Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường chương 7 ths lê nguyễn kim cương

Mục tiêu

TÊN MÔN HỌC:
HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

v Hiểu được cơ sở các quá trình trao đổi ion.
v Vận dụng lựa chọn các qui trình xử lý chất
thải bằng phương pháp trao đổi ion.

CHƯƠNG 7:
TRAO ĐỔI ION
Giảng viên:
ThS Lê Nguyễn Kim Cương
LOGO
ThS Nguyễn Văn Phương

Chương 7: TRAO ĐỔI ION
7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION
7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION
7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION

7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
v Chất trao đổi ion thông thường được hiểu là
vật liệu rắn không tan trong nước, gắn trên
mình nó là các cation hay anion có thể trao đổi
được.
Ø

Cationit là loại trao đổi cation (+).

Ø

Anionit là loại trao đổi anion (-).

v Chất trao đổi ion lưỡng tính là loại trao đổi
cả ion dương và âm.

1


v Trao đổi ion là sự thay thế của một ion
(cation hay anion) từ dung dịch với một ion
cùng dấu được cố định bởi lực tĩnh điện trên
một chất rắn không tan

b1

v Dung lượng trao đổi ion là khả năng trao đổi
tính bằng mol hay đương lượng của một chất
trao đổi trên một đơn vị khối lượng.
v dung lượng động ≤ dung lượng tĩnh ≤ mật
độ nhóm chức.

Cơ chế trao đổi ion có thể biểu diễn:
R- I+ + M+X- ⇌ R- M+ + I+XR+Y- + M+X- ⇌ R+X- + M+Y-

v Quá trình trao đổi dựa trên sự cạnh tranh
lực tương tác tĩnh điện giữa bị ion trao đổi và

R- như R’-SO3-, R’-COO- (đối với cationit)

R+ như R’–NH3+ (đối với anionit).
I+ thường H+; Na+.
Y- thường Cl- ; OH-.

bằng điện tích.

ion trao đổi.
v Quá trình trao đổi tuân thủ theo qui tắc cân

2


Slide 5
b1

thi nha
bebe, 09-Oct-10


7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION
v Chất trao đổi ion để cập ở đây là dạng rắn
không tan trong nước và hầu hết trong các
dung môi hữu cơ.
v Chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi.

v Các chất trao đổi ion yếu phụ thuộc vào
pH.
v 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 trạng thái

trung hòa tại điểm đẳng điện.

Bảng 7.1. Cấ u trúc củ a chất trao đổ i ion

Dạng chất
trao đổi
Cationit
Anionit
Lưỡng tính

Mạng chất
rắn
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ

Điện tích
nhóm chức
Âm
Dương
Âm, dương

Ion linh
động
Dương
Âm
Âm, dương

Mã Thiết bị: CATION AXIT MẠNH SYN 07
Công dụng: Hạt nhựa trao đổi ion trong nước

Nhóm chức năng : Sulfonic acid
Mạch cao phân tử : Dvb/styrene
Hình dạng bên ngoài : Màu vàng, trong
Dạng ion : Na+.
Mã Thiết bị: NHỰA CATION 220NA
Indion 220Na là loại nhựa trao đổi cation gốc axít mạnh,
dạng hạt keo, được sản xuất từ quá trình sunfon hoá hợp chất
cao phân tử trùng hợp từ polystyrene.
Công dụng: được dùng để làm mềm nước, khử chất ô
nhiễm amôni hoặc khử khoáng.
Nhóm chức năng : -SO3- Na+
Dạng ion : Na+.

3


7.2.1. Vật liệu trao đổi ion vô cơ
Mã Thiết bị: NHỰA ANION GS300
Indion GS300 là loại nhựa trao đổi anion gốc bazơ mạnh –
dạng 1 (tính kiềm mạnh nhất), dạng hạt keo, được sản xuất
từ polystyrene copolymer với 4 nhóm chức NH4.
Công dụng: khử anion trong các thiết bị khử khoáng.
Gốc ion: Cl--

v Chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit
tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp.
v Dung lượng trao đổi của chúng phụ thuộc vào
cấu trúc zeolit (tỷ lệ SiO4/AlO4), độ sạch của sản
phẩm, nhìn chung ít ổn định.
v Khoáng sét cấu trúc lớp: khả năng trương nở

cao, quá trình trao đổi ion dễ dàng hơn nhưng có
độ bên cơ học thấp, kích thước nhỏ khó sử dụng
trong thực tiễn.

7.2.2. Vật liệu trao đổi ion trên than
vĐọc tài liệu

7.2.3. Nhựa trao đổi ion
v Nhựa trao đổi ion ở dạng gel, không tan trong nước do
cấu trúc mạng không gian ba chiều của polyme mạch
carbon.
v

Trong mạng polyme có chứa:
Ø Các nhóm chức – SO3-, – COO-, – PO3-, – AsO32- đối
với các cationit.
Ø Các nhóm : – NH3+, – RNH2+, – NR2H+, -NR3+ (amin
bậc 4), amin bậc 3, amin bậc 2, ≡ S+ đối với anionit.
Mạng polyme có tính kỵ nước, các nhóm chức trong
m ạng có tính ưa n ước.

4


7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION
v Liên kết ngang: quyết định độ xốp, trương
nở, linh động ion, Độ dẫn điện, Độ bền nhiệt,
Độ bền cơ, Độ bền hóa học.
v Nhóm chức quyết định tính năng trao đổi
thông qua mật độ nhóm chức và bản chất

nhóm chức.

7.3.1. Hiện tượng trương nở
vVật liệu có khả năng thu hút dung môi, khi đó
vật liệu này lớn lên về thể tích với mức độ
nhất định, đó là hiện tượng trương nở.
vTrong vật liệu trao đổi ion thì trương nở là quá
trình có tính cân bằng:
ØXu hướng tan của các thành phần phân cực
và mang điện tích.
ØLực co đàn hồi của mạng polyme ba chiều.

v Các hạt nhựa trao đổi ion có tính trương nở
do mạ ng polymer có cấ u trúc ko gian 3 chiều

v Cơ chế quá trình trương nở :
1) Nhóm chức và ion mang điện tích: tạo lớp
vỏ hydrat.
2) Áp suất thẩm thấu nồng độ bên trong hạt
nhựa và bên ngoài dung dịch.
3) Tương tác đẩy các nhóm cùng dấu trong
mạng.

5


Các yếu tố ảnh hưởng khả năng trương nở:
v Bản chất dung môi.
v Bản chất hóa học của nhóm chức.
v Mật độ nhóm chức.

v Bản chất của ion trao đổi.
v Mức độ liên kết ngang.

7.3.2. Hấp thụ các chất tan
7.3.2.1. Hấp thụ các chất trung hòa
vSự san bằng nước trong mạng trao đổi với
phân tử tan.
vCó sự trao đổi hay tạo phức với các ion trao
đổi.
vTương tác lưỡng cực giữa các phân tử với
nhau và với các nhóm phân cực của chất tan.
vKích thước phân tử lớn dễ hấp phụ.

7.3.2.2. Hấp thụ các chất điện ly
mạnh
v Một lượng nhỏ các ion khuếch tán ban đầu
tạo nên sự khác biệt về điện thế giữa hai pha –
thế năng Donnan.

7.3.3. Cân bằng trao đổi ion
v Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan
trọng trong thực tiễn và về mặt lý thuyết, nó
được khảo sát rất kỹ ngay từ khi hiện tượng
trao đổi ion được nhận biết.

6


7.3.3.1. Đẳng nhiệt trao đổi ion,
hệ số tách, hệ số chọn lọc

v Đẳng nhiệt trao đổi ion là một đại lượng
đặc trưng mô tả cân bằng trao đổi ion của hệ.
v Hệ số tách

α BA =

v Hệ số chọn lọc phụ thuộc vào một loạt yếu
tố: mức độ liên kết ngang của nhựa, hóa trị của
ion trao đổi, nồng độ ion trong dung dịch.

m A .mB C A .CB x A .x B
=
=
mB .m A C B .C A xB .x A

Độ chọn lọc trao đổi ion
Độ chọn lọc trao đổi ion cao với các ion trao đổi :
§ Có hóa trị cao.
§ Có lớp vỏ hydrat nhỏ.
§ Có độ phân cực lớn.
§ Tương tác mạnh với nhóm chức mang điện và với
mạng polyme.
§ Ít tạo kết tủa và tạo phức bền với ion đi kèm trong
dung dịch.
Độ chọn lọc trao đổi được tăng cường với nhựa có độ
liên kết ngang cao và với độ loãng của dung dịch, với
các ion gây độ trương nở thấp.

7.3.4. Chất trao đổi ion có cấu trúc đặc biệt
v Đối với các chất trao đổi ion có nhiều loại

nhóm chức:
v Xét một cationit chứa hai loại nhóm chức:
carboxylic và sulfonic.
v Zeolit cũng là một họ chất trao đổi ion.

7


7.3.5. Hệ chứa nhiều ion trao đổi

7.3.6. Cân bằng trao đổi trong hệ
chứa tác nhân tạo phức

v Khi tiếp xúc giữa chất trao đổi ion với một
hỗn hợp ion trao đổi, tốc độ trao đổi của từng
ion là rất khác nhau vì vậy nồng độ của một ion
nào đó trong dung dịch cũng như trong nhựa có
thể đạt các giá trị cực đại hay cực tiểu trước khi
đạt tới trạng thái cân bằng.

v Cân bằng trao đổi và cân bằng hấp phụ bị
tác động rất mạnh bởi quá trình tạo phức chất
của các thành phần có mặt trong hệ: ion trao
đổi, ion đi kèm, các phân tử trung hòa. Tạo
phức có ảnh hưởng đáng kể đến tính trao đổi
chọn lọc của hệ.

7.3.6.1. Cân bằng trao đổi cation
khi có mặt anion tạo phức

7.3.6.2. Cân bằng trao đổi anion
khi có mặt anion tạo phức

v Khi nồng độ anion tạo phức thấp, sự tạo
phức sẽ kém và phức hình thành có số phối trí
nhỏ, tính chất trao đổi ion của hệ không khác
nhiều so với trạng thái cân bằng trao đổi thông
dụng.

v Khi nồng độ của nó thấp khả năng tạo
phức thấp hoặc chỉ tạo ra phức có số phối trí
nhỏ mang điện tích dương.

v Khi nồng độ anion tạo phức cao, quá trình
tạo phức và phức có số phối trí cao diễn ra
thuận lợi, tính chọn lọc trao đổi của cationit
giảm đối với cation.

v Tăng dần nồng độ chất điện ly trợ giúp dẫn
đến khả năng hấp thu của cationit đối với phức
trung hòa.

8


7.3.7. Trao đổi phối tử

7.3.8. Phản ứng với các vật liệu có độ tan
thấp

v Chất trao đổi phối tử (Chất trao đổi ion
chứa ion kim loại tạo phức chất) có ưu thế là
kết hợp được giữa dung lượng hấp thu cao với
độ chọn lọc cao đối với phối tử.

v Chất trao đổi ion có khả năng hòa tan một
số chất rắn có độ tan thấp như CaCO3, PbSO4,
AgCl.

7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION

7.4.1. Cơ chế trao đổi ion

Đối tượng nghiên cứu của động học trao
đổi ion gồm:

v Từ trong hạt nhựa các ion A khuếch tán ra
ngoài dung dịch, các ion B khuếch tán từ dung

v Cơ chế của quá trình trao đổi

dịch vào hạt nhựa trao đổi. Quá trình khuếch
tán ngược chiều nhau của ion A và B gọi là trao

v Giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình
v Phương trình mô tả tốc độ trao đổi
v Khả năng dự đoán tốc độ trao đổi ion về
mặt lý thuyết.

đổi ion.

v Mỗi một ion trao đổi rời khỏi hạt nhựa phải
được thay thế bởi một ion tương đương về điện
tích từ ngoài dung dịch đi vào.

9


7.4.2. Giai đoạn quyết định tốc độ
Các quá trình động học trao đổi ion bao gồm:
1) Khuếch tán của ion trao đổi trong dung dịch
đến sát lớp màng bao quanh hạt trao đổi ion
(khuếch tán ngoài)
2)

v Tốc độ trao đổi ion được quyết định bởi quá
trình chậm nhất
v Tốc độ khuếch tán trong hạt hay xung quanh
màng thường khống chế tốc độ trao đổi ion

Khuếch tán qua màng

3) Khuếch tán bên trong hạt nhựa tới các trung
tâm trao đổi
4)

Phản ứng trao đổi ion

10