Xử lí nước thải bằng phương pháp trao đổi ion

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT
*******

TIỂU LUẬN
KĨ

THUẬT XỬ LÝ

NƯỚC THẢI
Xử lý nước thải

bằng phương pháp
trao đổi ion

Giáo viên giảng dạy :

Vũ Đình Thảo

Nhóm

:

6

Sinh viên thực hiện

:

Nguyễn Anh Sơn
Cao Hồng Quân

Phạm Thanh Phương
Lê Xuân Quỳnh
Nguyễn Thúy Quỳnh

Hà Nội, tháng 4 năm 2017
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT
*******


TIỂU LUẬN
KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Xử lý nước thải bằng phương pháp trao đổi ion
Giáo viên giảng dạy :

Vũ Đình Thảo

Nhóm

:

6

Sinh viên thực hiện

:

Nguyễn Anh Sơn
Cao Hồng Quân
Phạm Thanh Phương

Lê Xuân Quỳnh
Nguyễn Thúy Quỳnh

Hà Nội, tháng 4 năm 2017


Mục lục
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION................1
1.1. Định nghĩa.................................................................................................1
1.2. Cơ sở của phương pháp trao đổi ion.........................................................2
1.3. Vật liệu trao đổi ion...................................................................................2
1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên..................................................................4
1.3.1.1.Sản phẩm hữu cơ tự nhiên................................................................4
1.3.1.2 Sản phẩm vô cơ tự nhiên..................................................................5
1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi Ion.............................................................5
1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo..................................................................5
1.3.3.1. Ion trao đổi hữu cơ nhân tạo...........................................................5
1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo:..............................................10
1.4. Nhựa trao đổi ion...................................................................................16
1.4.1. Về cấu tạo:........................................................................................17
1.4.2. Tính chất vật lý:...............................................................................18
1.4.3. Tính chất hoá học:............................................................................20
1.4.5 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion :........................................23
1.5. Ưu và nhược điểm của phương pháp trao đổi ion...................................24
CHƯƠNG 2. CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION...........................................................25
2.1 .Thứ tự trao đổi một số cation thông thường:..........................................25
2.2. Cơ chế:....................................................................................................25
2.3. Cân bằng trao đổi ion..............................................................................30

CHƯƠNG 3. TÁI SINH....................................................................................32
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG................................................................................36
4.1 Làm mềm nước cứng:..............................................................................36
4.2 Khử khoáng..............................................................................................41
4.3 Ứng dụng khác:........................................................................................46
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN.................................................................................49


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI
ION
1.1. Định nghĩa
Trao đổi ion là một phản ứng hóa học thuận nghịch trong đó
có ion (một nguyên tử hay phân tử đã bị mất hoặc được một
electron và do đó có được một điện tích) từ dung dịch được trao
đổi cho một ion tích điện tương tự như gắn liền với một hạt rắn bất
động. Những hạt trao đổi ion vững chắc hoặc là tự nhiên zeolit vô
cơ hoặc hữu cơ được sản xuất ra nhựa tổng hợp. Các loại nhựa
tổng hợp hữu cơ là loại chủ yếu được sử dụng ngày hôm nay vì
đặc tính của chúng có thể được thiết kế cho các ứng dụng cụ
thểtrong đó không có sự thay đổi vĩnh viễn trong cấu trúc của chất
rắn.Việc trao đổi phải có một cấu trúc mạng mở, hoặc hữu cơ hoặc
vô cơ, có thể mang theo các ion và cho phép các ion đi qua nó.
Trao đổi ion được sử dụng trong điều trị và cũng cung cấp
một phương pháp tách trong nhiều quá trình. Nó có ích đặc biệt
trong tổng hợp hóa học, nghiên cứu y học, chế biến thực phẩm,
khai khoáng, nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.
Trao đổi ion là một chất không tan trong nước có thể trao đổi
một số ion của nó đối với các ion tích điện tương tự chứa trong
một môi trường mà nó tiếp xúc; định nghĩa này là tất cả các bao
quát. Đề cập đến một "chất" hơn là một hợp chất bao gồm nhiều

trao đổi, một số trong số đó là sản phẩm tự nhiên mà không có
một thành phần được xác định rõ. Thuật ngữ "trung bình" thừa
nhận rằng trao đổi ion có thể xảy ra ở cả hai dung dịch dung dịch
nước và nonaqueous, trong muối nóng chảy, hoặc thậm chí tiếp
xúc với hơi. Định nghĩa này không giới hạn các chất rắn, vì một số
1


dung môi hữu cơ là không thể trộn lộn với nước có thể tách các ion
từ dung dịch nước bằng một cơ chế trao đổi ion .
Định nghĩa cũng chỉ ra một cái gì đó về quá trình trao đổi
ion. Về cơ bản nó bao gồm sự tiếp xúc giữa các trao đổi và môi
trường, trong đó việc trao đổi diễn ra. Đây thường là một trao đổi
ion rắn và một dung dịch nước. Thực tế là các ion được trao đổi có
nghĩa là trao đổi phải được ion hóa, nhưng chỉ một trong số các
ion trong trao đổi là hòa tan. Đó ion có thể trao đổi, trong khi
người kia, là không hòa tan, có thể không làm như vậy.
Các tiện ích của trao đổi ion thuộc về khả năng sử dụng và
tái sử dụng các vật liệu trao đổi ion. Ví dụ, trong làm mềm nước:
2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2Na+
Trao đổi ion R ở dạng ion natri có thể trao đổi canxi và do
đó, để loại bỏ canxi từ nước cứng và thay thế nó bằng một số
lượng tương đương với natri. Sau đó, nhựa canxi có thể được điều
chỉnh bằng dung dịch natri clorua, phục hồi nó trở lại mẫu natri,
do đó, nó đã sẵn sàng cho một chu kỳ. Các phản ứng tái sinh có
thể đảo ngược; trao đổi ion là không thay đổi vĩnh viễn. Hàng triệu
lít nước có thể được làm mềm trong một mét khối nhựa trong suốt
một thời gian hoạt động trong nhiều năm.
1.2. Cơ sở của 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). Sự
ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng
2


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 ;
- 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.
1.3. Vật liệu trao đổi ion
Vật liệu trao đổi ion là những chất không hòa tan có chứa
các ion mà có thể được trao đổi với các ion khác trong dung dịch
khi tiếp xúc với nó. Những trao đổi này diễn ra mà không có bất kỳ
thay đổi vật lý của vật liệu trao đổi ion. Trao đổi ion giữa dung dịch
acid hoặc base tạo muối không hòa tan, và điều này cho phép
chúng trao đổi. Ngoài ra còn có các ion mang điện tích dương
(trao đổi cation) hoặc những ion mang điện tích âm (trao đổi
anion) trao đổi với các ion cùng dấu trong môi trường lỏng.

3


Hình 1: a và b là ví dụ đặc trưng cho trao đổi ion.

Các phản ứng trên được xem xét
*Phân loại vật liệu trao đổi ion:

Gồm có 3 loại chính :
- Vật liệu trao đổi ion tự nhiên: vật liệu trao đổi ion hữu cơ tự
nhiên, vật liệu trao đổi ion vô cơ tự nhiên.
4


- Vật liệu trao đổi ion biến đổi tự nhiên
- Vật liệu trao đổi ion nhân tạo: vật liệu trao đổi ion hữu cơ
nhân tạo, vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo.
1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên
1.3.1.1.Sản phẩm hữu cơ tự nhiên
Một số vật liệu hữu cơ tự nhiên có tính chất trao đổi ion hoặc
có thể được trao cho nó bằng cách xử lý hóa học đơn giản. Tế bào
thực vật và động vật hoạt động như trao đổi ion nhờ sự hiện diện
của nhóm carboxyl protein lưỡng tính. Những nhóm carboxyl, (CO2H), và các nhóm phenolic, (-OH), là yếu tính axit và sẽ trao đổi
các ion hydro của nó cho các cation khác trong điều kiện trung
tính hoặc kiềm. Các humins và axit humic được tìm thấy trong tự
nhiên đất "mùn" là những ví dụ của trao đổi lớp này; các sản
phẩm thực vật một phần bị hư hỏng và bị oxy hóa chứa các nhóm
axit. Một số sản phẩm hữu cơ được bán trên thị trường là dựa trên
xử lý cellulose, hoặc ở dạng sợi để sử dụng trong cột trao đổi ion
hoặc giấy lọc cho sự phân ly trao đổi ion trên giấy. Nhiều trao đổi
ion đã được làm từ vật liệu tự nhiên khác như gỗ, sợi, than bùn và
than bằng quá trình oxy hóa với axit nitric hoặc tốt hơn nữa, với
axít sulfuric đậm đặc khi nhóm axit mạnh sulphonic acid, (-SO 3H)
được đưa vào vật liệu. Quá trình thứ hai đặc biệt thành công hơn
với than sulfonat hóa. Đây có thể trao đổi trong dung dịch axit, bởi

vì nhóm trao đổi chính nó bị ion hóa dưới những điều kiện này,
trong khi các nhóm carboxylic và phenolic yếu là không. Tất cả
các tài liệu này có nhược điểm nhất định; Tuy nhiên, có xu hướng
màu sắc thì đã có các giải pháp đó được xử lý, và thuộc tính của

5


nó khó khăn để tái tạo vì khó khăn trong việc kiểm soát xử lý mà
nó được đưa ra.
1.3.1.2 Sản phẩm vô cơ tự nhiên
Nhiều hợp chất khoáng thiên nhiên, chẳng hạn như đất sét
(ví dụ: bentonite, kaolinite, và illit), cát và zeolit (ví dụ: analcite,
chabazite, sodalite, và clinoptilolite) thuộc tính trao đổi ion triển
lãm. Zeolit tự nhiên là những vật liệu đầu tiên được sử dụng trong
quá trình trao đổi ion. Vật liệu đất sét thường được sử dụng làm
vật liệu lấp hoặc đệm vật liệu cho các nơi xử lý chất thải phóng xạ
vì tính chất trao đổi ion của nó, độ thẩm thấu thấp, và dễ tính khả
thi. Đất sét cũng có thể được sử dụng trong hàng loạt quá trình
trao đổi ion nhưng thường không phù hợp với hoạt động cột vì các
tính chất vật lý của nó hạn chế dòng chảy thông qua cột.
1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi Ion
Để cải thiện khả năng trao đổi và chọn lọc, một số trao đổi
ion hữu cơ tự nhiên được thay đổi; ví dụ, cellulose dựa trên trao
đổi cation có thể thay đổi thành phosphate, carbonic, hoặc các
nhóm chức năng có tính axit khác.
Các thông số hấp thụ của vật liệu tự nhiên có thể được sửa
đổi bởi một chất hóa học hoặc xử lý nhiệt; ví dụ, bằng cách xử lý
clinoptilolite với một dung dịch loãng của axit hoặc một số muối,
một hình thức có chọn lọc các chất hấp thụ có thể được phát triển

thành một hạt nhân phóng xạ đặc biệt.
Tại Nhật Bản khoáng chất tự nhiên được xử lý bằng dung
dịch kiềm trong điều kiện thủy nhiệt đã được đưa ra cho hấp thụ
của cesium và strontium từ dung dịch. Những phương pháp điều
trị đã cung cấp tài liệu với hệ số phân phối 1000 đến 10000. Kết
6


quả tốt hơn đã được báo cáo từ việc loại bỏ các cesium và
strontium thay đổi bằng đất sét neoline với acid phosphoric
1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo
1.3.3.1. Ion trao đổi hữu cơ nhân tạo
Năm 1935, hai nhà hóa học Adams và Holmes tại Phòng thí
nghiệm hóa học quốc gia ở Teddington, chứng minh rằng nhiều
loại nhựa trao đổi ion hữu cơ có thể được tổng hợp trong một cách
tương tự như loại nhựa cũng được xác định "Bakelite", được chuẩn
bị bởi Baekeland vào năm 1909. "Bakelite" là một khó khăn, không
hòa tan nhựa polymer ngưng tụ và có thể được dễ dàng thực hiện
bằng cách nung nóng cùng phenol và formaldehyde, trong sự hiện
diện của axit hoặc base với việc loại bỏ nước. Về cơ bản các phản
ứng xảy ra trong hai giai đoạn

Hình 5: Cơ chế hình thành của Bakelite
Việc lặp lại các phản ứng thấm nước sẽ tạo ra một cấu trúc
ba chiều có chứa -OH phenol axit yếu hoặc OR nhóm (hình 6).

7


Hình 6: polymer Cross-liên kết của phenol và formaldehyde.

Adams và Holmes đã chỉ ra rằng những trao đổi ion hydro
trong dung dịch kiềm; họ cũng chuẩn bị trao đổi cation làm việc
trong dung dịch axit bằng cách đưa các nhóm axit sulphonic axit
mạnh, -SO3H, vào cấu trúc. Điều này đã được thực hiện bằng cách
sulphonation sản phẩm cuối cùng hoặc bằng cách sử dụng như
nguyên liệu đầu không phải là một phenol mà là một axit
phenolsulphonic, trong đó nhóm axit sulphonic đã hiện diện.
Bằng một sự sửa đổi phù hợp tổng hợp của họ, họ cũng đã
có thể giới thiệu các nhóm cơ bản xuất phát từ amin và để chuẩn
bị trao đổi anion tổng hợp. Lần đầu tiên người ta có thể tạo vật
liệu có thề kiểm soát cả hai nhựa trao đổi cation và anion , hành vi
và sự ổn định trong số đó là đáng kể trước các vật liệu khác.
Cho đến khi sự phát triển của kỹ thuật hiện đại của hóa học
polymer cao, nhựa ngưng tụ đã được sử dụng thành công. Năm
1944 D'Alelio, tại Hoa Kỳ, sản xuất vật liệu cao cấp. Nhựa D'Alelio,
cũng như hầu hết các con cháu của họ, dựa trên một mạng lưới ba
chiều thường xuyên hình thành bởi trùng hợp benzen styrene phái
sinh (xem hình 7).

8


Hình 7: Styrene
Các liên kết đôi trong chuỗi bên có thể được mở và các đơn
vị liên kết styrene từ đầu đến cuối để cung cấp cho các chuỗi
polymer (Hình 8).

Hình 8: Polystyrene
Ở đây, các đơn vị lặp đi lặp lại dựa trên các phân tử styrene
xảy ra hàng triệu lần. Styrene cũng có thể được coi là một dẫn

xuất của ethylene, trong đó một nguyên tử hydro đã được thay
thế bởi một nhóm phenyl, -C6H6. Cũng như ethylene có thể được
polymer hóa để thành polyethylene (polythene), styrene sẵn sàng
polymer hoá để thành polystyrene. Các chuỗi có thể được liên kết
với nhau thành những cấu trúc hai và ba chiều nếu styrene được
trộn với một tỷ lệ nhỏ divinyl benzen (hình 9) mà giống như
styrene trong thuộc tính của nó có hai chuỗi bên không bão hòa
thông qua đó nó có thể polymer hóa.

9


Hình 9: Divinyl benzene
Các polymer hình thành từ một hỗn hợp của styrene và
divinyl benzen bao gồm chuỗi như đã đề cập trước đây, liên quan
đến một chuỗi mọi lúc mọi nơi các đơn vị là một phân tử divinyl
benzen thay vì styrene (Hình 10).

Hình 10: polymer của divinyl benzen
Ở các khu vực được bao bọc bởi các đường dây bị hỏng
chuỗi liên kết với nhau, và nếu chúng ta tưởng tượng xảy ra trong
ba chiều nó rất dễ dàng để thấy rằng polymer kết quả sẽ tạo
thành một mạng lưới khá thường xuyên (Hình 10). Các liên kết
giữa các chuỗi được gọi là "liên kết chéo", và nhựa thông thường
được đặc trưng bởi tỷ lệ divinylbenzene (DVB) được sử dụng trong
chuẩn bị của nó; do đó, 2 phần trăm nhựa liên kết ngang chứa 2
phần trăm của DVB và 98 phần trăm của styrene.
10

D'Alelio chuẩn bị nhựa như vậy bằng cách trùng hợp nhũ
tương, sử dụng chất nhũ hoá phù hợp, từ đó lắng như hạt nhựa
hình cầu. Các polymer tự nó không làm việc như trao đổi ion, mà
nó có thể được sunfonat hoá chỉ như thể các loại nhựa ngưng tụ,
giới thiệu các nhóm axit mạnh, như –SO3H, vào vòng benzen của
polymer. Các ion hydro của nhóm này sẽ trao đổi với các cation
khác trong dung dịch.
Luôn nhớ rằng một vòng benzen được lặp đi lặp lại nhiều lần
trong suốt polymer, những bước cơ bản trong giới thiệu của các
nhóm trao đổi (hoặc nhóm "chức năng" như họ thường được gọi
là) được thể hiện trong trao đổi hình cation (a) và trao đổi anion (b
) (Hình 11).

Hình 11: (a) trao đổi cation; (b) trao đổi anion
Thứ hai của những phản ứng này cho một muối amoni bậc
bốn, được ion hóa mạnh mẽ, và được dễ dàng chuyển đổi để các
cơ sở tương ứng. Các anion sẵn sàng trao đổi với các anion khác ở
tất cả các giá trị pH. Các cation là một phần của một chuỗi

11


polymer hòa tan hoặc mạng lưới, do đó trao đổi nói chung không
hòa tan trong nước.
Các trao đổi ion tổng hợp như nhựa polystyrene nêu trên,
tạo thành nền tảng của hầu hết các loại nhựa hiện nay với mục
đích thương mại, có nhiều lợi thế hơn trao đổi hữu cơ tự nhiên
trước đó:
- Phương pháp tổng hợp được hơn kiểm soát, và sản phẩm
cuối cùng là thống nhất hơn trong kích thước hạt, mức độ liên kết

ngang, và nội dung của các nhóm chức năng;
- Bằng cách biến đổi các yếu tố thích hợp một loạt nhiều loại
sản phẩm khác nhau có thể được chuẩn bị;
- Các sản phẩm có hình cầu, không giống như các hạt không
đều hình thành khi khối rắn nhựa ngưng tụ được nghiền và sàng
lọc. Điều này giảm thiểu chất thải; Ngoài ra, hạt hình cầu đóng gói
thống nhất hơn vào cột hơn so với các hạt hình dạng bất thường.
Điều này ảnh hưởng đến các kiểu dòng chảy của các các giải pháp
thông qua các cột và làm cho nó dễ dàng hơn để kiểm soát hành
vi của mình;
- Sự ổn định vật lý và hóa học của các loại nhựa được cấp
trên như của loại nhựa ngưng tụ.
1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo:
Một vài ứng dụng quan trọng của những trao đổi ion vô cơ
là:
- Ly thân các ion kim loại
- Ly các hợp chất hữu
- Loại bỏ các chất thải và ô nhiễm không khí
- Chuẩn bị các điện cực chọn lọc ion
12


- Chuẩn bị thận nhân tạo máy
- Chuẩn bị các tế bào nhiên liệu
Tầm quan trọng của phân tích trao đổi ion vô cơ tổng hợp
hiện nay được thiết lặp chặt chẽ. Việc xem xét các trao đổi ion
trong hóa phân tích cho năm 1970 bao gồm báo cáo kết quả quan
trọng; những tiến bộ rõ ràng trong hai năm qua là trong lĩnh vực
trao đổi ion vô cơ. Thậm chí ngày nay tuyên bố này là gần đúng
như vậy.

Trao đổi ion tổng hợp có thể được phân loại trong các loại
sau:
- zeolit nhân tạo
- muối axit Polybasic
- oxit ngậm nước
- Kim loại ferrocynides
- Vật liệu trao đổi ion hòa tan
- Hetropolyacids
* Zeolit nhân tạo
Zeolit là các vật liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng cho việc
loại bỏ các chất nước thải với quy mô lớn. Zeolit là tinh thể alumin
silicat vật liệu và có thể được chuẩn bị như vi tinh thể dạng bột,
viên hoặc các hạt. Ưu điểm chính của zeolit tổng hợp khi so sánh
với zeolit tự nhiên được điều đó, nó có thể được thiết kế rộng Mu .
Naushad: Ion Exchange Letters 2 (2009) ngày 01 ngày 14 tháng 3
nhiều tính chất hóa học và kích thước lỗ rỗng, và nó được ổn định
ở nhiệt độ cao nhưng có một số hạn chế.
Những hạn chế chính của zeolit nhân tạo là:
- Chi phí tương đối cao so với zeolit tự nhiên
13


- Ổn định hóa học giới hạn ở phạm vi pH cực đoan (cao hoặc
thấp)
- Ion đặc trưng là dễ bị can thiệp từ các ion kích thước tương
tự
Công suất xử lý thực tế thu được với các zeolit là thấp hơn
so với công suất tối đa của nó kể từ khi cột được thay đổi trong
giai đoạn đầu của mang tính đột phá và bởi vì các dòng thải
thường chứa các ion khác sẽ chiếm một số vị trí trao đổi và do đó

làm giảm khả năng xử lý. Trao đổi ion dựa trên silica tổng hợp
được sản xuất cho mục đích kỹ thuật bằng cách nung chảy soda,
kali cacbonat, fenspat và kaolinit (Schmaltz permutite) và sau đó
dùng dung dịch sunfat nhôm có chứa natri silicat kết tủa với dung
dịch natri hydroxit (Gel permutite). Kể từ đó, zeolit tinh thể nhân
tạo cũng đã được tổng hợp thành công.
Các đặc tính có lợi của bộ trao đổi ion tinh thể silicat dựa
trên trao đổi ion nhựa tổng hợp hiện đại như sau:
- Ít nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn
- Cấu trúc Cứng và đồng đều
- Có chọn lọc hơn và phù hợp để tách các ion trên cơ sở của
họ kích cỡ khác nhau
Một số trong số đó bây giờ cũng được sử dụng như sàng
phân tử hoặc ion. Tại Ấn Độ, một cuộc điều tra có hệ thống đã
được thực hiện để đánh giá hiệu suất của zeolit tổng hợp có sẵn
tại địa phương cho việc loại bỏ các cesium, strontium và thorium
từ giải pháp. Các zeolit sau khi trao đổi với cesium, strontium hoặc
thorium,đã được xử lý nhiệt để sửa chữa các ion thành công trong
cùng một ma trận.
14


* Muối axit polybasic
Muối axit của kim loại đa hóa trị được hình thành bằng cách
trộn oxit axit kim loại thuộc IV, V và VI nhóm của bảng tuần hoàn.
Muối axit của kim loại hóa trị bốn được nhóm của lớp này nghiên
cứu nhiều nhất. họ là cực kỳ không hòa tan. Thành phần của
chúng là không stochiometric và phụ thuộc vào các điều kiện theo
đó họ được kết tủa. Các tài liệu đã được tổng hợp cho đến nay bao
gồm phốt phát, asenat, molybdat, tungstat, antimonates, silicat,

vanadate, và tellurates của zirconium, titan, thori, thiếc, xeri,
crom, sắt, niobi, tantali, vv..
* Oxit ngậm nước
Các oxit ngậm nước của một số ion kim loại cũng đã được
các vật liệu được thiết lập cho mục đích trao đổi ion. Oxit kim loại
hóa trị ba kết tủa rất hiệu quả trong lĩnh vực này, ví dụ như oxit
sắt ngậm nước và sắt hydroxit dễ dàng hấp thụ các cation kiềm
thổ theo luật tác dụng khối lượng, các cation hóa trị hai khác được
hấp thụ trên pH 7. Trong quá trình này, các kim loại kiềm và đất
kiềm được hấp phụ trên bề mặt và được dễ dàng tách rửa trong
khi các cation tích điện cao hơn Ce (III), Y (III), Pm (III), Ru (IV) số
lượng lớn và chỉ tách rửa với khi khó khăn . Các trao đổi ion của
lớp này cho thấy một hành vi lưỡng tính phụ thuộc vào pH của
dung dịch. Quá trình này có thể được mô tả bởi các điểm cân bằng
sau đây.
Oxit kẽm cũng cho thấy tính chất trao đổi lưỡng tính. Oxit
pha trộn có thể sẵn sàng trong đó cation thứ hai cao hơn so với
các cation mẹ được đưa vào cấu trúc. Kết quả là lưới điện tích
dương được cân bằng hiện diện của các anion khác hơn là oxit và
15


hydroxit. Ví dụ như vật liệu bao gồm Zn(OH)2 trong đó Zn 2+ là một
phần thay thế bằng Al3+ và Al(OH)3 có chứa Si4+, Ti+ hoặc Zr2+.
Các công thức chung Znn-a AL(OH)2Xn và ALn-1 Mn(OH)3 Xn-1, nơi M4+
là một oxit tetravalent và X là một anion đơn trị. Oxit kim loại hóa
trị bốn cũng thường được sử dụng như trao đổi ion vô cơ như SnO 2,
SiO2, ThO2 và ZrO2. Trên thực tế các tài liệu này không có công
thức oxit đơn giản như nêu trên trừ khi chúng được đốt cháy ở
nhiệt độ cao. Chúng được phát hiện có chứa lượng nước khác

nhau, mà không phải là có mặt như là nước hydrat hóa từ về sưởi
ấm, nó bị mất liên tục trên một phạm vi nhiệt độ. Do đó các ôxit
này thường được mô tả như oxit ngậm nước.
* Kiêm loại Ferrocyanides
Ferrocyanides kim loại không hòa tan cũng có thể được sử
dụng như trao đổi ion vô cơ. Họ cũng được biết đến như người
nhặt rác cho kim loại kiềm. Nó có thể dễ dàng sẵn sàng và hữu ích
trong việc tách các chất thải phóng xạ và các vật liệu phân rã hạt
nhân với ít thiệt hại cho bức xạ hơn các bộ phận hữu cơ của họ
truy cập. Baetsley et al. Nghiên cứu molybdate ferrocyanide và
xác định cấu trúc của nó bởi các nghiên cứu X-ray. Nó cũng sử
dụng molypden và vonfram ferrocyanides cho việc tách Cs-137 và
Sr-90 từ các sản phẩm phân hạch trong môi trường axit. Amine
kim loại dựa ferrocyanides cũng đã nhận được sự chú ý. Họ lần đầu
tiên được giới thiệu bởi Hahn và Clein, người chuẩn bị một
ferrocyanide coban amin. ferrichydroxit cũng đã nhanh chóng phát
triển các ứng dụng trong việc tách các ion kim loại và nó đã được
sử dụng như một vật liệu hấp phụ để loại bỏ asen từ nước tự
nhiên.
16


* Vật liệu không hòa tan ion trao đổi
Vật liệu trao đổi ion không hòa tan khác nhau. Một số lượng
lớn các hợp chất như vậy đã được xây dựng. Những vật liệu này đã
được xây dựng bằng cách kết tủa từ dung dịch muối kim loại với
Na2S hoặc H2S. Các tính chất trao đổi ion của sulfua không hòa
tan (ví dụ Ag2S, SNS, cus, PBS, FeS, NiS, As2S3, Sb2S3) đã được
nghiên cứu. Sulfua được chọn lọc đối với các cation tạo thành
sulfua không hòa tan. Các phản ứng trao đổi xảy ra thông qua

phản ứng metathetical trong đó kim loại của sunfua được thay thế
bởi ion thích hợp từ dung dịch. Hấp thụ lượng của TI +, Ni2+,
Co2+, Mn2+, Cu2+ và Pb2 đã được ghi nhận về ZnS, CdS và PBS,
Uranium trên PBS, tách Cu2+ từ Zn2+ và Cd2+ về SnS và kim loại
quý về CuS.
* Acid Teropoy
Muối heteropolyaxit có thể được sử dụng như trao đổi ion vô
cơ. Nhóm này rao đổi có nguồn gốc từ 12 heteropolyacids của
HnXY12O40.nH2O công thức chung trong đó X có thể P, As, Si, B
hoặc Ce và Y có thể là một cá yếu tố như Mo, W hoặc V. Các hợp
chất heteropoly đặc biệt là các hợp chất 12-molybdo là tác nhân
oxy hóa khá mạnh. Các trao đổi của loại này là ổn định trong axit
vừa phải tập trung. Tuy nhiên, họ hòa tan trong dung dịch kiềm.
Các heteropolyacids thể hiện ái lực cao với kim loại nặng kiềm,
thori và bạc. Kích thước của các ion univalent của những yếu tố
này là phù hợp để duy trì với nó trong mạng tinh thể của
heteropolyacids. Ngoài các muối heteropolyaxit, nhiều chất khác
như muối hỗn hợp cũng đã được tổng hợp và nghiên cứu chi tiết
cho các thuộc tính trao đổi ion. Nó đã được tìm thấy rằng muối
17


kép hoặc muối hỗn hợp của các ion kim loại có tính chất trao đổi
ion khác với muối đơn giản. Thông thường, thấy ưu thế hơn muối
đơn giản chủ yếu ở ba khía cạnh: nhiệt tốt hơn và ổn định về mặt
hóa học, thứ hai được chọn lọc trong tự nhiên và khả năng trao
đổi ion là cao hơn so với muối đơn giản của nó. Đó là với quan
điểm này, sự chú ý đã được đưa ra để tổng hợp và nghiên cứu các
tính chất trao đổi ion của các lớp trao đổi ion. Để mô tả một chất
mới như là một trao đổi ion vô cơ, tiện ích của nó trong các lĩnh

vực khác nhau và giới hạn của nó, các thuộc tính sau đây có thể
được nghiên cứu theo thứ tự nhất định ưu tiên.
- Khả năng trao đổi Ion
- Hóa chất và ổn định nhiệt
- Thành phần
- Chuẩn độ pH
- Các nghiên cứu cấu
- Chọn lọc
- Ứng dụng phân tích
Bên cạnh các ứng dụng, ion vô cơ trao đổi có một số hạn
chế:
- Khả năng trao đổi tương đối thấp
- Độ bền cơ học tương đối thấp
- Kích thước lỗ rỗng không thể kiểm soát được
- Clay khoáng sản có xu hướng peptize (nghĩa là chuyển đổi
mẫu keo)
- Zeolit rất khó để kích thước cơ học
- Phân hủy một phần trong axit hoặc kiềm
- Hạn chế hóa chất ổn định trong nhiều các giải pháp
18


- Cần một chất hóa học hoặc xử lý sơ bộ trước (đặc biệt là
những có hàm lượng muối rất thấp)
1.4. 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. Khả
năng này cũng được nhìn thấy trong các hệ thống tự nhiên khác
nhau như đất và các tế bào sống nhau. Là một loại polymer có khả
năng trao đổi những ion cụ thể của nó với các ion khác hiện diện

trong dung dịch chảy qua cột phản ứng. 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 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.

19


Hình 12: Hạt nhựa ion
1.4.1. Về cấu tạo:
Hạt nhựa này có 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. Các ion khuếch tán trong nhựa
dạng xốp lớn trước hết trong khoảng không gian giữa các hạt cầu
nhỏ và vì vậy trở lực tổng thể của chúng nhỏ hơn nhiều so với
khuếch tán trong dạng gel.
Mật độ nhóm chức trong một đơn vị thể tích của loại mô
quan lớn thấp hơn so với dạng gel và vì vậy lượng hóa chất dùng
tái sinh cũng lớn hơn.
Một cấu trúc khác thông dụng của vật liệu trao đổi ion là
màng trao đổi ion. Với các chất kết dính thích hợp người ta chế tạo
20


ra các cấu hình khác nhau: dạng phẳng, dạng cuốn. Chúng được
ứng dụng trong việc tách các ion, tách các phân tử trung hòa, ứng
dụng trong kĩ thuật điện thẩm tách làm nước ngọt.
Mạng polyme có tính kị nước, ngược lại các nhóm chức trong

mạng lại có tính ưa nước. Nhựa trao đổi ion không tan nhờ cấu
trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan hầu hết trong các
dung môi. Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và trương nở khi ngậm
dung môi, nó có độ xốp khá lớn. Lỗ của nó có kích thước không
đều như zeolit. Tuy vậy người ta vẫn coi nó có cấu trúc đồng nhất
theo thể tích xốp. Độ bền hóa học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa
phụ thuộc vào cấu trúc và mức độ liên kết ngang của mạng cũng
như vào bản chất và mật độ của các nhóm chức. Mức độ liên kết
ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độ trương nở
và khả năng trao đổi ion và độ dẫn điện của nhựa. Nhựa có liên
kết ngang cao độ bền cơ học, cứng và ít bị mài mòn.
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 .

21