đồ án tốt nghiệp xử lý nước nhiễm amoni

đồ án tốt nghiệp xử lý nước nhiễm amoni

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

Chương1 4

1.1 NGUỒN GỐC VÀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC NGẦM Ở VIỆT NAM 4

1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI 13

1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến 13

Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12] .14 1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping) 14

1.3.5 Phương pháp trao đổi ion 16

Cs+>Rb+>K+>NH4 +>Ba2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+Mg2+>Li+ 17

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI Ở NƯỚC TA 18

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN 19

Chương 2 20

Khái niệm quá trình trao đổi ion 21

2.1 CHẤT TRAO ĐỔI ION 21

2.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION[13] 22

a) Loại cationit 22

b) Loại anionit 22

2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion 22

2.2.2 Chất trao đổi ion vô cơ tổng hợp 23

2.2.3 Vật liệu trao đổi ion trên than 23

2.2.4 Nhựa trao đổi ion 24

2.3.3.2 Tính chọn lọc 30

2.4 CƠ CHẾ ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION[13] 31

2.5 CỘT TRAO ĐỔI ION 31

2.5.1 Quá trình trao đổi ion trong cột[13] 32

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion trong cột 34

2.5.3 Tính toán thiết kế cột trao đổi ion[13] 35

2.5.4 Tái sinh chất trao đổi ion 37

Chương 3 38

3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 39

3.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 39

3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

a) Phương pháp xác định amoni (phương pháp so màu dùng thuốc thử Nessler) 40

b) Phương pháp xác định độ cứng tổng (phương pháp chuẩn độ với EDTA

trong môi trường kiềm với chỉ thị Eriochrome blackT) 40

3.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 41

3.4.1 Hoá chất và thiết bị 41

3.4.1.1 Hoá chất: 42

3.4.1.2 Thiết bị: 42

3.4.2 Quá trình chuẩn bị nhựa trao đổi ion 42

3.4.3 Quá trình tái sinh cột trao đổi ion trong các thí nghiệm 42

3.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

KẾT LUẬN 72

LỜI MỞ ĐẦU

Khoảng 71% với 361 triệu km2 bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước Nước làdạng vật chất rất cần cho tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất Nước có nhiệt hoá hơi,đóng băng và ngưng kết tương đối gần nhau, vì vậy nước tồn tại trên Trái Đất ở cả badạng: rắn, lỏng và hơi

Người ta đã phát hiện thấy khoảng 80% loại bệnh tật của con người có liên quanđến chất lượng của nguồn nước dùng cho sinh hoạt Vì vậy chất lượng nước có vai tròhết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng

Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử lýhoặc sử dụng trực tiếp Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần

và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt củatừng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ Ngày nay, với

sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm chonguồn nước tự nhiên ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm

Hoạt động nông nghiệp sử dụng gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng.Các loại nước công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm chonước ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni

Amoni không gây độc trực tiếp cho con người nhưng sản phẩm chuyển hoá từamoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc Các hợp chất nitrit và nitrat hình thành doquá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trử và chuyển tải nước đếnngười tiêu dùng Vì vậy việc xử lý amoni trong nước là đối tượng rất đáng quan tâm

Với mục đích áp dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý amoni trong nướcngầm trên vật liệu trao đổi ion là nhựa cationit, đồ án này em tập trung nghiên cứu cácyếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi amoni trên nhựa cationit như: nồng độ amonitrong nước, tốc dộ dòng chảy, độ cứng trong nước Để phục vụ mục tiêu thiết kế cộttrao đổi ion nhằm loại amoni ra khỏi nước ngầm

1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm

1.1.1.1 Sự tồn tại của các hợp chất Nitơ trong nước

Amoni (NH4+)thật ra không quá độc đối với sức khoẻ con người song do quá trìnhkhai thác, xử lý, lưu trữ NH4 chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) Nitrit làchất độc rất có hại cho sức khoẻ con người do nó chuyển hoá thành Nitrosamin, là mộtchất có khả năng gây ung thư

Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ Các dạng

vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước Nitrat là muối Nitơ

vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục Nitrit (NO2-) tồn tại trong điềukiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí Amonihòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ionamoni (NH4+) và ion hydroxit (OH-) Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạngNitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng nitơ

Các prôtêin

(động vật và thực vật)

Quá trình cố định nitơ Quá trình denitrat hoá

Các amino axit

Quá trình oxi hoá các dạng Nitơ vô cơ thành NO3- được gọi là quá trình nitrat hoá(nitrification) Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển khí NO 3- thànhkhí Nitơ (N2) hoặc ôxit Nitơ (N2O) Quá trình cố định Nitơ (nitrogenfixation) là quátrình Nitơ trong không khí được cố định vào hệ sinh học thông qua dạng amoni Quátrình này đòi hỏi một năng lượng đáng kể để chuyển hoá Nitơ không khí thành dạnhAmon Các prôtêin trong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị phân ly thành cácamoni axit rồi tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô cơ trong nước đi vào

hệ sinh vật rồi cuối cùng chuyển hoá về dạng Nitơ vô cơ

Các ion NO3- trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽkích thích sự phát triển của động vật thuỷ sinh Sau khi chết xát của chúng sẽ gây ônhiễm nguồn nước Nitơ và Photpho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nướcngọt Nếu nồng độ NO3- tăng lên nhưng Photpho không tăng, hoặc nồng độ Photphotăng lên nhưng nồng độ Nitơ không tăng thì sẽ không làm cho thực vật phát triển

Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nghiên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amonitrong nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phânbón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao

1.1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam

Có nhiều nghiên nhân dẫn đến trình trạng nhiễm bẩn amoni và các chất hữu cơtrong nước ngầm nhưng một trong những nghiên nhân chính là do việc sử dụng quámức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất, thực vật đã gây ảnh hưởngnghiêm trọng đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và cácchất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm Ngoài ra mức

Hình 1.2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên

độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực Riêng đối với khuvực Hà Nội, nhất là khu vực phía nam, bị nhiễm amoni có thể giải thích theo khía cạnhđịa chất như sau [4]:

i Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng

Kết quả của những hoạt động địa chất đã hình thành lên tầng chứa nước cuội sỏi

Đệ Tứ Đây là nguồn nước chính được khai thác cung cấp nước sinh hoạt cho các hoạtđộng sống của con người Tầng Đệ Tứ bao gồm nhiều loại kiến tạo với các loại trầmtích khác nhau về nguồn gốc Nhưng nhìn chung các tầng này đều có chứa các hạt thanbùn, đất có lẫn các hợp chất hữu cơ Khả năng duy chuyển chất bẩn vào tầng nước cóliên quan chặc chẽ đến thành phần hạt Hạt càng khô tính lưu thông càng lớn, khả nănghấp thụ nhỏ, các chất bẩn duy chuyển dễ dàng, hạt mịn thì ngược lại

ii Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm nằm ở phía trên mặt đất

Do quá trình khai thác nước ngầm ngày càng mở rộng đã kéo theo việc giảiphóng các hợp chất Nitơ được phát hiện ngay từ lớp đất bùn chứa chất hữu cơ bị phânhuỷ, đây có thể là một trong những nghiên nhân làm hàm lượng amoni trong nướcngày càng cao Trong nhiều năm qua cùng với sự phát triển của đời sống xã hội, sựphát triển của công nghệp và nông nghiệp chúng ta đã thải vào môi trường một lượnglớn chất thải, mà trong đó cả nước thải sản xuất và nước thải sinh hoạt đều có hàm

lượng chất hữu cơ gây ô nhiễm sinh học cao

Trình trạng khoan khai thác nước một cánh tuỳ tiện của tư nhân hiện nay rất phổbiến Giếng được khoan có độ sâu từ 25 m đến 30 m là nguồn gốc tạo ra các cửa sổthuỷ văn đưa chất nhiễm bẩn xuống nước ngầm Ngoài ra việc khai thác nước ngầmvới khối lượng lớn mà lượng nước mới không kịp bổ xung và đã tạo ra các phểu hạthấp mực nước, đều này cũng gốp phần làm cho chất bẩn xâm nhập nhanh hơn Để bùđắp lượng nước ngầm bị khai thác, quá trình xâm thực tự nhiên được đẩy mạnh, nướcngầm được bổ xung bằng việc thấm từ nguồn nước mặt xuống Đây chính là nghiênnhân của sự gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm bởi các chất có nguồngốc nhân tạo Do việc phóng thải một lượng lớn các chất thải, nước thải có chứa nhiềuhợp chất Nitơ hoà tan trong nước đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ các chất Nitơ trongnước bề mặt, ví dụ sản phẩm của quá trình Urê hoá, amoni và muối amon từ phân bón,

từ quá trình thối rửa và từ dây chuyền sinh học cũng như từ nước thải sinh hoạt vànước thải công nghiệp…Các chất này theo nước mặt thấm xuyên từ trên xuống hoặcthấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới trình trạng tăng nồng

độ amoni trong nước ngầm

iii Do chiều dày đới thông khí

Khi chiều dày đới thông khí (hay chiều dày đường thấm) càng nhỏ khả năngxâm nhập các chất bẩn vào tầng chứa nước càng nhiều Nhưng riêng đối với hợp chấtnitrat và nitrit thì chiều dày đới thông khí lớn, quá trình nitrat hoá diễn ra thuận lợi, cònchiều dày đới thông khí nhỏ quá trình nitrat hoá yếu hơn

Đối với thực tế trong điều kiện đới thông khí càng dày khi đó hàm lượng oxyxâm nhập từ khí quyển và các nguồn khác trên mặt đất vào đới thông khí sẽ lớn, thúcđẩy các điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí Khi đó quá trìnhnitrat hoá xảy ra và làm tăng hàm lượng NO2- và NO3-

iv Do độ dốc thuỷ lực lớn

Những nơi có cường độ dòng chảy mạnh làm tăng khả năng xâm nhập của cácchất ô nhiễm vào nước ngầm Điều này có thể lý giải một phần tại sao khu vực phíanam Hà Nội lại ô nhiễn amoni cao như vậy Những khu vực nằm dưới độ dốc caothường có hàm lượng ô nhiễm nặng hơn những vùng có độ dốc thấp Điều này phù hợpvới qui luật vận động tự nhiên của vật chất

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam

Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì trình trạng ô nhiễmamoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước Chẳng hạnnhư tại thành phố Hồ Chí Minh: ”Theo chi cục bảo vệ môi trường thành phố Hồ ChíMinh (TP Hồ Chí Minh), kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấylượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi Cụ thể nướcngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9lần so với năm 2005) và có hàm lượng nhôm cao, độ mặn tăng và mức độ ô mhiễmchất hữu cơ cũng tăng nhanh trong những năm gần đây; nồng độ sắt trong nước ngầmcủa một số khu vực khác như Linh Trung, Trường Thọ (Thủ Đức), Tân Tạo (BìnhChánh)…cũng khá cao (11,76 đến 27,83 mg/l) vượt tiêu chuẩn cho phép gần 50 lần [7] Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bị ô nhiễm amoni trong nước ngầmnhưng khu vực bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khuvực đồng bằng Bắc Bộ Theo kết quả khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trungtâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ-Địa Chất thì phầnlớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh như: Hà Tây, Hà Nam, NamĐịnh, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễmbẩn amoni rất nặng Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơntiêu chuẩn nước sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 70-80% Trong nhiều nguồn nước ngầm còn

chứa nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hoá có nguồn đạt 30-40 mg O2/l Có thể cho rằngphần lớn các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và cáchợp chất hữu cơ [6]

Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa lý thuộc Viện Khoa Học vàCông Nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước từ các huyện của tỉnh Hà Nam đều cótỷ lệ nhiễm amoni ở mức đáng báo động[9].Chẳng hạn như tại Lý Nhân có mẫu nướcvới hàm lượng lên tới 111,8 mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế (TC BYT), còn

ở Duy Tiên là 93,8 mg/l gấp 63 lần…Trong khi đó, các kết quả khảo sát của trườngĐại Học Mỏ-Địa Chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông

và mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình > 20 mg/l vượtmức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần [10] (Tiêu chuẩn nước vệ sinh ănuống 1329/BYT-2002 đối với nồng độ NH4+ tối đa cho phép là 1,5 mg/l)

Bảng 1.1 Chất lượng nước tại một số huyện thuộc tỉnh Hà Nam [9]

STT Tên các huyện Số lượng

Bảng 1.2 Đặc trưng chất lượng nước ngầm của một số nhà máy nước khu vực Hà Nội[11]

Cl

-(mg/l)

Độ cứng ( 0 dH)

Mn (mg/l)

Độ oxi (mg/l)

-Ngô Sĩ Liên

Cao

Thấp

Trung bình

8,06,26,7

13,301,5

10,600,7

16,70,43,1

882048

1319

2,301,0

0,100,7-Lương Yên

Cao

Thấp

Trung bình

8,06,87,7

501,0

400,4

19,92,87,2

421

957

0,500,2

1,800,4-Tương Mai

Cao

Thấp

Trung bình

86,36,8

302,610,4

500,3

27,44,410,3

105627

1137

1,500,3

12,80,22,9-Hạ Đình

Cao

Thấp

Trung bình

7,66,56,9

20412,8

500,4

19,76,711,4

451025

1048

0,400,1

8,21,33,0-Pháp Vân

Cao

Thấp

Trung bình

7,86,57

606,619,7

300,2

123,88,1

31922

1158

0,900,1

14,22,96,3-Mai Dịch

Cao

Thấp

Trung bình

866,6

1,300,2

12,301,3

3,300,7

77625

1018

20,10,7

300,3-Ngọc Hà

Cao

Thấp

Trung bình

7,16,16,7

3000,7

7,500,9

4,70,11,6

571437

1449

2,401,1

2,600,5-Yên Phụ

Cao

Thấp

Trung bình

8,26,27,2

2002,8

500,2

11,60,33,7

51415

170,311

2,90,30,6

6,600,8-Sóc Sơn

-Đông Anh

Trung bình 6,3 2,0 1,6 7,9 - - - 1,2-Gia Lâm

Từ bảng 1.2 chúng ta có thể nhận thấy được hầu như nguồn nước ngầm Hà Nội đều bị ô nhiễm amoni Riêng các nhà máy phía nam thì bị ô nhiễm amoni nặng chẳng hạn như: Tương Mai, Hạ Đình riêng Pháp Vân thì rất nặng Mặc dù vậy nhưng sau khi qua hệ thống xử lý nước ở các nhà máy để cấp cho người dân thì hàm lượng amoni trong nước vẫn còn ở mức cao, vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần

STT Tên nhà máy nước [NH 4 ](mg/l) theo

1.2 AMONI VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG

Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người, nhưngtrong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý…Amôni được chuyển hoá thành nitrit (NO2-)

và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể chuyển hoáthành Nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người Chính vì vậy qui định nồng

độ nitrit cho phép trong nước sinh hoạt là khá ngoặt nghèo

Như vậy ở trong nước ngầm amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy,khi khai thác lên vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thànhnitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) tích tụ trong thức ăn Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì

cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy của hồng cầu làm hemoglobinmất khả năng lấy oxy, dẫn đến trình trạng thiếu máu, xanh da Vì vậy, nitrit đặc biệtnguy hiểm đối với trẻ mới sinh dưới sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển,gây bệnh ở đường hô hấp Đối với người lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trongthực phẩm làm thành một họ chất nitrosami Nitrosamin có thể gây tổn thương duytruyền tế bào, nghiên nhân gây ung thư Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn,thức uống của chuột, thỏ…với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì thấy sau một thờigian những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng [6]

Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người

sử dụng nước Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạonên những nitrosamin là nghiên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệtnhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa Sau khi lọt vào cơthể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Ion nitrit cònnguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkylcacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng định, khi hàm lượng NO3- trên 45 mg/lnếu người dân dùng thường xuyên nguồn nước này sẽ mắc các bệnh ung thư về dạ dày,thực quản và bệnh tiểu đường [9]

Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrit và nitrat cao cũng rất đáng lo ngại Mốiquan hệ giữa nước giếng nhiễm nitrat và hội chứng BBS (Bady Blue Syndrome) lầnđầu tiên được Hunter Comly, bác sỹ ở Iowa tìm thấy hồi thập niên 40 khi ông điều trịcho hai đứa trẻ mắc chứng da xanh [4]

Bên cạnh đó hàm lượng NH4+ trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như sau:

● Nó có thể kết hợp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả khử trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc

● Nó là nguồn Nitơ thứ cấp sinh ra nitrit trong nước, một chất có tiềm nănggây ung thư

● NH4 là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trongđường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan

Mặc dù bằng chứng về nhiễm độc của các hợp chất Nitơ trong nước chưa đầy đủnhưng có thể khẳng định rằng nó rất độc với trẻ em vì nguy cơ gây bệnh mất sắc tốmáu, xanh da, hôn mê,…và có thể gây ung thư đối với người lớn Để đề phòng sựnhiễm độc do các hợp chất Nitơ gây ra thì một số quốc gia và tổ chức trên thế giới đưa

ra tiêu chuẩn về các hợp chất Nitơ sau đây

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn một số quốc gia về các hợp chất Nitơ trong nước cấp[6]

Chỉ tiêu Hoa Kỳ 80/778/EEC Châu Âu WHO 1993 Tiêu chuẩn Bộ Y Tế 1329/2002

Tóm lại tác hại của các hợp chất Nitơ trong nước được trình bày dưới dạng bảng sau:

Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN12

- NH4+ có thể kết hợp với Clo tạo Cloramin là chất làm giảm hiệu suất khử trùng

- NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển,

1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI

Amoniac (NH3) là chất khí và ở dạng bazơ yếu, độ tan trong nước rất cao: tại

200C áp suất thường độ tan là 520 g/l Khi tan trong nước nó tồn tại ở hai dạng:amoniac (NH3) là dạng trung hoà và dạng ion amoni NH4+ Phụ thuộc vào PH của nước

mà tỷ lệ NH3/NH4+ được xác định Điểm PkB của chúng là 9,15 tức là tại PH = 7 hoặc

PH = 11 thì amoni hoặc amoniac có khả năng bốc hơi [13]

Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu

cơ là: nitrit, nitrat, và amoni Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong nước ngầm

đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng: Làm thoáng để khử

NH3 ở môi trường pH cao (pH = 10 - 11); Clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến(break-point) trên đường cong hấp thụ Clo trong nước, tạo Cloramin; Trao đổi ion

NH4 và NO3- bằng các vật liệu trao đổi Cation/Anion; Nitrat hóa bằng phương phápsinh học; Nitrat hóa kết hợp với khử nitrat; Công nghệ Annamox, Sharon/Annamox(nitrit hóa một phần amoni, sau đó amoni còn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành làchất nhận điện tử, được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí; Phươngpháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; v.v

1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến

Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxi hoá amoni/amoniac ở nhiệt độphòng thành N2 Khi hoà tan Clo trong nước tuỳ theo PH của nước mà Clo có thể nằmdạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình:

Cl2 + H2O HCl + HClO (PH<7) (1.1)

HClO H+ + ClO- (PH>8) (1.2)

Khi trong nước có NH + sẽ xảy ra các phản ứng sau:

Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12]

Theo lý thuyết để xử lý NH4 phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song trên thực tế phảidùng 8:1 hoặc hơn để oxi hoá NH3 Do xảy ra các phản ứng đã nêu, quá trình Clo hoáthực tế xảy ra theo một đường cong có dạng đặc biệt, có “điểm đột biến” như ởhình1.3 Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của Clo với các hợpchất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni[12] Khi amoni phản ứng gầnhết, Clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiềuchất cơ Clo có mùi đặc trưng khó chịu Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhómTHM-trihalometan và HAA-axit axêtic halogen đều là các chất có khả năng gây ungthư và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngoặc

Ngoài ra với lượng Clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải quyếtđối với các nhà máy lớn Đây là những lý do khiến phương pháp Clo hoá mặc dù đơngiản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế và xây dựng cơ bản nhưng rất khó áp dụng

1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping)

Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:

NH4+ NH3 (khí hoà tan) + H+ ; pka = 9,5 (1.7)

Như vậy, ở PH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni Nếu

ta nâng PH tới 9.5 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1, và càng tăng PH cân bằng càng chuyển về

Phản ứng với Fe2+,

S2

-NH3Amin

phía tạo thành NH3 Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽbay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:

NH4+ + OH- NH3 + H2O (1.8)

Trong thực tế PH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH3 ở mức

1600 m3 không khí/ m3 nước [12] và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ NH 4+

xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp

1.3.3 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br - )

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp Clo hoá điểm đột biến người ta cóthể thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt của Br- Về cơ bản xử

lý NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống như phươngpháp xử lý dùng Clo Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hoá thành BrO- theo phản ứngsau đây:

1.3.4 Phương pháp sinh học

Đây là phương pháp xử lý amoni được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nướcquan tâm nghiên cứu và cũng cho được nhiều kết quả khả quan Mặc dù xử lý sinh họccũng được thực hiện bằng nhiều quá trình vật lý, hoá học và hoá lý nhưng phương phápsinh học lại mang một ý nghĩa hoàn toàn khác và ngày càng trở nên quan trọng.Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của nó như xử lý dể dàng các sảnphẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nước với mộtchất lượng hoàn toàn bảo đảm sạch về mặt hoá chất độc hại và ổn định về hoạt tínhsinh học, chất lượng cao (cả về mùi, vị và tính ăn mòn)

Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau lànitrat hoá và khử nitrat hoá như sau:

a) Quá trình nitrat hoá:

Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học được viết như sau:

NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O (1.13)

NO2- + 0,5O2 → NO3- (1.14)Phương trình tổng:

NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O (1.15)Như vậy 1 mol NH4+ tiêu thụ 2 mol O2 hay 1gN-NH4+ tiêu thụ 4,57 g O2, 1mol

NH4+ tạo thành 1mol NO3-, 1 mol NH4+ tạo thành 2 mol H+ Lượng H+ tạo ra phản ứngvới độ kiềm HCO3-, như vậy 1gN-NH4+ tiêu thụ 7,14g độ kiềm (qui về CaCO3) Cácphương trình (1.19 và 1.20) không tính đến quá trình sinh tổng hợp sinh khối (vikhuẩn) [2].Ta có:

1,02NH4+ + 1,82O2 + 2,02HCO3- →

0,021C5H7O2N + NO3- + 1,92 H2CO3 + 1,06 H2O (1.16)

Như vậy 1 g N-NH4+ tiêu thụ 4,3 g O2, 1 g N-NH4+ tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (qui vềCaCO3)

Để thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ phương trình (1.20) là 4,3

gO2 và 7,14g độ kiềm trên 1gN-NH4+ để tính toán

b) Quá trình khử nitrat hoá:

Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat hoá sử dụng oxi từ nitrat nêngọi là anoxic (thiếu khí) Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần nguồn Cacbonhữu cơ để tạo nên sinh khối mới

Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:

NO3- NO2- NO N2O N2

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử) chúng có thể là chất hữu

cơ (phổ biến là axit axetic), H2 và S Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho điện

tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO3- nhận điện tử và khử về N2

Vi khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm: Bacilus, Pseudômnas,

Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, …Chỉ có Thiobaciluc denifrifcans

là sử dụng nguồn điện tử S nghiên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2

và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới

1.3.5 Phương pháp trao đổi ion

Quá trình trao đổi ion là một quá trình hoá lý thuận nghịch trong đó xảy raphản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bờ mặt hoặcbên trong của pha rắn tiếp xúc với nó Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật bảotoàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau:

AX + B- AB + X- (1.24)

CY + D+ CD + Y+ (1.25)

Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation.

Phản ứng trao đổi là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào:

● Kích thước hoá trị của ion

● Nồng độ ion có trong dung dịch

● Bản chất của chất trao đổi ion

● Nhiệt độ

Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dungdịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có cùng dấuđiện tích Nhựa trao đổi cation (Cationit) là những hợp chất cao phân tử hữu cơ cóchứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX Trong đó R làgốc hữu cơ phức tạp, có thể là: COOH-, Cl-,…Phản ứng trao đổi cation giữa chất traođổi và cation có trong dung dịch

R-H(Na) + NH4+ R-NH4 + H+(Na+) (1.26) 2R-H + Ca2+ R2Ca + 2H+ (1.27)

Chất trao đổi ion có thể có sẳn trong tự nhiên như các loại khoáng sét, trong đóquan trọng nhất là zeolit, các loại sợi,…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp(aluminosilicat, aluminophotphat,…) hoặc hữu cơ (nhựa trao đổi ion) Trong thực tếnhựa trao đổi ion được sản xuất và ứng dụng rộng rải nhất Trong nước ngầm ngoài ionamoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với các cation khác) còn tồn tại các cation hoá trị I

và hoá trị II như Ca2+,Mg2+, K+, Na+,…phần lớn các nhựa cation có độ chọn lọc thấpđối với ion amoni Để ứng dụng thực triển cần tìm được chất trao đổi ion có độ chọnlọc cao đối với ion amoni Trong khi đó, Zeolic đặc biệt là loại Clinoptilolit tự nhiên cóthể đáp ứng được đồi hổi trên Clinoptilolit là loại Zeolic tự nhiên có công thức hoá học

là (Na4K4)Al20O40.20H2O, độ lớn mao quản nằm trong khoảng 3-8A0, độ xốp khoảng34% Độ chọn lọc của Clinoptilolit đối với ion amoni tuân theo thứ tự[13]:

Cs + >Rb + >K + >NH 4 + >Ba 2+ >Na + >Ca 2+ >Fe 2+ >Al 3+ Mg 2+ >Li +

Từ dãy chọn lọc này cho thấy hầu hết các cation có mặt trong nước tự nhiên như:

Ca2+, Mg2+, Na+ đều có tính chọn lọc kém hơn so với amoni và tính chọn lọc của amonigần ngang với Kali

Chabazit là một loại Zeolit có độ chọn lọc khá cao đối với ion amoni Dunglượng trao đổi của Clinoptilolit được nhiều tác giả xác định, nằm trong khoảng từ 1-2,7đl/kg, tương ứng với 14-32g NH4+/kg Tuy vậy dung lượng hoạt động của nó trong thực

triễn ít khi vượt quá 50% của dung lượng tổng, thường là 1-7 g/kg, do khi gần bão hoàamoni bị chiết ra khỏi dung dịch [13].

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI Ở NƯỚC TA

Trong những năm gần đây chúng ta có một số công trình nghiên cứu xử lý cáchợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước cấp cũng như trong nước thải, các nghiên cứucòn hạn chế và chưa đầy đủ nhưng có thể liệt kê một số công trình nghiên cứu sau đây:

-Hoàn thiện công nghệ xử lý nước để áp dụng cho một số nguồn nước bị nhiễm arsenic; nguồn nước bị nhiễm amoni với hàm lượng lớn Chủ nghiệm đề tài: KS Đinh

Viết Đường, Công ty nước và môi trường Việt Nam

-Nghiên cứu xử lý N-Amoni trong nước ngầm Hà Nội Nguyễn Văn Khôi, Cao

Thế Hà(2002) -Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002

-Báo cáo kết quả nghiên cứu xử lý amoni tại Pilot Pháp Vân Cao Thế Hà, Lê

Văn Chiểu, Nguyễn Văn Khôi, Bùi Văn Mật, Ngô Ngọc Anh (2004)

-Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giàu hợp chất Nito(N), Photpho (P) thích

hợp với điều kiện Việt Nam Lê Văn Cát, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học công

nghệ thuộc chương trình nhà nước về bảo vệ môi trường, Hà Nội 2001-2002

-Nghiên cứu xử lý các chất dinh dưỡng (các hợp chất N và P), trong các hệ xử lý nước thải sinh hoạt Lê Văn Chiều, Luận án tiến sĩ trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

2003

-Nuyên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội Đề tài cấp thành phố 01C –

09/11-2002-2, Chủ trì Nguyễn Văn Khôi –Sở giao thông công chính Hà Nội

-Báo cáo bước đầu xử lý amoni cho nhà máy nước Nam Dương công suất

30000m 3 /ngày.đêm , (2002) – công ty tư vấn thoát nước và môi trường Việt Nam.

(VIWASE Vietnam Water Supply and Environment)

-Các đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ của viện khoa học và công nghệ Việt Nam

bằng phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị.

-Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu Zeolit ,

chủ trì Nguyễn Hưu Phú- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

-Xử lý nitrat, báo cáo của Lâm Minh Triết và cộng tác viên , Đại học quốc gia

thành phố Hồ Chí Minh

-Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR), chủ trì

đề tài Nguyễn Thị Hà, đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã số QT.05.36,2005

-Xây dựng công nghệ khả thi xử lý amoni và asen trong nước sinh hoạt , Viện

Công nghệ Môi trường…

Phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý tốt amoni trong nước ngầmcũng như trong nước thải Đối với qui mô vừa và nhỏ thì phương pháp trao đổi ionđược các nhà khoa học đề xuất là thích hợp nhất Các đề tài đều khẳng định phươngpháp sinh học là định hướng chính cho qui mô lớn.

Vấn đề xử lý amoni trong nước cấp, đặc biệt ở mức cao cỡ 15-25 mg/l là mộttrong những vấn đề còn khá mới mẻ ở nước ta và trên thế giới Trước năm 2002 cáctiêu chuẩn Việt Nam đều giới hạn nồng độ amoni ở mức ≤ 3mg/l thì từ năm 2002 vớiquyết định 1329/2002 QĐ-BYT của Bộ Y Tế, giới hạn nồng độ amoni của Việt Nam

đã ở mức qui định của tổ chức thế giới WTO là 1,5mg/l trong khi ở Châu âu là 0,5mg/l.Điều này thúc đẩy nhiều nghiên cứu ở Việt Nam trong lĩnh vực xử lý amoni trong nướccấp

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN

Như đã trình bày ở những phần trên, thì hiện nay trình trạng ô nhiễm amonitrong nước ngầm ngày càng phổ biến Hàm lượng amoni trong nước ngầm ngày càngcao và vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần Nó đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đếnsức khoẻ người dân và các cơ sở sản xuất Từ những vấn đề trên thì cần phải có nhiềunghiên cứu xử lý amoni hơn nữa để loại bỏ amoni ra khỏi nước cấp nhằm phụ vụ nhucầu cung cấp nước sạch cho người dân và các cở sở sản xuất

Từ hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm như hiện nay, để loại bỏ amoni

ra khỏi nước ngầm nhằm cung cấp nước sạch cho người dân và các cơ sở sản xuất vừa

và nhỏ thì phương pháp trao đổi ion là thích hợp nhất Chất trao đổi ion có độ chọn lọccao với amoni là Zeolit, đặc biệt là clinoptilolit, nhưng nghiên liệu này có dung lượngnhỏ và không có sẳn ở Việt Nam Để được áp dụng rộng rải và phổ biến thì cần phảidùng chất trao đổi ion thông dụng đó là nhựa cationit Vì thế em lựa chọn phương pháptrao đổi ion với vật liệu trao đổi là nhựa cationit C100 để nghiên cứu khử amoni rakhỏi nước ngầm Đối với nhựa cationit thì độ lựa chọn của ion Ca2+, Mg2+(độ cứng) caohơn so với ion amoni

Với mục đích là để xử lý amoni ra khỏi nước ngầm bằng phương pháp trao đổiion trên nhựa cationit C100 khi biết nồng độ amoni và hàm lượng độ cứng của mộtnguồn nước ngầm bất kỳ, nội dung của đồ án bao gồm:

─ Xác định thời gian đạt cân bằng của nhựa C100 (Mỹ) và ion amoni

─ Xây dựng đường đẳng nhiệt cân bằng trao đổi ion của nhựa C100 (Mỹ) vớiion amoni

 Xác định ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến hiệu quả xử lý amoni

─ Xác định ảnh hưởng của độ cứng đến hiệu quả xử lý amoni.

─ Xác định ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào đến hiệu quả xử lý

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP

TRAO ĐỔI ION

Khái niệm quá trình trao đổi ion

Trao đổi ion là một phương pháp mà trong một số điều kiện, một chất không tan(nhựa) hút một ion dương hay âm của một dung dịch và nhả ra một ion khác cùng dấu.Hiện tượng này dựa trên phản ứng hoá học tổng quát sau[15]:

n(R-A+) + Bn+ Rn-Bn+ + nA+ (2.1)

Ở đây:

R- gốc hút anion của nhựa trao đổi ion;

A+ các ion trao đổi của nhựa;

Bn+ các ion hoà tan trong dung dịch

Sau một thời gian nhất định, phản ứng xảy ra cân bằng

2.1 CHẤT TRAO ĐỔI ION

Chất trao đổi ion theo định nghĩa thông thường là chất rắn không tan trong nước

có gắn các ion âm hoặc dương, trong dung dịch chứa chất điện ly, các ion âm hoặcdương có thể được thay thế bởi các ion tương ứng có trong dung dịch Chất trao đổi ion

có gắn các ion dương, có khả năng trao đổi với các cation của dung dịch gọi là cationit.Các chất gắn ion âm và trao đổi với các anion của dung dịch gọi là anionit Chất traođổi ion có hai tính năng trên thì gọi là lưỡng tính

Các ion có khả năng trao đổi được gắn vào mạng chất rắn không tan thông quacác nhóm chức (-SO3-, COO- đối với cationit) hoặc (-NH3 ,-NH2 ,-S- đối với anionit),các nhóm chức này tích điện âm đối với cation và tích điện dương đối với anionit Mộtchất trao đổi ion được gọi là mạnh khi độ phân ly của nhóm ion và nhóm chức hoàntoàn không bị chi phối bởi độ pH của môi trường Ngược lại, khi độ phân ly phụ thuộcvào độ pH (độ phân ly của axit yếu tốt khi pH cao, độ phân ly của bazơ yếu khi pHthấp) thì gọi là loại yếu

Sự trao đổi ion tuân theo qui luật tỉ lượng, tức là qui luật trao đổi 1-1 theo hoá trị.Trường hợp trao đổi không theo quy luật trên mà do các quá trình hấp phụ tạo phứcgóp phần thì gọi là chất trao đổi tạo phức

Ion có khả năng trao đổi nằm trong mạng chất rắn thường là Na+ hoặc H+ đối vớicationit và OH- hoặc Cl- đối với anionit

Một chất trao đổi ion sau khi sử dụng trở nên bảo hoà, có thể sử dụng lại bằngcánh tái sinh, tức là đưa nó về dạng Na+ hoặc OH- ban đầu bằng cánh cho tiếp xúc lạivới dung dịch NaCl Hoặc NaOH Quá trình đó được gọi là tái sinh

Khả năng trao đổi của chất trao đổi ion tính theo khối lượng hoặc thể tích của nógọi là dung lượng trao đổi, thường tính theo đơn vị đương lượng trên 1g hoặc 1cm3 chấttrao đổi ion

Trong một hỗn hợp nhiều ion kim loại, đối với một chất trao đổi nào đó, ion nàytrao đổi tốt hơn ion khác được thể hiện qua độ chọn lọc.

2.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION[13]

Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồngốc vô cơ hay hữu cơ Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi

được với bên ngoài Chất trao đổi ion đề cập ở đây là chất rắn không tan trong nước và

hầu hết trong các dung môi hữu cơ Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức chứahai thành phần tích điện của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổiđược Cấu trúc của chúng có thể mô tả như sau:

Dạng chất trao đổi Mạng chất rắn Điện tích nhóm

Vô cơ, hữu cơ

Vô cơ, hữu cơ

Vô cơ, hữu cơ

ÂmDương

Âm, dương

DươngÂm

Âm, dương

Có thể phân loại vật liệu trao đổi ion như sau:

a) Loại cationit

 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 hoá

+ Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản ứng trùng ngưng, polime hoá)

b) Loại anionit

 Vô cơ

+ Tự nhiên (dolomit, apatit, hydroxy apatit)

+ Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)

 Hữu cơ

+ Tổng hợp (nhựa trao đổi ion

2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion

Các khoáng vật có tính năng trao đổi ion phần lớn thuộc họ alumosilicat có cấutrúc tinh thể hoặc lớp như: zeolit, vermiculit, bentonit, beidellit, glauconit Những chấtnày có khả năng trao đổi do mạng SiO4 (nghiên thuỷ) được thay thế bởi (AlO4-), do

điện tích của Nhôm thấp hơn Silic nên cả mạng tích điện âm Để trung hoà điện tích

âm, các ion (kiềm, kiềm thổ) phân bố trong đó Các ion này có khả năng trao đổi và cácalumosilicat đóng vai trò cationit Ngoài ra các loại zeolit tự nhiên phần lớn có hệmao quản khá rộng, rất thuận lợi cho quá trình trao đổi ion Các ion có thể trao đổi linhđộng, chuyển dịch khá tự do trong các hốc zeolit, thường là nhiều loại như: Na+, Ca2+,

K+, Mg2+ Tuy nhiên khả năng trao đổi của chúng không đáng kể, dung lượng trao đổiphụ thuộc vào tỉ lệ SiO4/AlO4, độ sạch của sản phẩm, nhìn chung ít ổn định

2.2.2 Chất trao đổi ion vô cơ tổng hợp

Chất trao đổi ion vô cơ được tổng hợp cách đây khoảng 90 năm, với cố gắng bắcchước sản phẩm tự nhiên, chủ yếu là silicat Thương phẩm cationit đầu tiên được chếtạo là natripermutit, là hỗn hợp nung chảy của sô đa, sét cao lanh…nó có tính chất gầngiống zeolit ngoại trừ tính không ổn định về cấu trúc nên hiện nay sản phẩm đó khôngđược sử dụng Zeolit tổng hợp được điều chế theo phương pháp: tinh chế từ zeolit tựnhiên, tái kết tinh zeolit tự nhiên và tổng hợp trực tiếp Phương pháp tổng hợp trực tiếptrừ natrisilicat và aluminat là phương pháp có hiệu quả nhất

2.2.3 Vật liệu trao đổi ion trên than

Rất nhiều loại than có tính năng trao đổi ion Các nhóm chức trên bề mặt thannhư: COOH-, OH- là các axit yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp.Tuy vậy các loại vật liệu này đã bị kiềm phá huỷ và có xu hướng peptit hoá Vì vậytrước khi sử dụng chúng cần được ổn định thông qua các biện pháp xử lý

Than non, than lignin có thể xử lý với dung dịch muối đồng, muối Crom haymuối nhôm Một số loại than đá, than có độ cứng nhất định xử lý với xút hay với axitclohydric, sản phẩm tạo thành có độ bền hoá học tốt hơn

Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể chế tạo thành loại cationit bằng cáchhoạt hoá với axit sunfurit đặc gắn vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO3-, đồng thờităng cường mật độ nhóm cacboxylic qua quá trình oxy hoá Tác nhân hoạt hoá ngoàiaxit sunfuric còn có thể sử dụng dẫn xuất như oleum (axit sunfurit đặc 120-140%), axitpyrosunfuric, kali bisunfat, axit closulfonic

Quá trình hoạt hoá toả nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình tương nở than gây ra

vở vụn, hiệu suất thu hồi sản phẩm rất thấp Một trong các biện pháp nhằm cải thiệntrình trạng trên là hoạt hoá hai giai đoạn: ban đầu với axit loãng, sau đó với axit đặc

Về một số phương diện than sulfon hoá giống với nhựa trao đổi ion: có cácnhóm chức và cấu trúc gel, tuy nhiên có thành phần hoá học không ổn định, độ bền cơ

và hoá kém hơn, đặc biệt dễ bị kiềm phá huỷ

2.2.4 Nhựa trao đổi ion

Vật liệu trao đổi ion quan trọng nhất là nhựa trao đổi ion, nó là dạng gel, khôngtan trong nước do cấu trúc mạng không gian ba chiều của polime mạch carbon

Trong mạng polime có chứa các nhóm chức -SO3-, -COO-, PO3-, AsO32- đối vớicationit và các nhóm: -NH3+, RNH2+, RH2N+, -NR3+ (amin bậc 4, amin bậc 3, amin bậc

2, ≡ S+ đối với anionit)

Mạng polime có tính kỵ nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng có tính ưanước Polime mạch thẳng có chứa các nhóm chức trên tan trong nước, nhựa trao đổiion không tan nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan trong hầu hết cácloại dung môi Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và tương nở khi ngậm dung môi, nó có độxốp khá lớn (nhựa thương phẩm có chứa 40 – 60% nước tính theo khối lượng) Lỗ xốpcủa nó có kích thước không đều như zeolit, tuy vậy người ta vẫn coi nó là có cấu trúcđồng nhất theo thể tích xốp Độ bền hoá học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa phụ thuộc vàocấu trúc và mức độ liên kết ngang của mạng cũng như vào bản chất và mật độ của cácnhóm chức Mức độ liên kết ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độtương nở hay khả năng linh động của ion và độ dẫn điện của nhựa Độ lớn (hiệu dụng)của mao quản đối với nhựa có độ liên kết ngang thấp, trong trạng thái tương nở hoàntoàn kích thước mao quản vượt trên 100 A0 Nhựa có liên kết ngang cao bền cơ học,cứng và ít bị mài mòn

Tính bền cơ và hoá của nhựa cũng chỉ có giới hạn Nghiên nhân gây hỏng nhựathông thường là yếu tố hoá học và nhiệt như oxy hoá mạng, phá huỷ các nhóm chức dothuỷ phân nhiệt Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các dung môi thông dụng trừtrường hợp trong các dung môi có tính oxi hoá khử cao, thường chịu được tới 1000C.Riêng anionit mạnh bắt đầu phân huỷ ở 600C

Tính năng trao đổi ion của nhựa chủ yếu được quyết định bởi các nhóm chức Mật

độ nhóm chức xác định dung lượng trao đổi ion của nhựa Bản chất nhóm chức ảnhhưởng lên cân bằng của quá trình trao đổi ion Bản chất nhóm chức trước hết thể hiện ởcường độ axit hoặc bazơ của nó Nhóm axit yếu COO- chỉ phân ly ở pH cao, ở vùng pHthấp nó liên kết với H+ và trở nên trung hoà COOH và mất đi khả năng trao đổi Ngượclại, nhóm axit mạnh –SO3- phân li ở mội vùng pH và vì vậy nó luôn có tác dụng traođổi ion

Bản chất nhóm chức trong mạng cũng ảnh hưởng đến tính chọn lọc trao đổi: cácion trao đổi ưa các nhóm chức mà chúng có khả năng tạo phức hay cặp ion Ví dụnhóm sulfonic –SO3- ưa Ag+, nhựa có nhóm chức –COO- ưa ion kiềm thổ, các nhóm

chức chelat (vòng càng) ưa các kim loại nặng Điều này dễ nhận biết qua độ tan thấphay phân ly yếu của muối tạo thành giữa các nhóm chức với các ion trao đổi, cụ thểbạc sulfonat, kim loại kiềm thổ cacboxylat, chelat-kim loại nặng.

Rất nhiều loại nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất, chúngkhông chỉ khác nhau về bản chất hoá học và mật độ nhóm chức mà còn khác nhau vềthành phần hoá học và mức độ liên kết ngang của mạch polyme nhằm tương thích vớiđiều kiện sử dụng Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lý khác nhau: dạng gel, dạng xốplớn (macroporons resin), dạng xốp đều (isoporous), dạng bột mịn (micro resin) và dạng

từ tính (magnetic resin) Nhựa dạng gel được sản xuất sớm nhất, nước được phân bốđều trong cả mạng polyme Nhựa được tương nở trong những điều kiện nhất định vàchính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polyme

Các hạt nhựa thường dùng trong cột có kích thước 0,3 – 1,2 mm Do quá trìnhđộng học trao đổi ion bị khống chế bởi khếch tán trong nên tốc độ trao đổi ion thườngtỉ lệ nghịch với kích thước hạt Để tăng tốc độ trao đổi ion cần sử dụng hạt có kíchthước nhỏ Dạng bột được sử dụng cho mục đích này kiểu dạng lớp lót (precoat filter),

nó đóng vai trò hai chức năng: lọc và loại bỏ ion đồng thời Nó được sử dụng để loại

bỏ lượng vết bẩn của nước ngưng trong công nghiệp điện Do mịn nên việc tổn hao ápsuất rất lớn trong khi lọc và do là hỗn hợp bột của cationit và anionit nên rất khó táisinh, thường chỉ dùng một lần là bỏ Để khắc phục khó khăn khi thao tác với bột traođổi ion mịn, người ta trộn thêm vào hạt một chất độn có từ tính, ví dụ với γ – Fe2O3,chúng dễ dàng tạo thành các tập hợp lớn, lắng nhanh như các hạt nhựa thông dụng, cáchạt nhựa này cũng dễ dàng bị phá huỷ khi khuấy trộn Chúng khắc phục được nhữngkhó khăn nêu trên

2.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHỰA TRAO ĐỔI ION

2.3.1 Dung lượng trao đổi

Dung lượng trao đổi ion là một thông số đặc trưng quan trọng cho một chất traođổi, tức là thể hiện về mặt chất lượng sản phẩm Nó là thông số quan trọng dùng đểtính toán, thiết kế quá trình trao đổi ion kỹ thuật Trong một chừng mực nào đó, dunglượng trao đổi được xem là một đại lượng đặc trưng không phụ thuộc vào ngoại cảnhhoặc phụ thuộc vào điều kiện tiến hành Sau đây là một vài định nghĩ về dung lượngtrao đổi ion[14]:

Dung lượng tổng: là số nhóm chức tính bằng đương lượng gam trên một đơn vị

khối lượng khô chất trao đổi hay trên một đơn vị thể tích trao đổi ở trạng thái tương nở(mđl/g hoặc mđl/l) Đại lượng này chỉ cho biết số nhóm chức tối đa mà vật liệu trao đổi

có, chứ không thể hiện tính năng sử dụng của nó

Dung lượng hiệu dụng: là lượng ion trao đổi tiến hành trong điều kiện cụ thể.

Trị số của đại lượng này luôn nhỏ hơn dung lượng tổng phụ thuộc vào điều kiện tiếnhành như: pH, nồng độ ion cần trao đổi

Dung lượng hấp thu: một số chất điện ly, chất tan được làm giàu lên trong lòng

chất trao đổi ion do quá trình hấp phụ, tạo phức cùng với quá trình trao đổi thật sự.Dung lượng hấp phụ đôi khi cao hơn dung lượng tổng

Dung lượng động: thường dùng trong trường hợp cột trao đổi ion hoạt động liên

tục trong dòng chảy dưới điều kiện dòng chảy qua cột, ví dụ trong dòng nước chứa ion

Ca2+ có nồng độ Co khi cho qua cột cationit dạng Na+ Khi chảy qua cột xảy qua quátrình trao đổi giữa Na+ của chất trao đổi ion với Ca2+ của nước và kết quả là nước đầu

ra chỉ chứa Na+ Sau một thời gian hoạt động cột bắt đầu bảo hoà và nồng độ Ca2+ tăngdần (theo thời gian) ở đầu ra và đạt tới nồng độ Co Cột phải dừng hoạt động trước khinồng độ ở đầu ra đạt giá trị Co, trong thực tiễn thường là 0,05 Co mặc dù tiềm năng traođổi ion của cột chưa cạn kiệt, vì vậy dung lượng trao đổi của khối chất trao đổi ion bịhao phí một phần Khả năng trao đổi ion khi đó thấp hơn điều kiện tĩnh tương ứng vàgọi là dung lượng động Dung lượng động có liên quan chặc chẽ đến yếu tố động học,yếu tố động lực, thuỷ lực của dòng chảy, bản chất ion trao đổi, pH của môi trường

2.3.2 Khả năng trương nở

Khả năng trương nở là khả năng chất trao đổi ion hút dung môi làm tăng thể tíchcủa nó lên Khả năng trương nở của nhựa ảnh hưởng đến tốc độ, mức độ trao đổi củacác ion cũng như khả năng lựa chọn của chúng Hiện tượng trương nở được nhận biếtrất rõ đối với nhựa trao đổi trong môi trường nước và một số dung môi phân cực

Khả năng trương nở của nhựa phụ thuộc vào các yếu tố: bản chất dung môi, mức

độ liên kết ngang, bản chất của nhóm chức, mật độ nhóm chức, bản chất của ion traođổi, khả năng tạo cặp ion hay liên kết giữa các ion trao đổi với nhóm chức và nồng độion trong dung dịch[13]

Bản chất của dung môi: các loại dung môi phân cực là các tác nhân gây trương

nở cao do tương tác tốt giữa chúng với các nhóm chức phân cực và các ion trao đổi

Mức độ liên kết ngang: mức độ liên kết ngang cao làm giảm độ trương nở của

nhựa Mức độ liên kết ngang cao mạng polime càng chắc, bền, mật độ vật chất lớn

Bản chất hoá học của nhóm chức: trương tác giữa nhóm chức với dung môi

càng lớn thì độ trương nở của nhựa càng cao Độ phân li lớn cũng gây độ trương nởcủa nhựa cao

Mật độ nhóm chức: nhựa có mật độ nhóm chức cao, dung lượng ion trao đổi lớn

chứa nhiều ion trao đổi, khi đó khuynh hướng pha loãng trong mao quản tăng Vì vậynhựa có dung lượng trao đổi cao sẽ trương nở tốt hơn loại có dung lượng trao đổi thấp

Bản chất của ion trao đổi: đối với nhựa có mức độ liên kết ngang vừa phải và

cao thì trong nhựa nước tồn tại dạng vỏ hydrat Khi đó độ lớn của ion và khả năng tạo

vỏ hydrat ở dung dịch ngoài là yếu tố ảnh hưởng đến độ trương nở Khi trao đổi mộtion đối ở ngoài dung dịch sẽ trao đổi với ion của nhựa, nếu ion ấy có vỏ hydrat lớn hơncủa ion bên trong thì khả năng trưong nở sẽ tăng lên và ngược lại Các ion có hoá trịcao hơn thì có khả năng tăng độ trương nở nhiều hơn do vỏ hydrat của chúng lớn hơn.Với các nhựa có độ liên kết ngang thấp, chất lỏng trong nhựa chủ yếu nằm ở trạng thái

tự do thì hoá trị của ion trao đổi đóng vai trò quan trọng Các ion có hoá trị cao làmgiảm độ trương nở do một ion đối hoá trị cao có thể chiếm chỗ hai hay nhiều hoặcnhiều ion của mạng

Khả năng tạo cặp ion: nếu ion trao đổi có khả năng tạo cặp ion bền hoặc tạo

phức với nhóm chức thì độ trương nở của nhựa giảm do quá trình hydrat hoá và giảm

áp suất thẩm thấu

Nồng độ ion trong dung dịch: trong trạng thái cân bằng trao đổi ion với dung dịch,

nhựa có độ trương nở cao khi dung dịch càng loãng vì khả năng trao đổi trong hạt nhựatăng

Tóm lại khả năng trao đổi của nhựa ảnh hưởng bởi các yếu tố:

- Dung môi phân cực

- Độ liên kết ngang của nhựa thấp

- Nhựa có dung lượng trao đổi cao

- Khuynh hướng tạo lớp vỏ cao của nhóm chức.

- Các ion trao đổi có kích thướt lớn và khả năng tạo vỏ lớn

- Các ion trao đổi có hoá trị thấp

- Khả năng phân li cao của các nhóm chức

- Nồng độ ion ngoài dung dịch thấp

2.3.3 Cân bằng trao đổi ion

Cân bằng trao đổi ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với một dungdịch chất điện ly, ion trao đổi trong dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khácnhau

Giả sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B.Quá trình trao đổi diễn ra:

–R-A + B –R-B + A (2.20)–R là dạng polyme chứa nhóm chức Trong trạng thái cân bằng các ion A, B cómặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion Trao đổi ion là quá trình thuậnnghịch và vì vậy rất khó phân biệt cân bằng là tiệm cận phía nào, tức là A trao đổi với

B hay ngược lại Tuy nhiên sự phân bố của 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 khôngthay đổi Tỷ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau

2.3.3.1 Đẳng nhiệt trao đổi ion, hệ số tách, hệ số chọn lọc[13]

Đẳng nhịêt trao đổi ion: là một đại lượng mô tả đẳng nhiệt trao đổi ion của hệ.

Đẳng nhiệt mô tả tương quan giữa nồng độ của ion trao đổi trong nhựa và ngoài dungdịch tại một nhiệt độ không đổi và có thể bao quát cả các điều kiện ngoài ảnh hưởnglên nó (ví dụ pH, nhiệt độ, nồng độ các ion lạ…) Nồng độ ion có thể biểu diễn theonhiều cách khác nhau, tiện lợi hơn cả là theo mol phần tương đương được định nghiãcho ion A:

XA

B B A A

A A

m Z m Z

m Z

.

m Z

m Z

phần của A có cùng giá trị ở cả hai pha, khi đó đẳng nhiệt là đường thẳng đi qua góctoạ độ Nếu độ chọn lọc đối với A cao hơn thì đường đẳng nhiệt nằm trên đường thẳng,còn nếu A ít chọn lọc hơn B thì đường đẳng nhiệt nằm phía dưới (hình 2.2).

Các đường đẳng nhiệt đều xuất phát từ điểm gốc và kết thúc ở góc phải của hìnhvuông, vì trong trạng thái cân bằng sự vắng mặt của một loại ion trao đổi trong dungdịch thì đồng thời ion đó cũng không có mặt trong chất trao đổi ion Mặt khác khi một

hệ có tính chọn lọc thì đường đẳng nhiệt không trùng hợp với đường chéo

Tính chọn lọc của chất trao đổi ion đối với một ion trao đổi được thể hiện qua hệ

số tách, nó thuận lợi trong ứng dụng thực tiễn, ví dụ trong tính toán công suất của cộttrao đổi ion

Hệ số tách: hệ số tách được định nghĩa

A B

B A A B

B A A B

B A A B

X X

X X C C

C C m m

m m

.

.

.

.





Hệ số tách là tỷ số của tỷ lệ nồng độ của hai ion trong nhựa và trong dung dịch (

X A XAX B X B) Nếu độ chọn lọc trao đổi với A lớn hơn thì giá trị của A

bằng 0,75 Giá trị này không đổi trên từng vị trí của đường đẳng nhiệt, tức là tại bất kỳgiá trị nào của XA, nó chỉ phụ thuộc vào thế đẳng nhiệt của hệ Tuy nhiên trong thực tế

Hình 2.2 Đẳng nhiệt trao đổi ion và hệ số tách

10,5

0

0,51

0.75

A

II

giá trị của nó thay đổi theo nồng độ trong dung dịch, vào thành phần mol của ion traođổi và một số yếu tố khác.

Hệ số chọn lọc: biểu thị tính chọn lọc của nhựa trao đổi với một ion đối nào đó

B A A

A B B B

A A B

A B B A A B

Z X Z

Z X Z Z

C Z C

Z C Z C K

X

X

.

.

K  2

Khi ZA = ZB = 1 thì A

B

A B

C K

Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>UO22+>Ti2+>

Ag+>Cs+>Rb+>NH4 >Na+>Li+

Đối với anionit tính chọn lọc có thể sắp xếp theo:

Citrat>SO42->Oxalat>I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Fomat >Axetat>F

-Trong thực tiễn tính chọn lọc đôi khi sắp xếp một cách định tính đối với từng loạichất trao đổi ion[13]

Đối với nhựa cationit gốc axit sufonic:

H+ >Ca2+ >Mg2+> K+> Na+

Đối với anionit mạnh gốc amin bậc 4:

NO3- >CrO42- >Br- >SCN- >Cl

-Đối với nhựa anionit yếu gốc poliamin:

OH- >SO42- >CrO42- >NO3- >PO43- >MoO42- >HCO3- >Br- >Cl- >F

-Đối với nhựa vòng càng gốc axit imidodiaxetic:

Cu2+>>Pb2+>Fe3+>Al3+>Cr3+>Ni2+>Zn2+>Ag+>Co2+>Cd2+>Fe2+>Mn2+

>Ba2+>Ca2+>>Na+

Ngoài các đại lượng đặc trưng đã nêu người ta còn sử dụng một số đại lượng khácnhư hằng số cân bằng, hệ số phân bố để đặc trưng cho khả năng trao đổi và tính chọnlọc trao đổi của một hệ

2.4 CƠ CHẾ ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION[13]

Quá trình trao đổi ion xảy ra theo nhiều bước nối tiếp nhau bao gồm:

- Khuyếch tán ion từ nhân của của dòng chất lỏng đến lớp màng bao quanhhạt nhựa trao đổi ion

- Khuyếch tán các ion qua lớp màng

- Khuếch tán ion vào trong hạt nhựa tới các trung tâm trao đổi

- Phản ứng hoá học trao đổi ion

- Khuyếch tán ion được đẩy ra từ vị trí trao đổi ra ngoài hạt nhựa tới bề mặttrong của màng chất lỏng

- Khuyếch tán ion được đẩy ra qua lớp màng

- Khuyếch tán ion được đẩy ra vào nhân của dòng chất lỏng

Tốc độ của quá trình trao đổi được quyết định bởi giai đoạn nào chậm nhất trongcác giai đoạn trên Đó là quá trình khuyếch tán trong màng chất lỏng hay khuyếch tántrong hạt trao đổi, còn quá trình phản ứng trao đổi ion xảy ra rất nhanh, không ảnhhưởng đến tốc độ tổng của quá trình

Trong dung dịch loãng (thường < 0.01M), khuyếch tán màng là bước giới hạn tốc

độ, thậm chí khi hệ thống được khuấy trộn tốt, lớp màng bao quanh hạt nhựa chỉ dày10žm Trong dung dịch đặc hơn (thường >0,1M) khuyếch tán trong hạt kiểm soát tốc

độ tổng của quá trình trao đổi

2.5 CỘT TRAO ĐỔI ION

Phần lớn quá trình trao đổi ion được thực hiện trong cột Một dung dịch chảy quacột chứa hạt trao đổi ion Thành phần hoá học của dung dịch thay đổi do trao đổi ionhay 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 kếtngang,cỡ hạt…) vào thành phần của đầu vào, vào các điều kiện vận hành (tốc độ dòng,nhiệt độ,…).

2.5.1 Quá trình trao đổi ion trong cột[13]

Trao đổi ion để loại bỏ một ion nào đó từ dung dịch thay thế nó bằng một ionkhác Những ứng dụng điển hình trong công nghệ xử lý nước, nước thải: làm mềmnước, thu hồi kim loại từ nước thải, xử lý nước thải chứa phóng xạ, tái sinh dung dịchmạ…

Quá trình trao đổi ion về nghiên tắc có thể tiến hành theo từng mẻ bằng cách chochất trao đổi ion dạng A tiếp xúc với dung dịch chứa ion cần trao đổi B Tuy nhiên hệđạt cân bằng khi B vẫn còn dư lại trong dung dịch Để loại bỏ hết được B, quá trìnhtrên phải lặp lại nhiều lần hoặc sử dụng một lượng chất trao đổi ion rất lớn hoặc nhiềulần thao tác với chất trao đổi ion mới Trong cột điều kiện thuận lợi hơn nhiều Khichuyển động trong cột, dung dịch luôn tiếp xúc với lớp nhựa trao đổi mới hoàn toànnằm ở dạng A nên hầu hết ion được trao đổi khi dung dịch ra khỏi cột Vì vậy các quátrình trao đổi ion trong thực tiễn thường được thực hiện trong cột Khi cho một dungdịch chảy qua khỏi cột chứa hạt trao đổi ion, thành phần hoá học của dung dịch thayđổi do trao đổi ion hay quá trình hấp thu

Khi dung dịch vừa được đưa vào cột, quá trình trao đổi ion giữa A và B lập tứcxảy ra ngay trong lớp mỏng ở đầu cột Dung dịch khi này chứa A và tiếp tục dịchchuyển sâu vào trong cột mà không thay đổi thành phần hoá học Nếu dung dịch tiếptục đưa vào trong cột thì đoạn cột đầu vẫn tiếp xúc với dung dịch mới chứa B Đến mộtlúc nào đó, chất trao đổi ion ở vùng đó hết khả năng trao đổi vì tất cả đã chuyển thànhdạng B, vùng đó dịch chuyển dần theo dòng chảy và tới một lúc nào đó đạt tới vị trícuối cột, toàn bộ cột đã được sử dụng hết, thành phần hoá học của dung dịch tại đầuvào và ra giống nhau Sự xuất hiện của B tại cuối cột được gọi là “thoát” ra khỏi cộtvới nồng độ tăng dần theo thời gian và đạt giá trị nồng độ của đầu vào Cột trao đổi ionthường làm việc trước khi nồng độ của B thoát ra khỏi cột, tuy vậy rất khó biết khi nào

nó thoát mà chỉ có thể biết nó đang thoát ra (đo được) ở nồng độ nào, tức là khi nó đãthoát Và cột sẽ hoạt động cho tới khi nồng độ thoát của một cấu tử nào đó đạt đến mộtgiá trị qui định Khi cột hết khả năng làm việc nó cần được tái sinh với chính dung dịchchất điện ly chứa A Đường cong thoát được thiết kế để mô tả sự tăng nồng độ của ioncần trao đổi trong dung dịch ở điểm cuối của cột theo thời gian Trục tung biểu diễn tỷ

lệ nồng độ đầu ra so với đầu vào (C/Co ≤ 1), trục hoành là đại lượng thời gian (biết tốc

độ thể tích của dòng) hoặc thể tích của dung dịch đã chảy qua cột (tích số của tốc độthể tích với thời gian) hoặc là thể tích tính theo thể tích của tầng chất trao đổi ion (tỉ lệthể tích dung dịch chảy qua và thể tích của tầng hạt nhựa)

Từ đường cong thoát có thể thu được các thông tin sau đây:

- Dung lượng tổng của cột tỷ lệ thuận với diện tích ahed,

- Dung lượng động (thoát) tỷ lệ thuận với diện tích abied,

- Dung lượng hao hụt tỷ lệ với diện tích ibh

Tại thời điểm thoát, lớp chất trao đổi ion ở phía đầu ra chưa hoàn toàn chuyển vềdạng B, tức là nó chưa được sử dụng hết mặc dù quá trình trao đổi đã kết thúc So vớidung lượng trao đổi của lượng nhựa trong cột, dung lượng sử dụng được gọi là dunglượng động, tỷ lệ giữa dung lượng động và dung lượng tổng (tĩnh) chính là hiệu xuất sửdụng cột

Dung lượng tổng của cột được xác định bởi loại chất trao đổi ion sử dụng và khốilượng của nó trong cột Dung lượng động thì phụ thuộc vào bản chất của quá trình (tốc

độ dòng chảy, kích thướt của cột, nồng độ chất trao đổi ion ban đầu, kích thướt của hạttrao đổi), vào điều kiện thao tác cũng như đồi hỏi về chất lượng của quá trình (giá trịnồng độ thoát)

Mục tiêu của nghiên cứu là sử dụng tối đa dung lượng tĩnh, tức là hiệu suất sửdụng cột cao nhất Hiệu suất sử dụng cột cao nếu bề rộng của đường cong thoát hoặcgiải phân bố nồng độ hẹp, hiệu suất sử dụng cột là 100% nếu đường cong thoát có dạngthẳng đứng vuông góc với trục hoành, ứng với trường hợp lý tưởng, mọi quá trìnhđộng học trong đó xảy ra rất nhanh

Nếu trong động lực hấp phụ yếu tố dạng của đường đẳng nhiệt (lồi, lõm, tuyếntính) ảnh hưởng đến độ dãn của dải thì trong cột trao đổi ion, tính chọn lọc là yếu tố

ct

Hình2.3 Đường cong thoát trao đổi ion

ảnh hưởng Dải phân bố của A và B càng rõ (tách lời nhau) khi độ chọn lọc của chấttrao đổi ion đối với B càng cao.

Trao đổi ion là một quá trình cân bằng tỉ lượng nên không trao đổi tất cả nồng độcủa các ion trao đổi của pha tĩnh lẫn pha động Nếu không xảy ra quá trình trao đổi thìnồng độ của ion trong dung dịch trong cột chính là nồng độ đầu vào Co và nồng độ củaion trong nhựa chính là nồng độ của nhóm chức Co Hệ số phân bố của A và B trongdải nồng độ của từng ion (chỉ có mặt một loại ion) là bằng nhau, không phụ thuộc vàoion trao đổi, có giá trị là λ = C/Co A và B chuyển động cùng một tốc độ trong vùngriêng của nó Tốc độ dịch chuyển của dải (A và B) tăng khi tăng nồng độ đầu vào (củaB) và chậm khi nồng độ nhóm chức cao và tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy Trongvùng xen phủ của hai dải nồng độ ta có hình ảnh khác: hai ion trao đổi cạnh trạnh vớinhau, ion nào có độ chọn lọc cao sẽ được nhựa “ưu” hơn và vì vậy nó chuyển độngchậm Điều đó cũng luôn đúng đối với hệ có nhiều loại ion trao đổi Hiệu ứng này ảnhhưởng đến khả năng thu gọn hay dãn rộng dải nồng độ của các ion

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion trong cột

Hiệu suất sử dụng cột trao đổi được nâng cao qua lựu chọn được loại nhựa thíchhợp (nhựa có độ chọn lọc cao với ion cần trao đổi và các yếu tố vận hành khác) Tuynhiên khi đó nảy sinh khó khoăn trong gian đoạn tái sinh sau đó, vì dung dịch tái sinhchứa đúng loại ion trao đổi mà nhựa ít ưa chuộng hoặc ít nhất sau khi tái sinh độ chọnlọc của nhựa cũng không còn nghiên vẹn

Tốc độ trao đổi và điều kiện vận hành cũng ảnh hưởng lên điều kiện hoạt độngcủa cột, nó tác động trực tiếp lên bề rộng của các dải nồng độ và khoảng cách giữachúng

Hệ trao đổi có tốc độ cao là hệ có nhựa trao đổi có kích thước nhỏ và độ liên kếtngang thấp (khuyếch tán trong chậm nhất) và làm việc ở nhiệt độ cao (thúc đẩy quátrình khuyếch tán) Tuy vậy điều kiện thuận lợi về tốc độ lại gây khó khoăn khác: hạtnhựa kích thướt nhỏ làm tăng trở lực của cột, nhựa có độ liên kết ngang thấp thì độtrương nở lớn làm giảm hiệu suất sử dụng thể tích của cột, dễ tạo ra rãnh trống và dunglượng trao đổi tính theo thể tích thấp Nhựa có dung lượng thấp gây ra sự chuyển độngnhanh của dải nồng độ Nhiệt độ cao làm giảm tính chọn lọc của nhựa và có thể thúcđẩy các phản ứng hoá học không mong muốn

Cấu trúc hình học của cột trao đổi cũng ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình trao đổiion trong cột Cột trao đổi có chiều cao lớn (cùng tiết diện) làm tăng dung lượng độngcũng như dung lượng tĩnh Nếu điều kiện cân bằng là thuận lợi (B chọn lọc hơn A) và

dải nồng độ ở trạng thái ổn định thì cả hai dung lượng tăng khi chiều cao của cột tăng.Hiệu suất sử dụng cột tăng và sẽ đạt tới giá trị gần 100% Trong trường hợp cân bằngtrao đổi không thuận lợi (A chọn lọc lớn hơn B) thì cột càng dài bề rộng dải nồng độcũng tăng, bởi vậy cột cao đến quá một mức độ nào đó không cải thiện được hiệu suất

sử dụng cột Độ dài của cột tăng dẫn đến lượng nhựa sử dụng lớn và tổn thất áp lựclớn Một yếu tố ảnh hưởng khác là tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính của cột Tỷ lệnày lớn (cùng thể tích và cùng tốc độ dòng) làm tăng hiệu quả sử dụng cột nếu cânbằng trao đổi là thuận lợi và ít ảnh hưởng nếu cân bằng trao đổi là không thuận lợi.Yếu điểm của nó là tổn hao áp lực lớn Mặc khác nếu đường kính (tiết diện) của cộtquá nhỏ sẽ gây xáo trộn dòng do phân bố khó điều

Một số yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng cột như việc bố trítầng chất trao đổi ion, các vấn đề thuỷ động lực Bố trí một tầng hạt cũng là yếu tố ảnhhưởng đến hiệu quả sử dụng cột

* Như vậy để đạt hiệu quả sử dụng cột cao cần:

+ Chất trao đổi ion có độ chọn lọc cao với ion cần trao đổi trong dung dịch.+ Hạt nhựa nhỏ và đều

+ Nhựa có dung lượng trao đổi tính theo thể tích lớn

+ Nhựa có độ liên kết ngang thấp

+ Nhiệt độ cao

+ Tốc độ dòng chảy nhỏ

+ Nồng độ ion trao đổi trong dung dịch nhỏ

+ Chiều cao cột và tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính của cột lớn

Tuy nhiên các hiệu ứng trên mang lại một số hiệu quả trái chiều

2.5.3 Tính toán thiết kế cột trao đổi ion[13]

Khi thiết kế một cột trao đổi ion cần tính toán được các thông số sau

+ Thể tích của tầng chất trao đổi ion

+ Chu kỳ hoạt động của nhựa trao đổi, tức là thời gian hoạt động của cột đếnkhi nó hết khả năng trao đổi

+ Tốc độ dòng chảy qua cột

+ Lượng chất tái sinh và chế độ tái sinh

+ Tính toán kích thướt cột trao đổi

─ Chọn loại nhựa và dung lượng trao đổi

Nhựa trao đổi có nhiều dạng, dung lượng trao đổi của nó được các nhà sản xuấtđánh giá và công bố Do cột trao đổi hoạt động chủ yếu sau những lần tái sinh nên

dung lượng hoạt động của nó khó đạt được giá trị ghi trong các nhãn hàng hoá mà phụthuộc vào chế độ tái sinh, tái sinh kỹ sẽ tăng được dung lượng hoạt động nhưng haonhiều chất tái sinh, vì vậy người ta chọn một chế độ tái sinh vừa phải, hài hoà giữa haiyếu tố đó Với cationit mạnh dung lượng hoạt động nằm trong khoảng 0.9 - 1.4 đl/l,anionit mạnh có dung lượng hoạt động trong khoảng 0.4 - 0.8 đl/l.

─ Thể tích tầng chất trao đổi ion

Thể tích tầng chất trao đổi ion phụ thuộc vào tốc độ trao đổi, tốc độ lớn cần thể tíchtầng nhựa nhỏ và ngược lại Thể tích tầng nhựa tính toán dựa trên đặc trưng thời gian tiếpxúc theo tầng rỗng tR (empty bed contact time):

Giá trị tR thiết kế thường nằm trong khoảng 1,5 - 1,7 phút Giá trị dòng chảy vF

(hay BV) là giá trị nghịch đảo của tR

R R

Q

v  1 (2.26)Tốc độ vF có thể tính theo m3.m-3.h-1 hay nghịch đảo của thời gian h-1 Với đơn vị

h-1 thì được hiểu là trong một giờ thể tích lượng nước chảy qua cột gấp bao nhiêu lầnthể tích của tầng nhựa vF thường được thiết kế với giá trị từ

8 – 40 m3.m-3.h-1

─ Chu kỳ hoạt động

Muốn tính được chu kỳ hoạt động cần phải biết được đương lượng ion trao đổi trongdung dịch, dung lượng hoạt động của nhựa, tốc độ thể tích của dòng và thể tích tầng nhựa

Từ mối quan hệ:

aR V R Q.t.aS (2.27)

Trong đó: aR là dung lượng động (đl/l) của nhựa,

VR là thể tích tầng nhựa (l),

Q là tốc độ thể tích (m3.h-1), t là thời gian hoạt động (h),

aS là đương lượng ion trao đổi trong dung dịch (đl/l), ta có:

S

R

.

a Q

V a