ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VAI TRÒ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM - - MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG, BÁNH, KẸO ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VAI TRỊ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ TRONG CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2022 BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM - - BÁO CÁO TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG, BÁNH, KẸO ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VAI TRỊ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ TRONG CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH GVHD : Trần Thị Cúc Phương Nhóm: Sinh viên thực hiện: Đỗ Kinh Kha – 2005208314 Đỗ Huỳnh Gia Khang – 2005202056 Nguyễn Đình Tân – 2005208587 Nguyễn Thị Kim Hoa – 2005202040 Huỳnh Bảo Kim – 2005201351 TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2022 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên cho nhóm đề tài xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu toàn thể quý thầy cô Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM, Quý thầy cô Khoa Công Nghệ Thực Phẩm với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Và học kỳ Khoa tổ chức cho chúng em tiếp cận với mơn học hữu ích sinh viên Đó mơn học “Cơng nghệ sản xuất đường, bánh, kẹo” Nhóm đề tài chúng em gửi lời cám ơn chân thành đến GV Trần Thị Cúc Phương tận tâm hướng dẫn chúng em qua buổi học, buổi thảo luận bổ ích kiến thức cần thiết mà Cô mang đến cho mơn học Nhóm đề tài xin cảm ơn bạn bè, anh chị tận tình bảo, giúp đỡ q trình hồn thành tiểu luận, tạo cho chúng em hiểu thêm kiến thức Đề tài tiểu luận nhóm chúng em tìm hiểu “Tìm hiểu vai trị chất trao đổi ion ứng dụng cơng nghệ làm sạch” Do kiến thức hạn chế nhiều bỡ ngỡ, khơng tránh khỏi thiếu xót điều chắn Vì thế, có thiếu xót mong q Thầy Cơ bạn bỏ qua Nhóm đề tài mong nhận ý kiến đóng góp quý báu Cô bạn để tiểu luận hồn thiện Lời cuối cùng, chúng em xin kính chúc có thật nhiều sức khỏe, thành công việc hạnh phúc Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.1 Khái niệm phân loại .4 1.2 Ưu nhược điểm phương pháp trao đổi ion 1.3 Tính chất chế hoạt động 2.1 Phương pháp thứ 2.2 Phương pháp thứ hai KẾT LUẬN 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO .20 PHÂN CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 21 MỞ ĐẦU Trao đổi ion phản ứng hóa học thuận nghịch có ion (một nguyên tử hay phân tử bị electron có điện tích) từ dung dịch trao đổi cho ion tích điện tương tự gắn liền với hạt rắn bất động Những hạt trao đổi ion vững tự nhiên zeolite vô hữu sản xuất nhựa tổng hợp Các loại nhựa tổng hợp hữu loại chủ yếu sử dụng ngày hơm đặc tính chúng thiết kế cho ứng dụng cụ thể khơng có thay đổi vĩnh viễn cấu trúc chất rắn.Việc trao đổi phải có cấu trúc mạng mở, hữu vô cơ, mang theo ion cho phép ion qua Trao đổi ion sử dụng điều trị cung cấp phương pháp tách nhiều q trình Nó có ích đặc biệt tổng hợp hóa học, nghiên cứu y học, chế biến thực phẩm, khai khống, nơng nghiệp nhiều lĩnh vực khác Bài tiểu luận tham khảo, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Do kiến thức hạn hẹp, tiểu luận nhóm khơng tránh khỏi thiếu sót Mong góp ý để nhóm hồn thiện Chúng em chân thành cảm ơn! KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI ION 1.1 Khái niệm phân loại - Chất trao đổi ion hợp chất cao phân tử, không tan nước, có khả giải phóng ion trao đổi ion với ion khác có dung dịch Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh yếu trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh yếu 1.2 Ưu nhược điểm phương pháp trao đổi ion - Trong trình xử lý nước thải, phương pháp ứng dụng phổ biến  Ưu điểm  Thân thiện với môi trường  Không sử dụng hóa chất để xử lý nước thải  Mang lại chất lượng nước đầu hợp tiêu chuẩn trước thải môi trường  Nhược điểm  Về vấn đề chi phí đầu tư vận hành tương đối cao Vì cơng trình lớn sử dụng phương pháp 1.3 Tính chất chế hoạt động - Có thể biểu diễn trao đổi ion H+ với ion dương dung dịch 2RdH + Ca(HCO3)2 = Rd2Ca + 2H2O + 2CO2 - Ở RdH chất trao đổi ion làm việc với chu kỳ hidro Chất trao đổi ion dương làm việc với chu kỳ khác  Ví dụ : 2RdNa + CaCl2 = Rd2Ca + 2NaCl RdNa Chất trao đổi ion làm việc với chu kỳ Na Qúa trình trao đổi biểu diễn phương trình: 2(Rd2COO-Na+) + CaCl2 →2(RdCOO)-Ca2+ + 2NaCl - Những nhóm họat động tiêu biểu chất trao đổi ion dương:  R-SO3(H) -Nhóm sunfonic  R-COOH -Nhóm cacboxylic  R-OH -Nhóm phenol  H- Đại diện cho ion H+ thay ion dương khác - Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh chứa nhóm SO 3H trao đổi dễ dàng H+ với tất trị số pH Chất trao đổi ion dương có chứa nhóm COOH trao đổi mơi trường trung tính mơi trường kiềm Chất trao đổi ion dương với nhóm hoạt động OH có tính acid yếu cho ion H+ dung dịch kiềm - Chất trao đổi ion âm chứa nhóm hoạt động có tính kiềm, có khả phân ly dung dịch Những nhóm hoạt động tiêu biểu chất trao đổi ion âm là: -NH2 , =NH , ≡N - Những chất trao đổi ion âm kiềm mạnh có khả cho ion pH Cơ chế phản ứng chất trao đổi ion âm chưa biết rõ chất trao đổi ion dương Có thể coi HCl chất bị hấp phụ hai phản ứng sau xảy ra: RNH2 + HCl → RNH3Cl (1) RNH3 + OH- + Cl- →RNH3Cl + H2O (2) - Phản ứng (1) phản ứng hấp phụ Còn phản ứng (2) phản ứng trao đổi - Nhóm ion chất trao đổi có liên quan đến tính chất kiềm acid Chất trao đổi ion tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vào bên , dẫn đến phân ly chất hoạt động : RSO3H → R-SO3- + H+ - SO3- gắn chặt vào lóp lưới chuyển động khơng rời vị trí mình, ngược lại ion H+ chuyển động tự bên hạt trao đổi xoay quanh nó, gắn chặt lực hút tĩnh điện Khi tiếp xúc với dung dịch, chất điện ly xâm nhập vào mạng lưới hạt trao đổi Nếu ion dương chất điện ly có lực lớn ion dương chất trao đổi xảy trao đổi ion Ion H+ chất trao đổi ion, trao đổi với ion dương chất điện ly ion H+ khuếch tán vào dung dịch - Có nhiều giả thuyết giải thích chế q trình trao đổi ion cịn chưa thống nhất.Trong cơng nghệ xử lý nước giả thuyết thích hợp coi chất trao đổi ion vật chất có cấu tạo dạng keo Trên quan điểm đó, người ta cho bề mặt cao phân tử chất trao đổi ion có nhiều lớp điện tích kép giống bề mặt keo Ion lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ phân ra: lớp hấp phụ lớp khuếch tán Lớp ion có tính hoạt động tương đối bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi lớp hấp phụ hay lớp cố định, bao gồm lớp ion bên phận ion ngược dấu - Cạnh lớp hấp thụ, ion có tính hoạt động tương đối lớn, có khả khuếch tán vào dung dịch nên gọi lớp khuếch tán - Khi nhựa trao đối ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, tác dụng sau diễn ra:  Tác dụng trao đổi:  Các ion ngược dấu lớp khuếch tán ion ngựoc dấu khác dung dịch trao đổi vị trí lẫn Nhưng q trình trao đổi ion không giới hạn lớp khuếch tán, quan hệ cân động dung dịch có số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán ,sau trao đổi với ion ngược dấu lớp hấp phụ  Tác dụng nén ép:  Khi nồng độ muối dung dịch tăng lớn ,có thể làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại Từ số ion ngược dấu lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu lớp hấp phụ , Pham vi hoạt động lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất lợi cho trình trao đổi ion Do cần ý nồng độ dung dịch hồn ngun q lớn ,khơng khơng thể nâng cao mà cịn giảm thấp hiệu hoàn nguyên CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION - Các phương pháp trao đổi ion áp dụng phổ biến nay: 2.1 Phương pháp thứ  Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động, vận hành tái sinh liên tục 2.2 Phương pháp thứ hai  Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên, vận hành tái sinh gián đoạn  Trong đó, phương pháp trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh phổ biến  Cần có loại vật chất để làm chất trao đổi ion xử lý vật chất gặp nước Bản thân dùng ion để trao đổi với ion khác dấu nước Nếu chất trao đổi dạng NaR, gặp nước chứa Ca2+ có phản ứng trao đổi sau: 2NaR + Ca => CaR2 + 2Na => Ca2+ Na+  Cuối cùng, Ca2+ bị hấp thụ chất trao đổi ion Chất thành dạng Ca2+, Na+ có chất trao đổi vào nước Ca2+ bị khử VAI TRÒ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION TRONG LÀM SẠCH NƯỚC MÍA  Hiện việc ứng dụng chất trao đổi ion ngành đường phổ biến phong phú, đặc biệt sản xuất đường tinh luyện glucoza tinh thể  Ví dụ : dùng chất trao đổi ion thấp để thay chất không đường có tính tạo mật cao chất có tính tạo mật, làm mếm nước cho vào lị, tách chất điện ly khỏi nước mía  Phương pháp trao đổi ion: Là trình trao đổi ion dựa tương tác hoá học ion pha lỏng ion pha rắn Trao đổi ion q trình gồm phản ứng hố học đổi chỗ (phản ứng ) ion pha lỏng ion pha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp thu nhựa trao đổi dành cho ion pha lỏng nhờ ion pha lỏng dễ dàng chổ ion có khung mang nhựa trao đổi Quá trình phụ thuộc vào loại nhựa trao đổi loại ion khác 3.1 Làm ion nước mía  Chất trao đổi ion tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vào bên dẫn đến phân ly chất hoạt động tiếp xúc với dung dịch, chất điện ly xâm nhập vào mạng lưới hạt trao đổi ion ion chất điện ly có lực lớn ion chất trao đổi xảy trao đổi ion  Chất trao đổi ion dương: H +¿ Rd −¿¿ ¿ + K +¿¿ A −¿→¿ −¿¿ K +¿¿ Rd + H +¿¿ A−¿¿ ( loại K +¿¿ )  Chất trao đổi ion âm: Ra+¿ OH −¿¿ ¿ + H +¿Cl −¿¿ ¿ −¿ ¿ Ra+¿ Cl ¿ → Ra+¿ Cl −¿ ¿ ¿ + H2O ( loại Cl−¿¿)  Quá trình trao đổi ion nước mía xảy sau Trước mía qua cột trao đổi ion dương loại chất ion dương chất không đường nước mía  Trước cho nước mía vào cột ion dương cần làm lạnh khoảng 20OC để ngăn ngừa chuyển hố đường Sau nước mía qua cột ion âm loại acid tự  Chất trao đổi ion qua nhiều lần sử dụng khả trao đổi dần , cần tái sinh lại Có thể dung acid mạnh, ví dụ H S (4-8%) tái sinh chất trao đổi ion dương Nếu lớp trao đổi có nhiều ion Ca2+¿ ¿ trước tái sinh cần cho NaCl qua lớp trao đổi để loại ion Ca 2+¿ ¿  Nếu khơng cho muối NaCl cho H S 4, Ca SO4 kết tủa tạo thành đọng lại bề mặt chất trao đổi  Phản ứng tái sinh chất trao đổi dương : 2( K +¿ R ¿+ H +¿ S 04 ¿ → 2( H +¿ Rd ¿) + K +¿¿ d ¿ −¿ ¿ 2−¿¿ S 04 2−¿ ¿  Tái sinh chất trao đổi ion âm thường dung kiềm mạnh NaOH (2-4 %) Có thể dung NH4OH thay cho NaOH tạo thành NaCl có vị mặn ảnh hưởng đến vị mặn nước mía Dùng NH4OH lượng tái sinh tổn thất nhiều  Phản ứng tái sinh: Ra −¿ ¿ +¿ Cl ¿ + OH −¿¿ → Ra +¿OH −¿¿ ¿ + Na+¿Cl −¿¿ ¿  Chất trao đổi ion sau qua xử lý acid kiềm, rửa nước đưa dung lại Lượng nước dung để rửa gấp lần trạng lượng chất trao đổi ion  Để giảm lượng tổn thất đường chuyển hóa dung chế trao đổi ion hỗn hợp nghịch đảo dung chất trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh để loại ion âm mơi trường trung tính kiềm yếu Cơ chế loại trao đổi biểu thị theo sơ đồ Nước mía Rd- Ra+ Nước mía Ra - Rd + Ra+ Rd- H2O H20 H2O Loại trao đổi thông thường Loại ngịch đảo 10 Loại hỗn hợp  Trong trình tái sinh phải dung lượng NaCl vừa tốn tiền vừa tăng lượng mật cuối Theo nghiên cứu loại 10mg CaO/100g chất khơ lượng mật cuối tăng 0.004%, loại 130mg CaO/100g chất khơ lượng mật cuối tăng 0.05% Mặt khác lượng nước dùng để phun NaCl, để rửa trước sau tái sinh lớn làm tăng tổn thất đường theo nước rửa làm bẩn mơi trường xung quanh(nước thải chứa đường NaCl) Để khắc phục nhược điểm người ta tìm phương pháp tái sinh khơng dung NaCl mà dung mật đường gọi phương pháp Gryllus 3.2 Làm mềm nước mía  Làm mềm nước: nhà máy đường dung chất trao đổi để xử lý nước cho vào lò; trao đổi ion Ca 2+¿ ¿ Mg 2+¿¿bởi Na +¿¿ giải phóng từ chu kỳ Na  Làm mềm nước mía: làm mếm nước mía q trình phức tạp nhiều so với làm mếm nước nước mía có ion háo trị 2, chất hửu ngồi việc loại Ca2+¿ ¿ nước mía Na+¿¿đồng thời trao đổi ion hữu vô dẫn đến hấp phụ chất hữu chất keo 3.3 Thay ion có khả tạo mật lớn ion tạo mật  Thay ion có khả tạo mật lớn ion tạo mật ( phương pháp dùng số nước ngoài) Thường trao đổi ion theo hai quy trình sau: +¿¿  Quy trình Quentin : thiết lập sở trao đổi ion K ion Mg 2+¿¿có khả tạo mật lớn: Mg2+ 2(Rd)- + 2K+→ 2(K+Rd-) + Mg2+ 11  Quy trình Moebes: nước mía qua chất trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh theo chu kỳ CO2 90OC Ở chừng 70% ion âm trao đổi thành cacbonat RaCO3 + (K,Na, Ca)A → Ra(A,CO2) + (K,Na,Ca)(A,CO2)  Sau cho dung dịch qua chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh theo chu kỳ NH4  Phản ứng sau: [(K.Na)CO3 + (K,Na)A] + NH4Rd → NH4(CO3A) + (K,Na)Rd - Muối amoni bị phân ly bới lượng nhỏ Ca2+: NH4(CO3,A) + Ca(OH)2 →NH4OH + CaCO3 + Ca2+2A- Phương pháp loại chừng 50% tro 10% chất chứa nito 3.4 Loại ion Ca2+ nước mía 12  ∞: Đại diện nhóm hoạt động COOH  a: hạt trao đổi với chu kỳ Na  b: hạt sau trao đổi  Dùng chất trao đổi ion loại ion Ca2+¿ ¿ nước mía,đồng thời trao đổi ion hữu vô dẫn đến hấp phụ chất keo chất hữu ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION 4.1 Ứng dụng trình trao đổi ion ngành Công Nghiệp Thực Phẩm 4.1.1 Thu hồi acid citric  Acid citric acid hữu thuộc loại yếu thường tìm thấy loại trái thuộc họ cam quýt Nó chất bảo quản thực phẩm tự nhiên thường thêm vào thức ăn đồ uống để làm vị chua  Acid sử dụng làm chất bảo quản nhiều sản phẩm thực phẩm cơng nghệp Nó sản xuất cách lên men Thanh lọc khử khống trao đổi ion sử dụng nhựa cation tính axit mạnh nhựa anion styrenic bazo yếu phenolic bazo yếu 4.1.2 Trong đồ uống  Một số ứng dụng trao đổi ion sản xuất đồ uống như:  Xử lý nước dùng để làm bia, nước  Khử axit hóa đồ uống  Loại bỏ kim loại  Loại bỏ mùi vị mùi hôi  Loại bỏ màu độ đục chất hấp phụ không ion  Xử lý nước ép trái  Loại bỏ axit nhựa anion bazo yếu 13  Loại bỏ vị đắng từ nước cam nhựa hấp phụ không ion  Loại bỏ màu nhựa hấp phụ 4.1.3 Whey khử khống  Whey khử khống (cịn gọi whey giảm khoáng) thu cách loại bỏ phần khoáng chất khỏi whey tiệt trùng  Whey, sản phẩm phụ sản xuất phô mai, chứa protein có giá trị sử dụng ngành cơng nghiệp thực phẩm Nó khử khống để tăng độ tinh khiết Nguyên tắc giống khử khoáng nước đường Ngồi ra, trao đổi ion cịn ứng dụng phục hồi polyphenol, lysine, khử khoáng sorbitol, khử khoáng gelatin,… 4.2 Ứng dụng trình trao đổi ion nghành Hóa Chất 4.2.1 Sản xuất Clo Xút  Những hóa chất sử dụng cách điện phân nước muối bão hịa Trong q trình sản xuất, vắng mặt kim loại hóa trị II quan trọng Do đó, loại nhựa chelating chọn lọc sử dụng để loại bỏ chúng (chủ yếu canxi) làm giảm nồng độ canxi ban đầu từ 10-20 mg/l xuống mức thấp 4.2.2 Phục hồi loại bỏ kim loại  Trong cửa hàng hồn thiện bề mặt mạ, kim loại phục hồi loại bỏ:  Thu hồi vàng từ đồ trang sức công nghiệp dạng xyanua  Tái chế dòng nước rửa khác cửa hàng mạ  Loại bỏ đồng sắt từ cửa hàng mạ crom  Thu hồi axit cromic cửa hàng mạ  Loại bỏ sắt từ kẽm  Thanh lọc, loại bỏ sắt kẽm dạng phức clorua 14 4.2.3 Loại bỏ Aldehyde  Nhựa trao đổi anion bazơ mạnh dạng bisulfite loại bỏ aldehyde khỏi dung dịch nước khác Các ion bisulfite tạo thành sản phẩm bổ sung với aldehyde Nhựa tái sinh dung dịch natri hydro sunfite 5% 4.3 Ứng dụng trình trao đổi ion xử lý nước 4.3.1 Làm mềm nước  Một loại nhựa trao đổi cation có tính axit mạnh sử dụng dạng Natri Các ion hình thành độ cứng nước Canxi, Magie trao đổi với ion Natri nhựa  Nước làm mềm sử dụng cho số mục đích:  Nước sinh hoạt  Ăn uống  Dệt may nước  Dùng cho nồi công nghiệp áp suất thấp  Giặt ủi  Nhựa sử dụng:  Hạt captain Tulsion T42  Hạt Purolite C100E  Hạt Trilite MC08  Hạt Dow HCR-S  Hạt Akualite C107E  Hạt Jacobi K8 - Chất lượng nước sau xử lý:  Độ cứng lại