Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm

1

Ion Exchange (Trao đổi Ion)
1. Tại sao phải xử lý nước trong sản xuất

There are three general reasons to treat water for its impurities (Slater, 1991):
1.To minimize corrosion, which is enhanced by impurities
2.To minimize radiation levels in the reactor facility
3.To minimize fouling of heat transfer surfaces
Cation
Ca++
Mg++
Na+
K+
Al+++
Fe++
Cu++

Các tạp chất ion trong nước
Anion
NO3OHSO4ClHCO3HSiO3HCrO3-

Các tạp chất này cần phải loại ra khỏi nước chế biến để giảm sự mài mòn, giảm bức xạ trong thiết bị
phản ứng, giảm sự đóng cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt, kiểm soát độ pH và độ tinh khiết của nước
trong các thiết bị hạt nhân, kiểm sốt nồng độ một ion nào đó trong dung dịch (làm nước khống có
nồng độ kiềm thích hợp), tinh sạch các chế phẩm ví dụ như đường dextrose tinh khiết.
2. Nguyên lý
Ion Exchange resins are insoluble granular substances
which have in their molecular structure acidic or basic
radicals (gốc tự do) that can be exchanged. The positive
or negative ions fixed on these radicals are replaced by

ions of the same sign in solution in the liquid in contact
with them.
(Nhựa trao đổi ion là các chất polymer dạng hạt không
tan (with an average diameter of about 0.005
millimeters or 5µm) mà cấu trúc phân tử có các gốc tự
do acid hay kiềm có thể trao đổi. Các ion dương hay âm
cố định trên các gốc tự do này sẽ được thay thế bằng
các ion cùng dấu trong dung dịch tiếp xúc với nó.)

(VD: Polystyrene-divinylbenzene resins which has ionic sites consisting of immobile anionic
(SO3¯) radicals and mobile hydrogen cations (H+).
The resin itself is a uniform mixture of cation and anion resins in a specific volume ratio
depending on their specific gravities. The ratio is normally 2 parts cation resin to 3 parts anion
resin. (nhựa resin là một hỗn hợp các thành phần nhựa điện tích dương và âm, thường 2 dương
và 3 âm). Qui trình tổng hợp Polystyrene-divinylbenzene resin cho trên bảng sau:

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM


2

1) Tổng hợp styrene thành Polystyrene
2) Phản ứng cross-link với divinylbenzene

Sau cross-link, tạo thành styrene-DVB polymer
3) Sulphonating styrene-DVB tạo ra cation
resin (phản ứng styrene-DVB với H2SO4)
4) Xử lý styrene-DVB với C3H5ClO và
C3H9N tạo ra anion resin

3) Sau sulphonating tạo
thành cation resin có gốc là
SO3- và ion trao đổi là H+

4)
Sau
xử
lý
với
chloroacetone
và
trimethylamine tạo thành
anion resin có gốc là N(CH3)+
và ion trao đổi là Cl-

An ion exchange is the reversible exchange of ions between a liquid and a solid.
This
process is generally used to remove undesirable ions from a liquid and substitute acceptable ions
from the solid (resin).
The devices in which ion exchange occurs are commonly
called demineralizers. This name is derived from the term demineralize, which means the process where
by impurities present in the incoming fluid (water) are removed by exchanging impure ions with H+ and
OH- ions, resulting in the formation of pure water. H+ and OH- are present on the sites of resin beads
contained in the demineralizer tank or column.

Hình mơ tả q trình bắt giữ và giải phóng các
ion trong cột trao đổi ion. Các ion Mg, Ca và Na
sẽ bị bắt giữ qua trao đổi ion với resin (vòng tròn Na+ sẽ trao đổi với H+ của resin, và Cl- sẽ trao
vàng lớn) để giải phóng các ion H+ (chấm vàng đổi với OH- của resin. Kết quả là NaCl bị bắt giữ
nhỏ) vào nước.

lại trong resin và giải phóng H2O vào dung dịch

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM


3
Now days, the ion exchange substances are used almost exclusively under the name
of resins. There are two categories of resins: the resins of the gel type and those of
the macroporous or loosely cross-linked type. Their basic structure is identical: the macromolecular
structure is obtained in both cases by co-polymerization. The difference between them lies in their
porosity.
Gel type resins have a natural porosity
limited to intermolecular distances. It is
a microporous type structure

Macroporous type resins have an additional
artificial porosity which is obtained by adding a
substance designed for this purpose.

The exchanger is known as monofunctional if there is only one variety of radicals and it is
called polyfunctional if the molecule contains various type of radicals.

3. Ứng dụng các quá trình trao đổi ion





Sea water desalination
Surface water treatment

Water softening systems
Disinfection (tẩy độc)

 Waste water treatment
 Pesticide treatment
 Iron and manganese
 Remineralisation





Arsenic removal
Heavy metal removal
Nitrates treatment

Hình ví dụ ứng dụng của công nghệ trao đổi ion trong nhà máy thủy phân tinh bột thành dextrose

4.

Các phần tính toán xem trong tài liệu Chemical Engineering

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM


4

Phân riêng bằng Sắc ký
1. Giới thiệu
Sắc kí (chromatography) là kỹ thuật phân riêng có độ chọn lựa cao nhằm tách những thành phần có

tính chất vật lý và hóa học gần nhau. Nhiều hỗn hợp khó tách bằng những phương pháp khác sẽ được
phân riêng bằng sắc ký.
Sắc ký đóng nhiều vai trị trong cơng nghiệp: (1) giúp đo đạc nhanh và chính xác đặc tính nhiệt động
và tính chất hóa lý của vật liệu cần cho q trình thiết bị; (2) giúp phân tích hóa học trong kiểm sốt chất
lượng của q trình sản xuất.
Chương này khơng trình bày về kỹ thuật phân tích mà tập trung vào quá trình thiết bị sắc ký để phân
riêng các thành phần.

In chromatography the components of a mixture are separated as they pass through a column.
The column contains a stationary phase which may be a packed bed of solid particles or a liquid
with which the packing is impregnated. The mixture is carried through the column dissolved in a
gas or liquid stream known as the mobile phase, eluent or carrier. Separation occurs because the
differing distribution coefficients of the components of the mixture between the stationary and
mobile phases result in differing velocities of travel.

(sự phân riêng xảy ra do hệ số phân bố - Distribution Coefficient- của các thành phần trong hỗn hợp giữa
các pha động và pha tĩnh là khác nhau gây nên vận tốc chuyển động khác nhau).
Definition:
Distribution Coefficient = CA in stationary phase/ CA in mobile phase
Different affinity of these 2 components to stationary phase causes the separation.
2. Phân loại
Gồm sắc kí lỏng liquid chromatography (LC) và sắc kí khí gas chromatography (GC)
Ứng dụng của sắc ký trong công nghiệp cho trên hình sau

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM


5

Chromatographic methods are classified according to the nature of the mobile and stationary

phases used. The terms gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC) refer to the
nature of the mobile phase.
(sắc kí khí hay sắc kí lỏng là do pha động)
Trong công nghiệp dùng các nguyên lý sau: the principal modes currently used for large-scale
separations are elution (tách rửa), selective adsorption or desorption (hấp thụ chọn lựa hay khử
chọn lựa), and simulated countercurrent chromatography (sắc kí ngược chiều). In addition,
reaction and separation (phối hợp phản ứng và phân riêng) can be combined in a single column
with unique advantages.
3. Sắc kí lỏng:
Nguyên lý sắc kí lỏng có thể mơ tả trên cột sắc kí sau:

DIAGRAM OF SIMPLE LIQUID COLUMN CHROMATOGRAPHY
Solvent(mobile or
moving phase)
A+B+C
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO

OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO

Sample
(A+B+C)
Column

Solid Particles
(packing materialstationary phase)

OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOO AOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOO BOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO

OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOO COOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO

Eluant (eluate)

Hỗn hợp có 3 thành phần A, B, và C. Khi cho hỗn hợp này trong một dung môi ta được pha động.
Pha tĩnh có thể là hạt rắn hoặc chất lỏng. Ái lực của A, B và C đối với pha tĩnh khác nhau khiến
cho tốc độ di chuyển của chúng khác nhau. Trong hình cho C ra trước, rồi đến B và A. Bàng
cách thay đổi hệ dung mơi, đặc tính chuyển động của các thành phần A, B và C sẽ thay đổi.
PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM


6

Có 4 loại sắc kí lỏng:
1.
Liquid/Solid Chromatography (adsorption chromatography)
A.
Normal Phase LSC

B.
Reverse Phase LSC
2.
Liquid/Liquid Chromatography (partition chromatography)
A.
Normal Phase LLC
B.
Reverse Phase LLC
3.
Ion Exchange Chromatography
4.
Gel Permeation Chromatography (exclusion chromatography)
Liquid

MOBILE PHASE

Liquid-Liquid
Chromatography(Partition)
STATIONARY PHASE
PHASE

Normal Phase

Liquid-Solid
Chromatography(Adsorption)
Solid

Liquid

Reverse Phase

Normal Phase

PH

Sắc kí cột pha bình thường (normal phase): (liquid-solid), pha tĩnh là cột silica or alumina

resins có tính ưa nước (hydrophylic), do vậy, các phân tử ưa nước trong pha động sẽ có ái lực cao
với pha tĩnh nên sẽ bị hấp thụ bởi cột.
Còn các phân tử ưa béo (gốc dầu) ít ái lực với cột nên sẽ đi qua và sẽ được dị tìm hay thu hồi
trước.
Để giải phóng các phân tử ưa nước hấp thụ vào cột cần dùng các dung môi phân cực cao ở trong
pha động để di dời sự phân bố các phân tử đó trong pha tĩnh vào trong pha động.

Sắc kí cột ngược pha (Reverse phase) hay pha nghịch:

Là kỹ thuật dùng các chuỗi alkyl liên kết cộng hóa trị với pha tĩnh để tạo ra pha tĩnh ưa béo
(hydrophobic) có ái lực mạnh với các chất khơng phân cực. Sắc kí cột nghịch pha dùng pha động
phân cực. Do vậy, các phân tử ưa béo trong pha động phân cực bị hấp thụ bởi pha tĩnh, còn các
phân tử ưa nước sẽ đi qua cột và được thu hồi trước.
Để giải phóng các phân tử ưa béo hấp thụ vào cột cần dùng các dung mơi hữu cơ khơng phân cực.
Tính ưa béo càng cao thì phải dùng dung mơi nồng độ cao hơn.
•

Polar Solvents: độ phân cực cao nhất là nước
Water > Methanol > Acetonitrile > Ethanol >

•

Non-polar Solvents: độ phân cực thấp nhất trong dãy là cyclohexane

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM

Oxydipropionitrile


7

.

N-Decane > N-Hexane > N-Pentane > Cyclohexane

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM


8

4. Chọn lựa kiểu hoạt động

Sample Type

LC Mode

Positional isomers
Moderate Polarity Molecules
Compounds with Similar Functionality
Ionizable Species
Compounds with Differing Solubility
Mixture of Varying Sized Molecules

LSC or LLC
LSC or LLC
LSC or LLC
IEC
LLC
GCC

5. Các thông số động học
Thời gian lưu
Response
D

B

A

C

5

10

15

Retention Time

Hệ số phân bố: tỉ số thời gian lưu của hai thành phần (K)



X

2

X

1

-

X
X

0
0

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM

20

25


9

Response
XR2-

XN-1
Xo R

R
e
t
e
n
N

Retention Time

S
a
m
p
l
e
T
y
p
e

S

6. Các phần tính tốn thiết bị sắc kí: xem trong tài liệu Chemical Engineering

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM


10

Phụ lục:

Mơ tả q trình tách các thành phần qua sắc kí cột

Cột sắc kí silica-gel

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM


11
Qui trình cơng nghệ sản xuất biodiesel từ tảo

Ni bình

Sấy: Tảo khơ

Ly tâm
Ni máy QHSH

Nghiền: bột tảo

Dầu tảo sau trích ly

Trích ly soxhlet

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM

Dầu tảo sau cô quay

12

Tinh
chế:
silicagel

cột

Tinh
chế:
bentonite

cột

Dầu sau tinh chế

Transesterification
Glycerol

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Công Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM

Biodiesel


13

PGS. TS. Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM