PHUƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION ppsx

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 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 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 tương tác
hoá 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. 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 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 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 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 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 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
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 dụ : 2HR +

Ca 2+
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 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 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 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 .
5- Cơ chế trao đổi ion
Có rất nhiều giả thuyết giải thích cơ chế quá

trình trao đổi ion hiện nay còn chưa thống 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 ,nguời ta cho
rằng trên bề mặt cao phân tử của chất trao đổi
ion có rất nhiều lớp điện 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 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 .
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 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 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 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 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 .
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 hoà tan trong nước với

lượng lớn có thể gây nhiễu loạn hoạt động của
nhựa .
- Các chất oxy hoá mạnh Cl 2,O3,….có thể tác
dụng xấu lên nhựa .