Xử lý nước thải bằng phương pháp trao đổi ion

Xử lý nước thải
bằng phương pháp
trao đổi ion
Nhóm 6: Phạm Thanh Phương
Nguyễn Xuân Quỳnh
Nguyễn Thúy Quỳnh
Nguyễn Anh Sơn
Cao Hồng Quân


TỔNG QUAN TRAO ĐỔI ION
CƠ CHẾ PHƯƠNG PHÁP
TÁI SINH
ỨNG DỤNG
KÉT LUẬN


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
1. Định nghĩa
– Trao đổi ion là quá trình tương tác của dung dịch với pha rắn có tính

chất trao đổi lớn trong pha rắn với còn có trong dung dịch.
Quá trình được dùng để tách các kim loại Pb, Zn, Cu, Hg, Cr, Ni, Cd,
Mn... hợp chất As, P, CN các chất lỏng phóng xạ khỏi nước thải.

HR + Na+ ↔ NaR + H+

2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2Na+


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION

2. Cơ Sở phương pháp trao đổi ion
– 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).
Lớp nhựa
chuyển
động

Lớp nhựa
đứng yên

– 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 chỗ 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.

Phương
pháp

Trao đổi ion với lớp
nhựa tĩnh là phổ biến.


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
3. Vật liệu trao đổi ion
Ion
Exchangers

Modified
Natural

Natural

Inorganic
- Vermiculite
- Zeolites
- Clays

Synthetic

Organic

Inorganic

- Polisaccharide
- Protein
- Cabonaceous

- Zeolites
- Titanates and
Silicontitanate
- Transition metal
hexacyanoferrate

Organic
- Polystyrene
divinyl benzene
- Phenolic

- Acrylic


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
4. 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.
Cấu tạo

Cấu trúc dị thể gồm hai pha: vùng đồng chứa mạng polymer và
nước (hình cầu nhỏ) và vùng không gian chứa nước giữa các hạt
cầu nhỏ
Tính chất vật lý

Cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn,
dạng xốp đều, dạng bột mịn và dạng từ tính. Hạt hình
cầu đường kính 0,5 – 1,0 mm
Tính chất hóa học

Độ trương nở, tính ổn định
Tính chất trao đổi, dung lượng trao đổi
Tính acid, kiềm
Tính trung hoà và thuỷ phân


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
4. Nhựa trao đổi ion
– Tính chất chọn lọc của nhựa trao đổi ion: được đo bằng hệ số chọn lọc K
RA+ + B+ ↔ RB+ + A+
K = (nồng độ B+ trong nhựa / nồng độ của A+ trong nhựa) x (nồng độ của A+

trong dung dịch / nồng độ B+ trong dung dịch).
– Hệ số chọn lọc thể hiện sự phân bố tương đối của các ion khi một loại nhựa
trong A+ mẫu được đặt trong một dung dịch chứa các ion B+.
– Sự chọn lọc của axit mạnh và nhựa trao đổi ion bazơ vững mạnh cho các
hợp chất ion khác nhau.
Phản ứng trao đổi ion có thể đảo ngược. Bằng cách liên hệ với một loại nhựa
dư thừa (B+ trong phản ứng sau), nhựa có thể được chuyển đổi hoàn toàn sang
dạng muối mong muốn:
RA+ + B ↔ RB+ + A+


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
4. Nhựa trao đổi ion

Các chất oxy hoá
mạnh Cl2,O3,… có thể
tác dụng xấu lên nhựa.

Nhựa chỉ sử dụng
để trao đổi ion chứ
không dùng để lọc
huyền phù, chất
keo và nhũ màu.

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.


I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
➢ Ưu điểm và nhược điểm của nhựa trao đổi ion:

Ưu điểm
- Rất triệt để và xử lí có
chọn lựa đối tượng
- Nhựa ion có thời gian
sử dụng lâu dài, tái sinh
được nhiều lần với chi phí
thấp, năng lượng tiêu tốn
nhỏ.
- Phương pháp xử lý nước
thân thiện với môi trường
vì nó chỉ hấp thu các chất
sẵn có trong nước.

Nhược điểm
- Nếu trong nước tồn tại các
hợp chất hữu cơ hay ion Fe3+,
chúng sẽ bám dính vào các
hạt nhựa ion, làm giảm khả
năng trao đổi ion của nhựa.
- 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 xử lý cao


II. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION
1 .Thứ tự trao đổi một số cation thông thường
✓ Đối với nhựa Cationit acid mạnh (SAC):
Hg2+ < Cu2+ < Ni2+ < Co2+ < Ca2+ < Sr2+ < Pb2+ < Al3+ < Fe3+
✓ Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC):
H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+
✓ Đối với nhựa Anionit kiềm yếu (WBA)
OH- ≈ F- < HCO3- < Cl- < Br- < NO3- < HSO4- < PO43- < CrO42- < SO42
+ 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


II. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION
2. Cơ chế
9
8
7

6
5
4

3

2
1

• Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề
mặt trong của màng chất lỏng.
• Khuếch tán các ion B qua màng
• Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng.

• Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các
nhóm chức năng trao đổi ion
• Phản ứng hoá học trao đổi ion A và B
• Khuếch tán ion B bên trong hạt trao đổi ion tới biên giới
phân pha.

▪ Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất thải lỏng tới bề mặt
của lớp biên giới màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion.
▪ Khuếch tán lớp ion qua lớp biên giới
▪ Chuyển ion đã qua biên giới phân pha và hạt nhựa trao đổi.


II. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION
2. Cơ chế

Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn quá trình trao đổi ion


II. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION
2. Cơ chế

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, làm cho lớp khuếch tán bị
nén ép lại.Từ đó, 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.


II. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION
2. Cơ chế

✓ Tốc độ trao đổi ion: tuỳ thuộc trên tốc độ của các quá trình
thành phần.
• 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.


II. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION
3. Cân bằng trao đổi ion.
Giả sử một loại nhựa có ái lực lớn hơn cho ion B hơn so với ion A.
Nếu nhựa chứa ion A và B ion được hoà tan trong nước đi qua nó, sau đó
trao đổi sau đây diễn ra, phản ứng tiến tới bên phải (R đại diện cho nhựa):
AR + Bn± ↔ BR + An±

Khi khả năng trao đổi nhựa đến gần như không còn, nó sẽ chủ yếu là dưới
hình thức BR
𝐵𝑅 [𝐴ሿ
=𝑄
𝐴𝑅 [𝐵ሿ
Q là hệ số trạng thái cân bằng, và là một hằng số cụ thể cho các cặp ion và
các loại nhựa.
=> Nếu một dung dịch đậm đặc chứa ion A bây giờ là đi qua cột trao đổi
ion hết khả năng trao đổi, nhựa sẽ tạo thành dạng AR đã sẵn sàng để tái sử
dụng, trong khi ion B sẽ được tách vào trong nước


III. TÁI SINH VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION
1. Tính năng thuận nghịch phản ứng trao đổi ion
✓ Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch.
Dựa trên tính chất này người ta có thể hoàn nguyên, tái nạp ion cho
nhóm trao đổi, khôi phục lại năng lực trao đổi của nó.

2HR + Ca2+ → CaR2 + 2H+ (nhựa trao đổi)
CaR 2 + 2H+ → 2HR + Ca2+ (hoàn nguyên)


III. TÁI SINH VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION
2. Phương pháp tái sinh
✓ Tái sinh cùng dòng chảy (CFR): Chất lỏng (nước) chảy từ trên xuống
dưới cùng của cột trong cả 2 giai đoạn tiếp xúc giữa chất lỏng – nước và
giai đoạn tái sinh.
✓ Tái sinh đảo ngược tái tạo dòng (RFR): Chất lỏng chảy lên trên và
xuống dưới trong quá trình lọc và tái sinh.

Hình 3.1 Tái sinh xuôi dòng

Hình 3.2 Tái sinh ngược dòng


IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
1. Làm mềm nước cứng
✓

Thông thường sử dụng Sodium Zeolite để làm mềm nước cứng

✓

Sau khi rửa nhựa được xử lý bằng một dung dịch natri clorua 10%, và tiền

thu được tái sinh

IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
1. Làm mềm nước cứng
✓

Thông thường sử dụng Sodium Zeolite để làm mềm nước cứng

✓

Sau khi rửa nhựa được xử lý bằng một dung dịch natri clorua 10%, và tiền

thu được tái sinh

Hình 4.1


IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
1. Làm mềm nước cứng

Hình 4.2: Quá trình làm mềm nước


IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
1. Làm mềm nước cứng
Thuận lợi

- Nước được xử lý có độ cứng rất.
- Hoạt động rất đơn giản.
- Muối là không tốn kém và dễ
dàng để xử lý.

- Không có bùn thải được sản
xuất.
- Chất làm mềm natri zeolite
thích hợp cho cả việc cài đặt lớn
và nhỏ.

Hạn chế

- Hoạt động không hiệu quả
trên các vùng nước đục
- Nhựa có thể bị hỏng do chất
gây ô nhiễm kim loại nặng
như sắt và nhôm.
- Tác nhân oxy hóa mạnh mẽ
trong tấn công nước thô và
làm suy giảm nhựa


IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
2. Khử khoáng


IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
2. Khử khoáng


IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
2. Khử khoáng

IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
3. Ứng dụng khác
1. Trong xử lý
nước cấp: arsen,
nitrat, silic…

2. Xử lý chất
thải phóng xạ

3. Hóa chất chế
biến – Xúc tác.

Trong xử lý nước
thải sinh hoạt, công
nghiệp, thu hồi các
chất có giá trị…

5. Tách sắc ký…