Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion

Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

LỜI MỞ ĐẦU
Nước thải sản xuất từ các ngành công nghiệp, đặc biệt là nước thải của
các ngành công nghiệp luyện kim, khai khoáng, hoá chất, gia công và chế biến
kim loại thường chứa nhiều kim loại như: Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, pb, Cd, Hg, Cu,..
Hầu hết các kim loại này tồn tại trong nước dưới dạng ion, khác với chất thải
hữu cơ có thể tự phân huỷ trong đa số trường hợp. Các kim loại nặng khi đã
phóng thích vào môi trường sẽ tồn tại lâu dài. Nếu kim loại trong nước thải
không được xử lý thì tuỳ thuộc vào nguồn thải, hàm lượng chúng sẽ gây độc cho
hệ sinh thái của nguồn tiếp nhận ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức
khoẻ con người, qua tích luỹ sinh học chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi
thức ăn vào cơ thể con người gây ra một số bệnh nguy hiểm đe doạ cuộc sống
của con người.
Khác với các kim loại khác Fe và Mn ngoài sự tồn tại trong nước thải
công nghiệp luyện kim, khai khoáng còn có mặt nhiều hơn trong nước ngầm.
gây nguy hại cho đối tượng sử dụng nước, và ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt
của con người. Như đóng cặn trong đường ống, gây mùi tanh khó chịu, vàng ố
đồ dùng sinh hoạt…
Hiện nay có nhiều phương pháp để khử các kim loại ra khỏi nước như:
keo tụ, hấp phụ, lọc qua màng, điện phân, kết tủa hoá học, trao đổi ion... Nhưng
về bản chất phương pháp kết tủa hoá học chỉ chuyển đổi từ trạng thái ô nhiễm
kim loại từ pha lỏng sang pha rắn, bên cạnh đó quá trình còn tạo ra những dạng
ô nhiễm thứ cấp. Phương pháp điện phân đòi hỏi tiêu thụ điện năng lớn. Hấp
phụ hoá học chưa được sử dụng nhiều. So với các phương pháp khác phương
pháp trao đổi ion cho phép thu hồi các chất có giá trị và đạt được mức độ làm
sạch cao, đảm bảo các tiêu chuẩn môi trường và ứng dụng khá phổ biến trong
thực tế. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương
pháp trao đổi ion” đã được tiến hành nghiên cứu nhằm góp phần cung cấp cơ sở
thực tiễn để lực chọn phương pháp xử lý kim loại trong nước, đồng thời góp
phần bảo vệ môi trường.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

1

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Sắt và mangan trong nước
Cả sắt và mangan đều gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước. Đặc biệt
là đối với nguồn nước ngầm. Một số nguồn nước ngầm không chứa sắt và
mangan nhưng một số khác lại luôn chứa lượng đáng kể.
1.1.1 Trong nước ngầm [7]
1.1.1.1 Sắt (Fe) trong nước ngầm
Trong thiên nhiên sắt tồn tại trong các loại khoáng và quặng ở vỏ trái đất
như pirit, xederit, pioxen, anfibon, manhetit, diotit, hematit. Khi các khoáng này
bị phong hóa, một lượng Fe sẽ giải phóng và chuyển hóa vào trong nước ngầm ở
dạng Fe2+ và Fe3+, sắt (II) thường không bền trong không khí khi có mặt ôxy nó
rất dẽ bị ôxy hóa và tạo thành sắt (III) hydrat. Ôxit sắt thường có nhiều trong
nước ngầm tầng trên và thường tồn tại ở dạng keo.
Hàm lượng của sắt có trong nước phụ thuộc vào nguồn nước chảy qua,
độ pH sự có mặt của một số chất như CO 32-, CO2, O2 và các hợp chất hữu cơ tan
trong nước.
Hàm lượng Fe trong nước ngầm rất khác nhau tùy theo địa chất từng
vùng, thường trong khoảng từ 0,5 - 50 mg/l.
Khi nước ngầm tiếp xúc với khoáng vật chứa sắt sẽ hòa tan sắt. Môi
trường yếm khí mang tính khử, nên phần lớn sắt trong nước ngầm tồn tại dưới

dạng Fe2+ tan của các muối bicacbonnat, sunfat, clorua. Trạng thái phổ biến nhất
của Fe trong nước ngầm là Fe(HCO3)2, tan khá tốt trong nước, đôi khi dưới dạng
keo của axit humic.
Nước ngầm thiếu ôxy có thể chứa 5 - 7 mg /l Fe 2+ vẫn trong và không có
mùi, khi tiếp xúc với ôxy (không khí) Fe (II) lập tức bị ôxy hóa tạo thành Fe
(III) hydroxit (Fe(OH)3) chất khó tan có màu vàng nhạt.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

2

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”
Bụi
Khí quyển

Sông
Đất
Các quặng Fe
Mạch nước ngầm

Đại Dương
Hoà tan sắt
(Dạng huyền
phù)

Fe hòa tan
Fe ở dạng sa lắng

Hình 1. 1. Chu trình sắt trong tự nhiên
Trong nước ngầm, đặc biệt là nguồn nước nguồn ở khu vực có dầu mỏ
khoáng hoặc gần khu công nghiệp nặng thì hàm lượng sắt rất cao. Có thể đến vài
chục đến vài trăm mg/l hoặc hơn thế.
1.1.1.2 Mangan (Mn) trong nước ngầm
Trong nước Mn tồn tại ở hai dạng tan và không tan. Ở dạng tan Mn tồn
tại dưới dạng cation Mn2+ còn ở dạng không tan Mn tồn tại dưới dạng kết tủa
hydroxit.
Mangan cũng là nguyên tố hay gặp trong nước ngầm, thường cùng tồn tại
với sắt. Trong đất đá chúng thường ở dạng ít tan, được chuyển thành dạng tan do
phản ứng khử hoặc vi sinh vật thâm nhập vào nước. Về tính chất hoá học chúng
có nhiều điểm tương đồng với sắt: oxi hoá với oxi, tạo kết tủa.
Khi mạch nước ngầm chảy qua vùng có các mỏ khoáng vật hay vùng bị ô
nhiễm bởi các nguồn nước thải công nghiệp trên bề mặt thì hàm lượng Mn hòa
tan vào nước sẽ tăng lên làm biến đổi chất lượng nước ngầm.
1.1.2 Nước mặt [7],[8]
Sự tồn tại của kim loại trong nước. Các kim loại nặng được đưa vào môi
trường nước sẽ xảy ra quá trình biến đổi như sau: Quá trình hydrat hóa, quá trình

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

3

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

thủy phân kim loại, polime hóa, tạo các phức chất, Do vậy kim loại nặng trong

nước đều tồn tại ở dạng ion đơn hoặc ion phức.
Sắt trong nước thải có nguồn gốc từ các ngành công nghiệp: luyện kim,
chế tạo máy... Nguồn địa chất thiên nhiên, trong các khoáng vật.
Mangan trong nước thải có nguồn gốc từ các ngành công nghiệp. Chất
thải công nghiệp, luyện kim đen, luyện kim màu, sản xuất pin khô, phân bón
thuốc diệt nấm.
Kim loại nặng trong nước thải không được xử lý dẫn đến ô nhiễm nước
trầm trọng điển hình là Thành Phố Thái Nguyên. Tổng lượng nước thải từ luyện
kim, cán thép, chế tạo máy trên địa bàn mỗi ngày Thái Nguyên thải ra sông Cầu
16.000 m3. Ước tính mỗi năm công tuy gang thép Thái Nguyên thải ra sông Cầu
1,3 triệu m3 nước có nhiễm các chất dầu mỡ, phenol, xianua, kim loại nặng như
pb, Fe, Cu, Mn…
Bảng 1.1. Hàm lượng sắt và mangan ở sông Cầu (Thái Nguyên)
Ngày lấy mẫu
Chỉ số
Fe
Mn

4 / 2007
0.002
0.014

6 / 2007
8.6
10.21

TCVN 5942 1995
0.8
2

Trong đó hàm lượng Fe và Mn tăng lên đáng kể ở đợt lấy mẫu vào tháng
6, hàm lượng sắt Fe vượt TCCP 10,75 lần, hàm lương Mn vượt TCCP 5,11 lần.
điều này chứng tỏ sự ô nhiễm kim loại trong nước ở lưu vực sông Cầu là đáng
báo động.
1.2 Sự ảnh hưởng của sắt và mangan tới sức khoẻ sinh vật và con người
1.2.1 Sự ảnh hưởng của sắt [2], [7]
Sắt là một nguyên tố gây ô nhiễm nước ngầm phổ biến nhất. Đó là do các
tầng trữ nước trong lòng đất ở điều kiện có hoạt động của vi sinh vật yếm khí
sinh ra CO2, làm cho nước thường có pH < 7.
Fe rất cần thiết cho cơ thể, lượng Fe cần thiết cho cơ thể phụ thuộc vào:
tuổi tác, giới tính, trung bình khoảng 10 - 50 mg/ngày. Để hạn chế sự tích lũy
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

4

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

trong cơ thể, mức sử dụng của cơ thể được xác định là 0,8 mg/kg trong ngày,
lượng Fe được tính cho tất cả từ các nguồn: thức ăn, nước uống là đóng góp
khoảng 10 % tức là khoảng 20 mg/l sẽ không gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe.
Fe kết tủa ở dạng hydroxit Fe (III) gây ố bẩn quần áo khi giặt và các dụng
cụ trong gia đình với nồng độ > 0,3 mg/l. Mùi và vị của Fe hầu như không cảm
nhận được ở mức < 0,3 mg/l, nồng độ 1- 3 mg/l trong nước yếm khí có thể chấp
nhận cho một mức sinh hoạt về phương diện độc hại. Tuy vậy về cảm quan thì
yêu cầu nồng độ thấp hơn. Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của các nước EU là 0,2
mg/l, của WHO là 0,3 mg/l, Việt Nam là < 0,3 mg/l.
1.2.2 Sự ảnh hưởng của mangan [2]

Mn là nguyên tố vi lượng của cơ thể động vật và cây trồng. Lượng cần
thiết cho cơ thể là 30 đến 50.10-6 g / kg thể trọng và phụ thuộc nhiều vào các yếu
tố: dạng tồn tại, sự có mặt đồng thời của các kim loại khác như sắt và đồng. Trẻ
em và động vật non có tốc độ hấp phụ mangan lớn.
Tác hại của Mn. Lượng Mn: 45 mg/m 3 gây bệnh viêm thùy phổi có thể
dẫn tử vong.
Mn có dấu hiệu gây ung thư. Nhiễm độc Mn gây rối loạn tâm lí, rối loạn
thần kinh. Bị tử vong do nhiễm độc Mn thì thần kinh trung ương bị tổn thương
Độc với thực vật ở nồng độ cao, Mn có nhiều trong nước ngầm sẽ ảnh
hưởng tới các đối tượng sử dụng nước gây màu, mùi khó chịu, làm ố bẩn quần
áo cụ sinh hoạt, kết tủa dưới dạng hyđroxit đóng cặn đường ống.
1.3 Các phương pháp xử lý sắt và mangan trong nước[3]
1.3.1 Các phương pháp xử lý sắt
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý Fe trong nước có thể chia làm 3
nhóm như sau:
- Xử lý sắt bằng phương pháp làm thoáng.
- Xử lý sắt bằng phương pháp dùng hoá chất.
- Xử lý sắt bằng các phương pháp khác.
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

5

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

1.3.1.1 Xử lý sắt bằng phương pháp làm thoáng
Thực chất của phương pháp này là làm giàu oxi trong nước, tạo điều kiện
để Fe2+ oxi hoá thành Fe3+, sau đó Fe3+ thực hiện quá trình thuỷ phân để tạo

thành hợp chất ít tan Fe(OH)3, rồi dùng bể lọc để giữ lại. Làm thoáng có thể là:
làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo. Sau khi làm thoáng quá trình oxi
hoá Fe2+ và thuỷ phân Fe3+có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạt
hay môi trường xúc tác.
a) Phản ứng oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ và thuỷ phân Fe3+ trong môi trường tự
do.
Trong nước Fe tồn tại dưới dạng Fe 2+. Nếu trong nước có oxi hoà tan, quá
trình oxi hoá và thuỷ phân diễn ra như sau:
4Fe2+ + O2 + 10H2O =

4Fe(OH) +

8H+

(1.1)

Đồng thời xảy ra phản ứng phụ.
H + + HCO3- =

H 2O

+

CO 2

(1.2)

Quá trình này sẽ thuỷ phân ra H+ nếu trong môi trường axit thì phản ứng
sẽ bị kìm hãm theo phản ứng (1.1).
Sau khi các ion Fe2+ hoà tan trong nước đã chuyển hoá thành các bông cặn

Fe(OH)3. Việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lọc chủ
yếu theo cơ chế giữ cặn cơ học...
b) Phản ứng oxi hoá Fe2+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường dị thể của lớp
vật vật liệu lọc.
Trường hợp này, làm thoáng chỉ cung cấp oxi trong nước. Khi làm
thoáng, ion Fe2+ được oxi hoá thành Fe3+ với tỉ lệ nhỏ. Quá trình oxi hoá Fe2+
thành Fe3+ và thuỷ phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu
lọc.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

6

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Quá trình làm thoáng như vậy, sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc
một lớp màng. Lớp màng này có cấu tạo từ các hợp chất Fe như: Fe2+, Fe3+,
Fe(OH)2, Fe(OH)3.
c) Phản ứng oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng xúc tác là oxit
mangan.
Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxi hoá Fe 2+
thành Fe3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp (pH < 5). Các phản ứng tại lớp
màng xảy ra như sau:
MnOMn2O7 + 4 Fe(HCO3)2 +2H2O = 3MnO2 + 4 Fe(OH)3 +8CO2 (1.3)
3MnO2 + O2 = MnOMn2O7

(1.4)

Dưới tác dụng của lớp màng MnOMn2O7 khi có hợp chất Fe2+ đi qua,
MnOMn2O7 sẽ làm chất xúc tác, kết thúc phản ứng MnOMn 2O7 lại được hình
thành, nên lớp màng càng dày, quá trình phản ứng xảy ra càng nhanh. Trong quá
trình sử dụng, lớp màng tăng lên đến một giới hạn nhất định thì phải bỏ lớp
màng đi để thay thế.
1.3.1.2 Xử lý sắt bằng phương pháp dùng hoá chất
a. Xử lý sắt bằng các chất oxi hoá mạnh
Các chất oxi hoá mạnh thường sử dụng để khử Fe là: Cl 2, KMnO4, O3...
Khi cho các chất oxi hoá mạnh vào nước, phản ứng diễn ra như sau:
2Fe2+ + Cl2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+

(1.5)

3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+ (1.6)
So sánh với phương pháp xử lý Fe bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxi
hoá mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn (pH < 6). Nếu
trong nước có tồn tại các hợp chất như: H 2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng
đến quá trình khử Fe.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

7

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

b. Xử lý Fe bằng vôi

Phương pháp xử lý Fe bằng vôi thường không đứng độc lập, mà kết hợp
với các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mền nước. Khi cho vôi vào nước,
quá trình khử Fe xảy ra theo 2 thường hợp:
• Trường hợp nước có oxi hoà tan: Vôi được coi như chất xúc tác, phản
ứng khử Fe diễn ra như sau:
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 = 4Fe(OH)3 + 4 Ca(HCO3)2 (1.7)
Fe(OH)3 được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn
toàn trong bể lọc.
• Trường hợp nước không có oxi hoà tan: Khi cho vôi vào nước phản
ứng diễn ra như sau:
Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 = FeCO3 + CaCO3 + H2O.

(1.8)

Fe được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt.
1.3.1.3 Xử lý Fe bằng các phương pháp khác
a. Xử lý Fe bằng điện phân
Dùng các cực âm bằng Fe, Al, cùng các cực dương bằng Cu, pt hay Cu
mạ kền và dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho tấm điện cực phẳng.
b. Xử lý Fe bằng phương pháp vi sinh vật
Cấy các mầm khuẩn Fe trong lớp cát lọc của bể lọc. Thông qua hoạt động
của các vi khuẩn, Fe được loại bỏ ra khỏi nước.
c. Xử lý sắt bằng trao đổi cationit
Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion. Các ion H + và
Na+ có trong thành phần của lớp vật lọc, sẽ trao đổi với các ion Fe 2+ trong nước.
Kết quả Fe2+ bị giữ lại trong lớp vật liệu lọc. Lớp vật liệu lọc có khả năng trao
đổi ion gọi là cationit, thường được sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe 2+ ở
dạng hoà tan.
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

8

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

2[K]Na +
2[K]H

[K]2Fe + 2NaHCO3

Fe(HCO3)2

[K]2Fe + H2CO3

+ Fe(HCO3)2

(1.9)
(1.10)

Cationit có thể được tái sinh bằng HCl, NaCl.
NaCl
HCl

+
+

[K]2Fe

[K]Na

+

FeCl2

(1.11)

[K]2Fe

[K]H

+

FeCl2

(1.12)

Cùng với quá trình này, các ion Ca 2+, Mg2+ cũng tham gia vào quá trình
trao đổi. Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao, thường dùng với việc
kết hợp làm mềm nước.
1.3.2 Các phương pháp xử lý mangan
Trong thực tế, việc xử lý mangan trong nước thường được tiến hành đồng
thời với xử lý sắt.
1.3.2.1 Xử lý mangan bằng phương pháp làm thoáng
Công nghệ xử lý mangan bằng phương pháp làm tháng cũng bao gồm các
công đoạn tương tự như sắt: làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc. Trong quá trình lọc,
lớp vật liệu lọc được phủ 1 lớp Mn(OH) 4 tích điện âm, lớp hyđroxit mangan này
có tác dụng như chất xúc tác hấp phụ Mn 2+ và ôxy hoá chúng. Cũng do quá trình
ôxy hoá mangan diễn ra chậm hơn sắt, nên trong bể lọc phải có bề dày 1,2 –

1,5m.
1.3.2.2 Các phương pháp xử lý mangan khác
a. Phương pháp dùng hoá chất
Sử dụng các chất oxi hoá mạnh như Clo, ozone, kaliphermanganat, để ôxy
hoá Mn2+ thành Mn4+.
Clo, Cl2 ôxy hoá Mn2+ ở pH = 7 trong 60 – 90 phút clođioxit (ClO 2) và
zone ôxy hoá Mn2+ ở 6,5 - 7 trong 10 – 15 phút.
b. Phương pháp sinh học
Cấy một loại vi sinh vật có khả năng hấp phụ mangan trong quá trình sinh
trưởng lên bề mặt lớp vật liệu lọc. Xác vi sinh vật sẽ tạo thành lớp màng oxit
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

9

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

mangan trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Lớp màng này có tác dụng xúc tác quá trình
khử mangan.
1.4 Phương pháp trao đổi ion [4]
Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để tách
kim loại nặng ra khỏi nước thải. Nhựa trao đổi ion có thể được tổng hợp từ các
nhóm vô cơ hay hữu cơ có gắn các nhóm như (-SO3H), (-COO-), amin… Các
cation và anion được hấp thụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion:
nRH

+

Men+

RnMe + nH+.

RCL

+

A

RA

(1.13)

+ Cl-.

(1.14)

1.4.1 Cơ sở của quá trình trao đổi ion.
Phương pháp này lợi dụng khả năng trao đổi ion của một số chất cao phân
tử thiên nhiên hoặc nhân tạo gọi là ionit. Đó là sự dịch chuyển thuận nghịch các
ion giữa pha nước và pha rắn. Những hợp chất có khả năng trao đổi cation gọi là
cationit, những hợp chất có khả năng trao đổi anion là anionit.
Trao đổi ion là một quá trình gồm hai phần ứng dụng của cùng một công
nghệ. Một là làm mềm nước, đây là quá trình di chuyển các ion trong nước và
thay thế chúng bằng các ion Na + và Cl-, công dụng thông thường nhất là làm
giảm độ cứng của nước hoặc tái sử dụng lại phế thải trong nước. Nó làm giảm
các cặn bẩn trong nước. Ứng dụng thứ hai là đề ion hóa. Trong quá trình này các
ion trong nước được di chuyển và thay thế bởi ion H+ và OH-, hai loại ion này có
thể tạo nên cấu trúc của nước.

Quá trình làm việc như sau: các nhựa trao đổi ion (những hạt nhỏ có số
lượng thích hợp) được bao bên ngoài bởi các ion chiếm chỗ. Trong trường hợp
làm mềm nước các hạt nhựa được bao bởi Na + và Cl-. Trong trường hợp đề ion
hóa chúng được bao bọc bởi OH- và H+. Nước chảy từ trên bề mặt hạt nhựa, các
ion trong nước được di chuyển sang (hút sang) nhựa, các ion trong nước tự
chúng cũng di chuyển sang nhựa.
1.4.2 Cơ chế trao đổi.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

10

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Trong quá trình trao đổi ion xảy ra sự trao đổi ở bề mặt nhựa trao đổi.
Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật cân bằng tỉ lượng: mỗi ion dời bề mặt
phải được thay thế bởi một ion khác. Lượng ion chuyển đến bề mặt và tách khỏi
bề mặt bằng nhau. Gần bề mặt nhựa trao đổi, sự vận chuyển xẩy ra thông qua
quá trình khuếch tán. Quá trình khuếch tán này chịu ảnh hưởng bởi tương tác
tĩnh điện giữa các ion chuyển động với những ion trái dấu với chúng. Quá trình
trao đổi tại bề mặt thường xảy ra rất nhanh và không hạn chế vận tốc của quá
trình trao đổi.
Có nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế trao đổi ion. Song quá trình này
có thể xem như gồm những giai đoạn sau:
1. Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của
lớp biên giới màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion.
2. Khuếch tán ion qua lớp biên giới.

3. Chuyển ion đã qua lớp biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi.
4. Khuếch tán ion A bên trong hạy nhựa trao đổi tới các nhóm chức
năng trao đổi ion.
5. Phản ứng hóa trao đổi ion A và B.
6. Khuếch tán các ion B trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha.
7. Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng
chất lỏng.
8. Khuếch tán các ion B qua màng.
9. Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng.
Tốc độ quá trình trao đổi được quyết định bởi quá trình chậm nhất trong
các giai đọan trên. Đó là quá trình khuếch tán trong màng chất lỏng hay khuếch
tán trong hạt trao đổi, còn quá trình phản ứng hóa học trao đổi ion xảy ra rất
nhanh.
1.4.3 Vật liệu trao đổi ion [4]

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

11

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Các loại vật liệu trao đổi ion được phân thành nhiều loại phụ thuộc vào
các ứng dụng khác nhau.
Các loại vật liệu vô cơ được sử dụng khi yêu cầu về độ tinh khiết không
cao.
Để cải thiện độ bền vật lý của hạy nhựa, phương pháp gắn các lại vật liệu
trao đổi ion vào một loại vật liệu khác (có thể vô cơ hoặc hữu cơ) được nghiên

cứu và phát triển mạnh.
Vật liệu trao đổi cần: độ bền hoá học, độ hoà tan thấp, chi phí thấp.
1.4.3.1 Vật liệu tự nhiên
a. Loại vô cơ.
Nhiều khoáng vô cơ trong thiên nhiên được sử dụng: Sét (bentotnite,
kaolinite, illite), mica và zeolit (như analcite, chabazite, sodalite và
clinoptilolite) có tính chất trao đổi ion. Trong đó zeolit là vật liệu được sử dụng
đầu tiên trong công nghệ trao đổi ion.
Các loại aluminosilicate tự nhiên cũng được thường sử dụng trong xử lý
nước thải. Nó hoạt động như là vật kiệu trao đổi ion và chất lọc đặc biệt.
Sét và zeolite thiên nhiên tuy được thay thế dần bởi các loại vật liệu tổng
hợp xong nó vẫn được dùng trong một số ứng dụng nào đấy do rẻ và sẵn có
trong thiên nhiên. Một số nhược điểm của loại vật liệu này:
- Dung lượng trao đổi thấp.
- Bền cơ thấp.
- Kích thước lỗ xốp không khống chế được.
- Các hạt sét có khuynh hướng tạo thành các hạt keo.
- Khó gia công đúng kích thước theo yêu cầu.
- Có thể bị phân huỷ trong môi trường axit hoặc kiềm.

b. Loại hữu cơ
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

12

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Một lượng lớn các chất hữu cơ có tính chất trao đổi ion như:
polysaccharides (cellulose, algic acid, rơm, than bùn), proteins (như casein,
keratin và collegen) và các loại than (như than bùn, than nâu). Mặc dù dung
lượng hoạt động của các loại vật liệu này thấp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi
do giá thành thấp. Các nhược điểm chính của loại vật liệu này:
- Dung lượng trao đổi thấp so với các loại vật liệu khác.
- Trương nở lớn.
- Vật liệu cellulose và protein không bền với phóng xạ.
- Cấu trúc vật liệu kém.
- Tính chất vật lý không đồng nhất.
- Độ chọn lọc kém.
- Không bền khi pH nằm ngoài dãy pH trung tính.
c. Vật liệu biến tính
Để cải thiện dung lượng trao đổi, độ chọn lọc một số vật liệu hữu cơ
được biến tính. Ví dụ vật liệu trao đổi ion trên cơ sở cellulose được biến tính
bằng cách đưa thêm vàop nhóm phosphate, carbonic hoặc nhóm chứa acid khác.
1.4.3.2 Vật liệu tổng hợp
a. Vật liệu vô cơ tổng hợp
 Zeolites
Là loại vật liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng trên một quy mô lớn,
tách chất ô nhiễm phóng xạ trên một quy mô lớn. Zeolite là loại vật liệu trên cơ
sở là aluminosilicate có thể tổng hợp dưới dạng bôt, hạt hoặc viên.
Ưu điểm của loại này là có thể thay đổi tính chất hoá học trong một
khoảng rộng kích thước lỗ xốp được không chế, bền nhiệt.
Nhược điểm:
- Chi phí cao hơn so với loại có sẵn trong thiên nhiên.
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

13

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

- Bền hoá học, bền trong các môi trường pH khắc nghiệt kém.
- Dễ nứt, bền cơ học kém.
Độ chọn lọc và dung lượng chọn lọc của zeolite có thể phù hợp với các
công nghệ có độ muối thấp. Nếu trong dòng thải có mặt các ion khác, các tâm
hoạt động của zolite bị các ion này chiếm giữ do đó sẽ giảm dung lượng hoạt
động.
 Các hợp chất của Ti, Si –Ti
Trong nhiều năm qua, ôxy và hydro ôxy của Ti được biết đến khả năng
tách loại ion trong dung dịch. Năm 1955 ở UK và sau đó là Đức và Nhật sử
dụng HTiO để tách uranium trong nước biển với quy mô lớn. Các nhiên cứu tiếp
theo chỉ ra rằng loại vật liệu này cũng có ái lực rất mạnh với ion kim loại
actinium (Ac), Sr và với các ion có điện tích +2.
 Hexacyanoferrates của kim loại chuyển tiếp
Trong nhiều thập kỷ qua, hợp chất này được biết như là chất có thể tách
Ce trong dung dịch.
b. Vật liệu hữu cơ tổng hợp
Nhóm lớn nhất trong loại vật liệu này là nhựa trao đổi ion dạng bột (5
-150 µ m) hay dạng hạt (0,5 – 2 mm). Mạch hydrocarbon phân bố ngẫu nhiên tạo
nên một mạng lưới rất linh động. Trên mạch này có mang các điện tích cố định
trên các vị trí khác nhau. Nhựa không tan do có các liên kết nối ngang. Lượng
nối ngang sẽ ảnh hưởng đến kích tthước của hạt nhựa qua sàng, khả năng
trương, vận chuyển của các ion linh động, độ cứng và độ bền cơ học. Lượng nối
ngang lớn, sẽ làm tăng độ cứng của nhựa, tăng độ bền cơ, ít lỗ xốp và ít trương
trong dung môi.
Khi vật liệu này ngâm trong dung môi hoặc trong nước, nó sẽ trương lên.

Mức độ trương phụ thuộc vào đặc tính của cả dung môi và chính vật liệu, nó ảnh
hưởng bởi các yếu tố sau: độ phân cực của dung môi, độ liên kết ngang, dung

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

14

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

lượng trao đổi, độ solvat hoá mạnh hay yếu của nhóm cố định, kích thước solvat
của các ion trao đổi, nồng độ dung dịch.
Ưu điểm nổi bật của loại vật liệu này: Dung lượng trao đổi lớn, áp suất
rộng rãi, đa lĩnh vực, chi phí khá rẻ so với một vài loại vô cơ tổng hợp khác.
Các lại nhựa chính trong nhóm này là:
 Polystyrene divinylbezene
Là sản phẩm copolymer của styrene và DVB. Độ nối ngang được quyết
định bởi lượng DVB. Nồng độ DVB thấp sẽ làm cho nhựa mềm, khả năng
trương rất mạnh trong các dung môi. Các nhóm chức cố định (nhóm đặc trưng)
được gắn vào trong mạng lưới mạch polymer để tạo nên khả năng trao đổi ion.
Ví dụ như nhóm – SO3H, thường từ 8 đến 10 nhóm cho vòng benzene. H + sẽ là
ion linh động (hay ion đối – counter ion) sẽ tham gia trao đổi với các cation
trong dung dịch. Khi gắn các nhóm – NH 3+ hay –N2+ trong mạch polymer, nhựa
trao đổi anion được tạo ra, các ion đối sẽ là OH- , Cl-.
 Phenolic
Là sản phẩm trùng ngưng của phenol và formaldehyde với nhóm OH - là
nhóm đặc trưng, cố định trong mạch polymer, là loại nhựa trao đổi cation acid
yếu. Để tăng cường độ acid cho nhựa, nhóm –SO 3H được gắn vào nhựa. Như

vậy nhựa sẽ có hai chức năng – chứa cả nhóm acid mạnh – SO 3H và nhóm acid
yếu –OH.
Sản phẩm đa trùng ngưng (polycondesnation) của resorcinol –
formaldehyde được sử dụng rộng rãi ở Ấn Độ để tách Cs.
Cũng có thể gắn thêm nhóm phosphoric acid vào mạch polymer để tăng
khả năng làm việc của nhựa.
 Arylic
Là nhựa trao đổi ion acid yếu, có nhóm – COOH trong mạch. Là sản
phẩm copolymer của acrylic hay metharcylic acid với DVB. Nhóm –COOH có
khả năng tách muối thấp nhưng trong môi trường kiềm nó có ái lực mạnh với
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

15

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Ca2+ và các ion tương tự khác. Các nhóm acid khác có thể gắn vào nhựa như
PO32-, PO33-, HPO2-.
1.4.3.3 Vật liệu composite
Là loại vật liệu kết hợp với một hay nhiều vật liệu trao đổi ion với các loại
vật liệu khác. Tạo ra các composite này sẽ làm tăng độ bền để có thể sử dụng
trong cột. Zeolite tạo ra ở dạng hạt trên chất mang là aluminium oxide. Một loại
khác được biết đến là phủ cupric ferric haxacyanoferrate trên sợi polyacrylic.
Vật liệu này sử dụng để tách nước thải phóng xạ trong nhà máy nguyên tử.
Một loại composite khác là sự kết hợp vật liệu trao đổi vô cơ với magnetic
Fe3O4. Do vậy sẽ dễ dàng tách loại ra khi đã bão hoà nhờ từ trường. Loại vật liệu
này đã trở thành thương phẩm.

1.4.3.4 Màng trao đổi ion
Có hai loại màng trao đổi: Đồng nhất (homogeneous) và không đồng nhất
(heterogeneous).
Màng không đồng nhất được tổng hợp bằng cách phân tán các loại vật
liệu trao đổi (dạng hạt keo hoặc hạt rất mịn) trong nhựa nhiệt dẻo polyethylene,
polystyrene hay cao su tổng hợp. Sau đó đem dán, ép hoặc đùn để tạo ra các
hình dạng khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng (dạng tấm, đĩa, băng, dài).
Khi các hạt này bong ra khỏi màng, độ bền cơ học của màng sẽ rất thấp. Thường
thì hạt sẽ chiếm 50 – 70 % trong thể tích màng.
Màng đồng nhất là sản phẩm trùng ngưng của sulphonated phenol và
formaldehyde trong môi trường acid hay kiềm mạnh và được rát lên thuỷ ngân
hoặc tấm bền acid. Các thương phẩm được tổng hợp bằng: bay hơi dung dịch
điện ly cao phân tử. Mặc dù không có lối ngang nhưng màng không tan trong
nước. Trong phương pháp polymer gắn kết bằng phóng xạ gamma dùng để gắn
atyrenen hay styrene DVB lên màng polyethylene.
Nhược điểm của loại màng trao đổi: giá thành cao, độ bền cơ học hạn chế,
trở kháng cao khi nồng độ dịch điện ly thấp, thẩm thấu cao.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

16

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

1.4.4 Tính năng chất trao đổi ion [4]
- Tính vật lý: Hình dạng bên ngoài nhựa trao đổi ion là một loại vật chất
trong suốt. Mỗi loại nhựa có thành phần khác nhau. Nhựa trao đổi ion sử dụng

trong thực tế thường ở dạng viên tròn.
- Cỡ hạt: Cỡ hạt của nhựa ảnh hưởng tương đối lớn đối với quá trình xử
lý nước. Hạt lớn tốc độ trao đổi chậm, ngược lại hạt nhỏ tổn thất áp suất của
nước thông qua hạt nhựa lớn. Nên cỡ hạt chênh lệch nhau nhiều thì không có lợi
cho quá trình xử lý nước.
-

Tỉ trọng được chia làm ba loại: Đó là tỉ trọng khô, tỉ trọng ẩm, và tỉ

trọng biểu kiến.
 Tỉ trọng khô: Là tỉ trọng của bản thân nhựa ở trạng thái khô.
 Tỉ trọng ẩm: Là tỉ trọng của nhựa ở trạng thái ẩm.
 Tỉ trọng biểu kiến: Là tỉ trọng xếp đống sau khi nhựa trương nở
kĩ trong nước.
Thông thường tỉ trọng khô khoảng 1,6 g/cm 3, tỉ trọng ẩm khoảng 1,04
-1,3 g/cm3, tỉ trọng biểu kiến khoảng 0,6 - 0,8 g/cm3.
- Hệ số ngậm nước của nhựa càng lớn thì kích thước của các mao quản
trong nhựa càng lớn, nhưng hệ số liên kết của nhựa càng nhỏ nếu trong quá trình
sử dụng nhựa hệ số ngậm nước biến đổi thì có thể nhựa đã bị hỏng.
-

Hệ số trương nở: Nhựa trao đổi ion ngậm trong nước sẽ nở ra, sự

trương nở có liên quan với độ liên kết của khung nhựa và các nhóm hoạt động,
dung lượng trao đổi, tính năng trao đổi và tái sinh nhựa cũng sinh ra hiện tượng
dãn nở và co lại, qua nhiều lần co dãn nhựa sẽ bị vỡ.
- Tính chịu nhiệt: Các loại nhựa bị ảnh hưởng của nhiệt độ đều có giới
hạn nhất định. Vượt quá nhiêt độ này chúng bị phân giải rất nghiêm trọng và
không sử dụng tiếp được nữa. Nhựa cation có thể chịu được nhiệt độ khoảng
100oC, nhựa anionit tính kiềm mạnh chịu được nhiệt độ khoảng 60 oC, loại nhựa

có tính kiềm yếu chịu nhiệt độ khoảng 80oC.
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

17

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

- Tính năng hóa học.
+ Tính thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion: Phản ứng trao đổi ion có
tính thuận nghịch.
2RH + Ca2+

CaR2 + 2H+

(1.18)

Sau khi phản ứng thuận nghịch đạt cân bằng muốn khôi phục lại năng lực
trao đổi ion có thể lợi dụng tính thuận nghịch của phản ứng (1.18) để khôi phục
lại tính năng trao đổi. Đây là tính năng quan trọng của chất trao đổi ion để có thể
sử dụng nó lặp đi lặp lại nhiều lần.
- Tính chọn lọc của chất trao đổi ion: Nhựa trao đổi ion có ái lực khác
nhau với loại ion khác nhau trong nước. Các ion có điện tích lớn có khả năng
trao đổi tốt hơn. Hiện tượng này là tính chọn lọc của nhựa trao đổi ion.
- Dung lượng trao đổi ion: Biểu thị lượng ion có thể trao đổi trong một
loại chất trao đổi ion. Đó là một chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng của chất trao đổi
ion. Có hai phương pháp biểu thị dung lượng trao đổi: Biểu thị theo khối lượng
mđlg/ l và biểu thị theo thể tích mđlg/m3.

Dung lượng trao đổi thường dùng có các loại sau:
+ Tổng dung lượng trao đổi E: Sau khi đem toàn bộ gốc hoạt tính
trong chất trao đổi sinh thành ion có thể trao đổi. Dung lượng trao đổi này chủ
yếu dùng để nghiên cứu chất trao đổi ion.
+ Dung lượng trao đổi cân bằng B: sau khi tái sinh hoàn toàn chất trao
đổi thì dung lượng trao đổi của nó tác dụng với dung dịch nước có thành phần
nhất định, trong trạng thái cân bằng gọi là dung lượng trao đổi cân bằng. Chỉ
tiêu này biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi.
+ Dung lượng trao đổi làm việc: Là dung lượng trao đổi xác định được
dưới điều kiện vận hành thực tế. Dung lượng trao đổi làm việc và điều kiện vận
hành thực tế có mối quan hệ rất mật thiết. Tổng hàm lượng các muối hòa tan
trong nước, thành phần của chúng, chiều dày của lớp nhựa, vận tốc nước vận
hành, nhiệt độ nước, phương thức tái sinh, loại hóa chất dùng tái sinh, độ thuần

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

18

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

khiết hóa học của chất tái sinh… Đều ảnh hưởng đến dung lượng làm việc của
nhựa.
1.4.5 Tái sinh nhựa
Nhựa trao đổi ion được sử dụng triệt để khi toàn bộ các ion chiếm chỗ
thay thế, thì nhựa được làm mới lại, hay còn gọi là tái sinh lại nhựa. Dung dịch
tái sinh nhựa sẽ được đi qua bề mặt nhựa để loại bỏ các ion từ nước và tái sinh
lại nhựa. Dung dịch để tái sinh vật liệu làm mềm nước là nước muối cô đặc còn

gọi là “Brine” (nước muối hoặc nước biển). Có hai loại dung dịch được sử dụng
để tái sinh vật liệu đề ion hóa. Một là axit đặc và loại khác là bazơ đặc.
1.4.6 Ưu điểm của phương pháp
Hấp thụ và trao đổi ion là các phương pháp tách trực tiếp các cấu tử tan
trực tiếp trong nước, chúng được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước nhờ các ưu
điểm chính sau:
- Là hiện tượng khá phổ biến trong tự nhiên và trong sản xuất
công nghiệp.
- Có khả năng làm sạch ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ về
chất lượng.
- Có rất nhiều khả năng lựa chọn do tính phong phú của chất hấp
thụ, chất trao đổi ion (chất hấp thụ và trao đổi ion thương mại có
số lượng lên tới vài trăm loại).
- Có khả năng tái sinh sử dụng nhiều lần.
- Thu hồi một số chất để tái sử dụng.
- Thiết kế, sử dụng, vận hành tương đối thuận lợi, giá thành hạ.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

19

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

CHƯƠNG 2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Mục đích nghiên cứu
Đề tài xử lý kim loại Fe và Mn trong nước bằng phương pháp trao đổi ion

với mục đích nghiên cứu.
1. Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại Fe và Mn bằng phương
pháp trao đổi ion.
2. Từ thực nghiệm tìm ra các điều kiện tối ưu của quá trình
như: khối lượng nhựa, nồng độ tối ưu của chất trao đổi, thời
gian trao đổi của quá trình xử lý kim loại Fe và Mn để áp
dụng vào thực tế.
2.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài xử lý kim loại trong nước là dung dịch
mẫu giả pha các nồng độ kim loại Fe3+, Mn2+ khác nhau 20, 30, 40, 50 mg/l.
2.3 Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng nhựa đến hiệu suất trao đổi của
Fe và Mn.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trao đổi của Fe và
Mn.
- Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất trao đổi của Fe và Mn.
- Khảo sát khả năng tái sinh nhựa bằng dung dịch acid H2SO4.
- Khảo sát khả năng xử lý của nhựa tái sinh lần một.
2.4 Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm
-

Giá trị pH đo bằng máy đo pH Mettler, với độ chính sác 10-2

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

20

Nguyễn Thị Vượng

Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

-

Hàm lượng sắt được phân tích trong nước bằng phương pháp trắc

quang dùng thuốc thử thioxianat. Cơ sở của phương pháp là ôxy hóa toàn bộ sắt
có trong mẫu nước thành sắt (III). Trong môi trường axit tạo được với ion SCN phức chất mầu đỏ. Một số cation như đồng, coban cản trở phản ứng này, song
những ion này trong nước là rất ít.
- Hàm lượng mangan được phân tích trong nước bằng phương pháp trắc
quang (so màu) khi trong môi trường axit mangan sẽ bị ôxy hóa thành Mn +7 bởi
chất ôxy hóa mạnh là amonipesufat ( (NH3)2S2O8) tạo phức có màu tím.
2.4.2 Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được thống kê và xử lý theo phần mềm Microsoft Excel 2003.
Đồ thị được vẽ bằng phần mềm Origin 6.0.
2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số tới quá trình trao đổi
Nhựa trao đổi cation trước khi vào hoạt động thì nhựa phải được hoạt hóa
qua đêm bằng dung dịch HCl 1M theo tỉ lệ 1g: 50ml ở nhiệt độ thường. Sau đó
nhựa được rửa nhiều lần bằng nước đến khi không phát hiện ion Cl - trong nước
rửa (kiểm tra bằng Ag do dễ phản ứng với Cl -), sấy khô ở 80 oC đến khối lượng
không đổi.
 Khảo sát khối lượng nhựa tới hiệu suất trao đổi
Đối với thực nghiệm xác định ảnh hưởng của khối lượng nhựa tới hiệu
suất trao đổi ta tiến hành như sau:
- Khảo sát với nồng độ Fe3+ là 20 mg/l:
+ Lấy 4 bình tam giác 100ml, có chứa 30 ml dung dịch Fe 3+ đã được điều
chỉnh pH ban đầu bằng dung dịch NaOH và HNO 3 và mỗi bình chứa 0,1; 0,15;
0,2; 0,25 g nhựa đã được hoạt hoá.
+ Mẫu được khuấy với tốc độ 150 vòng / phút.

+ Ở nhiệt độ phòng.
+ Thời gian trao đổi 4h.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

21

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Sau đó pha lỏng được tách bằng giấy lọc, nồng độ dung dịch lọc được xác
định lại nồng độ.
- Khảo sát với các nồng độ Fe 3+ 30, 40, 50 mg/l, Mn 2+ 20, 30, 40, 50 mg/l
được tiến hành tương tự như đối với Fe3+ 20 mg/l.
 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất trao đổi.
Đối với thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của
quá trình trao đổi ion được tiến hành như sau.
- Lấy 8 cốc thủy tinh 100ml, mỗi cốc chứa 30 ml dung dịch Fe 3+ 20
mg/l, (do nồng độ Fe3+: 20 mg/l là nồng độ tối ưu đã được khảo sát ở
trên) đã được hiệu chỉnh pH ban đầu bằng dung dịch HNO 3 hay
NaOH.
- Đổ dung dịch được hiệu chỉnh pH vào 8 bình tam giác 100ml chứa sẵn
một lượng cation đã được hoạt hoá với khối lượng là 0.2 g.
- Mẫu được khuấy với tốc độ 150 vòng / phút.Ở nhiệt độ phòng.
- Thời gian khuấy của mỗi mẫu là như nhau.
- Sau thời pha lỏng được tách bằng giấy lọc. pH và nồng độ Fe 3+, Mn2+
ở trạng thái cân bằng được đo đạc và phân tích.
 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới hiệu suất trao đổi

Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu suất của quá trình
được tiến hành trong điều kiện tương tự như đối với thực nghiệm khảo sát ảnh
hưởng của thời gian.
- 7 bình tam giác có chứa sẵn khối lượng nhựa là 0,2 g, và 30 ml dung
dịch trao đổi có nồng độ 20 mg/l. ở pH = 2
- Thời gian trao đổi là 3,5 h.
- Cho khuấy với tốc độ 150 vòng / phút.
- Sau đó đem lọc và xác định lại nồng độ của dung dịch lọc.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

22

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

 Khảo sát quá trình tái sinh nhựa cation bằng dung dịch axit sunphuric ở các
nồng độ khác nhau.
- Nhựa sau khi đã trao đổi được ngâm trong dung dịch axit sunphurit với
các nồng độ 1,5%; 3 %; 5 %, 10%; 13%; 15 %, 20 % trong một đêm.
- Đem lọc và xác định lại nồng độ kim loại có trong axit sau ngâm.
- Phần nhựa được đem rửa lại nhiều lần bằng nước lọc.
- Phần nước lọc đem xác định lại nồng độ kim loại.
- Nhựa được sấy ở nhiệt độ 80oC đến khối lượng không đổi.
 Khảo sát khả năng xử lý của nhựa tái sinh lần một được tiến hành tương tự
như khảo sát thời gian, pH, khối lượng nhựa nhưng trong các điều kiện tối ưu
đã được xác định như: pH = 3, khối lượng nhựa là 0,2 g, Thời gian trao đổi là
3,5 h.

Sau đó đem lọc và xác định lại nồng độ của dung dịch lọc.
2.5 Dụng cụ, vật liệu và hoá chất
2.5.1 Thiết bị
Cân phân tích AND HR – 200 ( Nhật)
Máy đo quang DR 2010 (USA)
Máy đo pH Mettler
2.5.2 Hoá chất
MnSO4.6H2O.
H2SO4 98%.
Phèn sắt amoni: (NH4)2Fe(SO4)2.12H2O.
NaOH.
Axit clohyđric, dung dịch HCl 1:1, dung dịch HCl 1M.
Axit sunfuaric, dung dịch H2SO4 1:2, dung dịch H2SO4 các nồng độ khác
nhau: 1.5%, 3%,5%, 10%, 13%, 15%, 18%.
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

23

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Axit oxalic,dung dịch H2C2O4.2H2O 0,1N.
Kali thioxianat, dung dịch KSCN 20%
Kali pemanganat, dung dịch KMnO4 0,1 M.
Axit HNO3.
AgNO3.
2.5.3 Vật liệu trao đổi cation được sử dụng
Trong quá trình nghiên cứu đã dùng Nhựa trao đổi ion: cationit Dunolite

C-206F S- DVIS; gel; KLRR: 1,19; HL A%: 55÷61; pH: 0÷14; t 0: 1000C; Đl:
1,6đl/l, thuộc loại cationit mạnh gốc axit sunfonic và anionit Dunolite ES-105.S
DVB; gel; KLRR: 1,07; HL A% 55÷60; pH: 0÷14; t0: 600C; Đl: 1,3đl/l thuộc
loại anionit mạnh loại 1. Hãng sản xuất DISA-London(Anh).
2.6 Dựng phương trình đường chuẩn của sắt và mangan
2.6.1 Lập phương trình đường chuẩn của sắt
Chuẩn bị 9 bình định mức có dung tích 100 ml. Lấy lần lượt vào mỗi bình 0;
1; 2; 5; 10; 15; 20; 25; 30 ml dung dịch chuẩn phèn sắt amoni (1ml dung dịch
chứa 0,005 mg sắt).
Thêm nước cất để thể tích dung dịch trong các bình khoảng 30 ml. Như vậy
lượng sắt trong các binh tương ứng là 0; 0,005; 0,01; 0,025; 0,05; 0,075; 0,1;
0,125; 0,15 mg sắt.
Thêm 2,5 ml dung dịch H2SO4 (1:2); 2,5 ml KMnO4 0,1N. Đun sôi hỗn hợp
3 - 5 phút. Nhỏ vào đó từng giọt dung dịch axit oxalic đến khi mất màu tím, lại
thêm cẩn thận từng giọt dung dịch KMnO4 đến khi dung dịch xuất hiện màu
hồng nhạt. Để nguội, nếu dung dịch bị đục thì lọc. Thu tất cả nước lọc, nước rửa
vào bình định mức 100 ml; thêm 2,5 ml dung dịch HCl (1:1) lắc đều. Thêm 5ml
dung dịch KSCN 20%, lắc đều và định mức tới vạch bằng nước cất. Đo trắc
quang ở bước sóng 500 nm.

Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

24

Nguyễn Thị Vượng


Đề tài: “Nghiên cứu xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trao đổi ion”

Bảng 2. 1: Giá trị xác định đường chuẩn của Fe

C
(mg/l)
ABS

0

0.000

0

5
0.022

0.001

0.002

0.052

5
0.144

0.005

0.007

0.01

0.015

0.306

5
0.463

0.621

0.928

Hình 2. 1: Đường chuẩn xác định Fe
Xác định Fe trong mẫu thực: lấy lượng mẫu cần xác định sao cho hàm
lượng sắt trong đó không vượt quá 0,2 mg cho vào bình tam giác 250ml. Làm
các bước tiếp theo tương tự như lập đường chuẩn.
2.6.2 Lập phương trình đường chuẩn xác định Mn theo phương pháp
pesunfat
Từ dung dịch gốc chứa 8 mg/l Mn 2+ lần lượt cho vào các bình định mức
50ml lần lượt có thể tích 0; 2.5; 5; 10; 20; 30; 50 ml.
Sau đó, ta lấy ra 19 ml dung dịch tương ứng rồi thêm vào ống nghiệm
0.5ml axit H2SO4 98%, thêm tiếp vào mỗi ống nghiệm 1g amoni pesunfat lắc
đều.
Đun 10 - 15 phút dung dịch có màu tím. Để nguội và đem đo trắc quang ở
bước sóng 525 nm.
Khóa luận tốt nghiệp khóa VIII

25

Nguyễn Thị Vượng