TRAO ĐỔI ION-ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION TRONG XỬ LÝ NƯỚC MẶN VÀ LOẠI BỎ KIM LOẠI NẶNG

Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

Đề Tài Hóa Lý:
TRAO ĐỔI ION-ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH TRAO
ĐỔI ION TRONG XỬ LÝ NƯỚC MẶN VÀ LOẠI BỎ KIM
LOẠI NẶNG

GVHD: ThS. Huỳnh Tấn Nhựt
Sinh Viên Thực Hiện :Nhóm 1

TP.Hồ Chí Minh 04/2016
1


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Danh sách Nhóm 1 :
ST
T
1
2
3
4
5
6
7
8
9

10

Họ và Tên

Trần Minh Tài

MSSV

Điểm Thành Viên

13163077

2


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Tính Cấp Thiết Của Đề Tài
Nước ta đã và đang trong thời kỳ đổi mới với những tăng trưởng vượt bậc của nền kinh tế Công
cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước ngày càng được đẩy mạnh cùng với sự ra đời của
của các vùng kinh tế trọng điểm, các khu công nghiệp mới ...điều đó từng bước xoá đi hình ảnh
về một đất nước với nền kinh tế nông nghiệp lạc hậu, chậm phát triển. Tuy nhiên, một trong
những mặt trái của sự phát triển nhanh chóng về kinh tế là sự gia tăng các vấn đề về ô nhiễm môi
trường .
Đi kèm với những vấn đề ô nhiễm về không khí, chất thải rắn, đất là sự ô nhiễm nghiêm trọng
của nguồn nước. Theo Liên hiệp quốc, hiện nay có hơn 2,6 triệu người trên toàn cầu không được
tiếp xúc với điều kiện vệ sinh cơ bản và gần một tỷ người không được dùng nước sạch. Cứ 20

giây lại có một trẻ em tử vong vì các bệnh liên quan đến tình trạng thiếu nước sạch và điều kiện
vệ sinh phù hợp. Một báo cáo gần đây của Ngân hàng Thế giới ước tính, tới năm 2030, nhu cầu
về nguồn nước của con người sẽ vượt lượng cung tới 40%. Nước sạch là nước chúng ta dùng
trong sinh hoạt hằng ngày, và phải không bị ô nhiễm và nhiễm độc… Tuy 70% diện tích Trái Đất
được bao phủ bởi nước nhưng chỉ có 2,5% nước trên thế giới là nước ngọt, trong khi 97,5% là đại
dương. Trong đó, 0,3% nước ngọt của thế giới nằm trong các sông, hồ; 30% là nước ngầm, phần
còn lại nằm trên các sông băng, núi băng. 70% lượng nước trên thế giới được sử dụng cho nông
nghiệp, 22% cho công nghiệp và 8% phục vụ sinh hoạt.
Chính vì nguy cơ thiếu nước sạch dung cho sinh hoạt và ản xuất, con người đã nghĩ ra hàng loạt
các phương pháp nhắm tạo ra nguồn nước mới, cung cấp cho nhu cầu của con người, đi đầu trong
các nghiên cứu nhằm giải quyết vần đề trên là nghiên cứu tách muối ra khỏi nước mặn, nước lợ

3


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

và tách kim loại nặng có trong nước ngầm để đảm bảo nguồn nước đạt tiêu chuẩn về chất lượng
nước dung cho sinh hoạt và ăn uống.
1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu

Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước, tuy nhiên mục tiêu mà nhóm quan tâm nhất là tìm hiểu
về phương pháp Trao Đổi Ion và hiệu quả của nó trong việc xử lý nước mặn cũng như nước bị
nhiễm kim lọai nặng.
1.3
−
•
•
•
−

Nội Dung Và Phạm Vi Nghiên Cứu
Nội dung:
Lý thuyết về quá trình trao đổi ion
Loại bỏ muối ra khỏi nước bằng phương pháp trao đổi ion
Loại bỏ kim loại nặng trong nước ngầm bằng phương phám trao đổi ion
Phạm vi: Nước cấp, Nước ngầm

1.4

Phương Pháp Nghiên Cứu

•
•
•

Tham khảo tài liệu
Tiến hành thí nghiệm
Nghiên cứu lý thuyết

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION

2.1

Cơ Sở Của Phương Pháp Trao Đổi Ion

 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,
4


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

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.
−
−

Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng.
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.
 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.

Hình 1.Cơ chế trao đổi ion

2.2

Vật Liệu Trao Đổi Ion

2.2.1 Phân loại
 Vật liệu trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ, chúng

được coi là nguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi được với bên ngoài. Trên bề mặt chất rắn tồn
5


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

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. cấu trúc chúng có thể mô tả như sau.
Bảng 1. Cấu trúc của chất trao đổi ion
Dạng chất trao đổi

Mạng chất rắn

Điện
chức

tích

Cationit
Anionit
Lưỡng tính

Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ

Âm
Dương
Âm, dương

nhóm

Ion linh động
Dương
Âm
Âm,dương

Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm pH cao đối với cationit và ở vùng pH thấp
đối với anionit nếu không có cả hai nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái không phân li, điện
tích tổng hợp của nhóm chức năng bằng không. 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
Loại cationit
a.


b.




Vô cơ :

Tự nhiên : Zeolit, khoáng sét
Tổng hợp: Zeolit tổng hợp, permutit, silicat tổng hợp
Hữu cơ :
Tự nhiên : Than bùn,lignin,
Than sulfon hóa
Tổng hợp : Nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản ứng trùng ngưng, polime hóa
Loại anionit

a. Vô cơ



Tự nhiên (dolomit, apatit,hydroxyl apatit)
Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)

b. Hữu cơ : Tổng hợp (nhựa trao đổi ion)

2.2.2 Một số vật liệu trao đổi Ion
• 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 cầu trúc lớp.
6


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Các loại zeolit tự nhiên như annalcite, chabazite, hardmotome, heulandite, natrorolit,
clinoptilolite là những đại diện của họ chất này. Các loại zeolit này có hệ mao quản khá rộng
thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Các ion này có thể trao đổi linh động, chuyển dịch khá tự do
trong các hốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+, Ca2+, K+, Mg2+. 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.

Hình 3: Zeolite
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, quá trình hdro hóa các ion này gây ra tính trương nở của
khoáng sét. Dung lượng trao đổi ion của khoáng sét thấp hơn so với zeolit, nằm trong khoảng trên
dưới 1 mdl/g.

7


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 1: Khoáng sét.
Glauconite là khoáng sắt (II) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi được là kali. Cấu trúc mạng
của nó khá chặt chẽ nên quá trình trao đổi ion chỉ diễn ra trên bề mặt bên ngoài. Tuy nhiên ở
trạng thái phân tán cao, dạng keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể.

Hình 2: Silicate
Do rất nhiều hạn chế, vật liệu trao đổi ion vô cơ ít được sử dụng và được thay thế bởi các loại
nhựa tổng hợp.
•

Vật liệu trao đổi Ion trên than
Rất nhiều loại than có tính năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề mặt than như COOH, OH là
các axit yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp. Tuy vậy các vật liệu này dễ bị
8

Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

kiềm phá hủy và có xu hướng peptit hóa. Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được “ổn định”
thông qua các biện pháp xử lí.
Than non, than lignin có thể xử lí dung dịch muối đồng, muối crôm hay muối nhôm. Một số loại
than đá, than có độ cứng nhất định xử lí với xút hay axit clohydic, sản phẩm tạo thành có độ bền
hóa tốt hơn.
Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể tạo thành loại cationit bằng cách hoạt hóa với axit
sunfuric đặc, “gắn” vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO 3, đồng thời tăng cường mật độ nhóm
carbonxilic qua quá trình oxy hóa
Quá trình hoạt hóa tỏa nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình trương nở gây ra vỡ vụn, hiệu suất
thu hồi sản phẩm rất thấp. Một trong các giải pháp cải thiện tình trạng trên là hoạy hóa hai giai
đoạn: ban đầu với axit loãng và axit đặc.
Về một số phương diện than sulfon hóa giống với nhựa trao đổi ion: có các nhóm chức và cấu
trúc gel, tuy nhiên có thành phần hóa học không ổn định, độ bền cơ học hóa kém hơn, đặc biệt dễ
bị kiềm phá hủy

Hình 4: Than hoạt tính

2.3

Nhựa Trao Đổi Ion
Là các polyme có khả năng trao đổi ion đặc biệt bên trong polymer với các ion trong dung dịch
được truyền qua chúng. Khả năng này cũng được nhìn thấy trong các hệ thống tự nhiên khác
nhau như đất và các tế bào sống nhau. Vật liệu trao đổi ion tổng hợp được sử dụng phổ biến là
nhựa polystyrene với nhóm sulphonate có khả năng trao đổi ion dương và nhóm amine trao đổi
9


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

ion âm. Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu để tinh sạch nước, ngoài ra còn nhiều ứng
dụng khác bao gồm việc phân tách các yếu tố lẫn trong dung dịch.

Hình

5 : Hạt

nhựa

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

10


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 6: nhựa trao đổi ion
2.3.1

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 styrene và divinylbenzen(DVB).
Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những cầu nối giữa các polyme có tính
không hoà tan và giai bền. Cầu nối trong Resin là cầu nối 3 chiều. Nhựa trao đổi ion không tan
nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan hầu hết trong các dung môi

2.3.2

Phân loại
Nhựa trao đổi ion được phân loại là trao đổi cation, trong đó có các ion mang điện tích dương di
động có sẵn để trao đổi, và trao đổi anion, trao đổi các ion mang điện tích âm. Cả hai nhựa anion
và cation được sản xuất từ các polyme hữu cơ cơ bản giống nhau. Chúng khác nhau ở nhóm ion
hoá gắn liền với mạng hydrocarbon. Nhóm chức năng này dùng để xác định hoạt động hóa học
của nhựa. Nhựa có thể được phân loại như trao đổi cation axit mạnh hay yếu hoặc trao đổi anion
bazơ mạnh hay yếu.
Có 4 loại Resin: Resin Cation acid mạnh, Resin Cation acid yếu , Resin Anion bazơ mạnh, Resin
Anion bazơ yếu

•

Nhựa cation axit mạnh( R-H hoặc R-Na)
Trao đổi muối trung tính thành axit tương ứng. Dung dịch hoàn nguyên là HCl và H 2SO4 đối với

R-H và NaCl đối với R-Na.
R-H + NaCl → RNa + HCl
• Nhựa cation axit yếu( R-XH)
Trao đổi muối kiềm thành axit yếu tương ứng nhưng không trao đổi với muối trung tính
(NaCl,H2SO4). Nhựa này có nhóm chức cacboxylic và sử dụng HCl hoặc H2SO4 để hoàn nguyên.
Ca(HCO3)2 + 2R-H → CaR2 + 2H2CO3
• Nhựa anion kiềm mạnh( R-OH hoặc R-Cl)

11


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Chuyển hóa muối trung tính thành bazơ mạnh tương ứng( NaCl, CaSO 4) nếu hoạt động theo chu
trình hydroxyt. Dung dịch hoàn nguyên là NaOH cho OH- và NaCl cho ClSO42- + 2R-OH → R2SO4 + 2OH• Nhựa anion kiềm yếu( R-OH)
Trao đổi axit khoáng tự do như HCl, H2SO4 thành nước nhưng không trao đổi với các axit
phân ly yếu H2CO3, H2SiO3. Dung dịch hoàn nguyên là NaOH và dung lượng trao đổi khá
lớn.
2.3.3 Tính chất
 Vật lý
Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn, dạng xốp đều, dạng bột
mịn và dạng từ tính. Nhựa dạng gel là loại được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố đồng đều
trong cả dạng polymer. Nhựa bị trương nở trong điều kiện nhất định và chính sự có mặt của nước
trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polymer.
− Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc của nhựa mất hiệu
lực thường thâm hơn một chút.
Hạt nhựa dùng trong xử lý nước thông thường có bề ngoài là các hạt nhựa styrene dạng gel,
màu vàng trong suốt; hạt nhựa macroprous không trong suốt (hoặc hơi trong); nhựa
macroprous cation styrene màu vàng nhạt hoặc nâu xám nhạt, hạt nhựa macroprous anion
styrene có màu trắng; nhựa acrylic màu trắng hoặc trắng sữa. Nhựa macroprous styrene khi
hình thái ion khác nhau sẽ xảy ra hiện tượng biến đổi màu sắc, ví dụ hạt nhựa 001x7 từ trạng
thái tái sinh sang trạng thái hết tác dụng sẽ biến đổi từ màu đậm sang màu nhạt, từ trạng thái
hết tác dụng sang trạng thái tái sinh thì màu sắc lại biến đổi từ nhạt sang đậm, quá trình như
−

vậy có thể chuyển ngược được.
Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng hình cầu. căng và dạng tự do để chống suy thoái

vật lý.
− Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến đổi lớn.
− Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) , hoặc ở dạng

−

−

ướt (độ ẩm ướt).
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 20-50 oC.
Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng

ion.
Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm.
− 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.
12


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1
−

Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ)

Hình 7: ảnh minh họa hạt nhựa dạng hình cầu
 Hóa 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 ion: 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, nó không phải là hằng số.
13


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1
−

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 .

Thí dụ : 2HR + Ca 2+ → CaR 2 + 2H +( nhựa trao đổi)
CaR 2 + 2H+ →2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)

−

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.

2.3.4 Điều kiện sử dụng 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
2.4 Thứ Tự Ưu Tiên Khi Trao Đổi Khi Trao Đổi Ion
 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+

14


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

 Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA) và 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 .
2.5 Cơ Chế Trao Đổi Ion
 Trao đổi ion xảy ra theo tỷ lệ tương đương và trong phần lớn các trường hợp là phản ứng thuận
nghịch. Phản ứng trao đổi ion xảy ra do hiệu số thế hoá học của các ion trao đổi. Phương trình
trao đổi tổng quát có dạng sau:
A + RmB = mRA + B

Hình 8: Sơ đồ biểu diễn các bước của quá trình trao đổi ion
Cơ chế trao đổi ion có thể xem như gồm các 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 lớp ion qua các biên giới

3.

Chuyển ion đã qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi

4.

Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi ion

5.

Phản ứng hoá học trao đổi giữa hai ion A và B

6.

Khuếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi ion tới biên giới phân pha
15


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

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

10.

Hình thành cặp ion mới

 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:
•

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. Nhưng 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.

•

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 hấp phụ …,
Phạm 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 độ quá trình trao đổi ion
16

Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

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
2.6 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. Giả 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.
2.7 Cột Trao Đổi Ion

Phần lớn quá trình trao đổi ion được thực hiện trong cột. Một dung dịch chảy qua cột chứa hạt trao
đổi ion. Thành phần hoá học của dung dịch thay đổi do trao đổi ion hay quá trình hấp thu. Thành
phần của dung dịch đầu ra và sự thay đổi của nó theo thời gian phụ thuộc vào tính chất của nhựa
trao đổi (dạng ion, dung lượng, độ liên kết ngang,cỡ hạt…) ,thành phần của đầu vào, và các điều
kiện vận hành (tốc độ dòng, nhiệt độ,…).
Một cột nhựa trao đổi có thể được sử dụng hoặc để loại bỏ các ion không mong muốn từ một dung

dịch tiếp xúc nó hoặc để tích lũy một loại khoáng chất có giá trị từ dung dịch mà sau này có thể
được phục hồi từ nhựa
Quá trình trao đổi ion về nghiên tắc có thể tiến hành theo từng mẻ bằng cách cho chất trao đổi ion
dạng A tiếp xúc với dung dịch chứa ion cần trao đổi B. Tuy nhiên hệ đạt cân bằng khi B vẫn còn dư
17


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

lại trong dung dịch. Để loại bỏ hết được B, quá trình trên phải lặp lại nhiều lần hoặc sử dụng một
lượng chất trao đổi ion rất lớn hoặc nhiều lần thao tác với chất trao đổi ion mới. Trong cột điều kiện
thuận lợi hơn nhiều. Khi chuyển động trong cột, dung dịch luôn tiếp xúc với lớp nhựa trao đổi mới
hoàn toàn nằm ở dạng A nên hầu hết ion được trao đổi khi dung dịch ra khỏi cột. Vì vậy các quá
trình trao đổi ion trong thực tiễn thường được thực hiện trong cột. Khi cho một dung dịch chảy qua
khỏi cột chứa hạt trao đổi ion, thành phần hoá học của dung dịch thay đổi do trao đổi ion hay quá
trình hấp thu.
2.8 Tái Sinh Chất Trao Đổi Ion
Tái sinh vật liệu trao đổi bao gồm ba bước:
• Đẩy ngược
• Sử dụng các hóa chất tái sinh
• Rửa

Hình: tái sinh hạt nhựa

Đẩy ngược chỉ đơn giản là một sự đảo ngược của dòng chảy bình thường để rửa ra bất kỳ chất lơ
lửng trên cột và "làm cho bông ra" khỏi cột trao đổi, để phá vỡ các khu vực bị mất khả năng trao
đổi. Điều này được thực hiện ngay trước khi các đơn vị được tái sinh. Trong quá trình tái sinh, hóa
chất được sử dụng ở mặt trên của cột và loại bỏ thông qua đầu ra phía dưới. Rửa các dấu vết cuối
cùng của hóa chất tái sinh.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ION TRONG XỬ LÝ NƯỚC
3.1 Ứng Dụng Của Quá Trình Trao Đổi Ion Trong Xử Lý Nước Nhiễm Mặn
18


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

3.1.1 Lý Thuyết Của Quá Trình Khử Mặn
Bản chất của quá trình khử muối là tách các muối tự do có trong nước biển hoặc nước lợ, với các
muối có trong dòng nước đầu vào của quá trình khử muối sẽ được nâng cao nồng độ của dòng
nước thải bỏ sau xử lý.
Xử Lý Nước Mặn Bằng Phương Pháp Trao Đổi Ion
Khi sử dụng nhựa cation axit mạnh trong hệ thống khử kiềm, khử khoáng nước gốc ion di động
gắn lên bề mặt hạt là ion H+, nước chảy qua các lớp nhựa tất cả cation của các muối hòa tan trong
nước sẽ bị hấp thụ lên bề mặt cation và nhựa cation sẽ nhả vào nước một lượng tương đương
cation hydro, các muối hòa tan trong nước sẽ biến thành các axit tương ứng:
2 RH + Ca(HCO3)2 ↔ R2Ca + 2 H2CO3
2 RH + CaCl2 ↔ R2Ca + 2 HCl
R RH + MgSO4 ↔ R2Mg + H2SO4
2 RH +NaCl ↔ RNa + HCl
2 RH + Na2SO4 ↔ 2 RNa + H2SO4

Cơ chế trao đổi ion của

nhựa cation và nhựa
anion

3.1.2 Thí Nghiệm Nghiên Cứu Khả Năng Khử Muối Của Hạt Nhựa Trao Đổi Ion Trong Nước
1. Hóa chất và thiết bị
a. Hóa chất:

− NaOH 20%
− HCl 10%
− NaCl
− Nước uống
− Nhựa trao đổi ion: Cation C100H , Anion A400 ( xuất xứ Mỹ)
 Cation C100H
19


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Cấu trúc: Là hạt nhựa cao phân tử polystyrene liên kết bằng
Divinylbenzen
− Nhóm hoạt tính: RH
− Hình dạng bên ngoài: Hạt nhỏ, hình cầu, trong, màu vàng sậm
− Phương diện cơ học: hạt nguyên vẹn tối thiểu 95%, hạt bị nứt
tối đa 5%
− Dạng ion: H+
− Kích thước hạt: 0,1÷0.3 mm
− Dung lượng tổng: 2gđl/l
Anion A400
− Cấu trúc: Là hạt nhựa cao phân tử polystylene có độ xốp thô,
liên kết bằng Divinylbenzen
− Nhóm hoạt tính: Nhóm R-Cl− Hình dạng bên ngoài: Hạt nhỏ hình cầu không trong suốt màu
kem
− Dạng ion: Cl− Kích thước hạt: Dải hạt 0,3-1,2mm
− Dung lượng tổng: 1,3gđl/l
−



Thiết bị:
− Bình nhựa 1,5 lít
− Cân phân tích
− Cột trao đổi ion
Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm1: Đánh giá khả năng hấp thu muối của hạt nhựa ở trạng thái cân bằng
− Pha mẫu: Cân 3 mẫu muối NaCl mỗi mẫu 2g. Pha loãng 2g muối với 1000ml
nước uống
− Bố trí thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm với 3 mẫu dung dịch ở nồng độ muối là
2g/l với 3 khối lượng hạt nhựa cation và anion lần lượt là 4g, 8g, 10g
− Rữa hạt nhựa anion trong NaOH để hoàn nguyên gốc Cl- thành OH− Cho vào bình nhựa (1,5lít có van xả nước ở cuối bình ) 1 lít nước muối khuấy
đều với nồng độ 2g/l
− Đo chiều cao và tính thể tích cột nhựa cột nhựa (trừ cả phần chiều cao của bông
chống thấm). Lượng nhựa cation và anion cho vào sẽ bằng 3/4 chiều cao của cột
b.

2.


20


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
−

−
−

Mô tả thí nghiệm: Nước muối với nồng độ và thể tích đã được pha sẵn chứa trong bình
nhựa. Mở van xả nước cho dung dịch chảy qua cột Cation, do sự cân bằng áp lực nước
sẽ tiếp tục chảy qua cột Anion. Điều chỉnh sao cho lượng nước chảy có đủ thời gian
tiếp xúc với hạt nhựa. Ở nơi thu mẫu, xã bỏ lượng nước đầu do quá trình trao đổi chưa
diễn ra hoàn toàn, Sau thời gian bằng với khoảng thời gian cân bằng đã khảo sát được
ở thí nghiệm 1 mở van xã thu mẫu và đem đi đo nồng độ muối.
So sánh hiệu quả xử lý của hạt nhựa sau 3 mẫu
So sánh nồng độ muối còn lại của các mẫu với QCVN 02/BYT tiêu chuẩn của nước
dùng trong sinh hoạt
a. Thí nghiệm lần 1 với khối lượng cation và anion lần lượt là 4g:

21


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 2. Bố trí thí nghiệm lần 1

Hình 3. Kết quả thí nghiệm lần 1
b. Thí nghiệm lần 1 với khối lượng cation và anion lần lượt là 8g:
22


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 4. Bố trí thí nghiệm lần 2

Hình 5. Kết quả thí nghiệm lần 2
b. Thí nghiệm lần 1 với khối lượng cation và anion lần lượt là 10g:

23


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 6. Bố trí thí nghiệm lần 3

Hình 7. Kết quả thí nghiệm lần 3

24


Bài Thực Hành Thí Nghiệm Hóa Lý – Nhóm 1

Hình 8. Kết quả sau 3 lần thí nghiệm
Bảng 2: nồng độ muối đầu ra ở cùng thời gian khả sát
Mẫu


−

3.2

Nồng độ
đầu vào
g/l

Khối lương Chiều cao Thời gian Nồng độ đầu Hiệu
cation

và lớp vật liệu lọc (phút) ra g/l
suất xử
anion
lọc (cm)
lý
(%)
1
2
4
12
120
0,6
70
2
2
8
24
125
0,55
72.5
3
2
10
30
128
0,5
75
(Nguồn cung cấp bởi phòng môi trường công ty Arysta Lifesience Việt Nam)
Thí nghiệm hoàn nguyên hạt nhựa
Rữa hạt nhựa đã bão hòa ở thí nghiệm 2:

 Hạt cation rữa trong dung dịch axit HCl 10%
 Hạt anion rữa trong dung dịch NaOH 20%
Ứng Dụng Của Quá Trình Trao Đổi Ion Trong Xử Lý Kim Loại Nặng Trong Nước Ngầm

3.2.1 Các Kim Loại Nặng Trong Nước Ngầm
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3. Các kim loại nặng phổ biến
thường thấy trong nước thải là: Zn, Cu, Pb, Hg, Cr, Ni, As, Cd...
Trong tự nhiên, kim loại nặng có thể tồn tại trong cả 3 thành phần môi trường: đất, nước, không khí.

25