện tích kép giống
bề mặt keo.
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
m
ặt 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 .
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 đ
ổi vị
trí lẫn nhau .Nhưnh do quá 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 l
ớn
,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 hoàn nguyên quá lớn ,không
những không thể nâng cao mà còn giảm thấp
hiệu quả hoàn 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 đ
ến
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 .
 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 b
ằng nhựa rất phức
tạp ,cần có nghiên cứu đặc biệt
- Sự có mặt của khí hoà tan trong nước với
lượng lớn có thể gây nhiễu loạn hoạt đ
ộng của
nhựa .
- Các ch
ất oxy hoá mạnh Cl 2,O3,….có thể tác
dụng xấu lên nhựa .
 Quá trình vận hành:
 Trao đổi
 Rửa ngược
 Hoàn nguyên
 Rửa chậm và nhanh