Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường chương 7 ths lê nguyễn kim cương

Mục tiêu TÊN MƠN HỌC: HĨA KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG v Hiểu sở trình trao đổi ion v Vận dụng lựa chọn qui trình xử lý chất thải phương pháp trao đổi ion CHƯƠNG 7: TRAO ĐỔI ION Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương LOGO ThS Nguyễn Văn Phương Chương 7: TRAO ĐỔI ION 7.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION 7.3 CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION 7.4 ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION 7.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN v Chất trao đổi ion thông thường hiểu vật liệu rắn không tan nước, gắn cation hay anion trao đổi Ø Cationit loại trao đổi cation (+) Ø Anionit loại trao đổi anion (-) v Chất trao đổi ion lưỡng tính loại trao đổi ion dương âm v Trao đổi ion thay ion (cation hay anion) từ dung dịch với ion dấu cố định lực tĩnh điện chất rắn không tan b1 v Dung lượng trao đổi ion khả trao đổi tính mol hay đương lượng chất trao đổi đơn vị khối lượng v dung lượng động ≤ dung lượng tĩnh ≤ mật độ nhóm chức Cơ chế trao đổi ion biểu diễn: R- I+ + M+X- ⇌ R- M+ + I+XR+Y- + M+X- ⇌ R+X- + M+Y- v Quá trình trao đổi dựa cạnh tranh lực tương tác tĩnh điện bị ion trao đổi R- R’-SO3-, R’-COO- (đối với cationit) R+ R’–NH3+ (đối với anionit) I+ thường H+; Na+ Y- thường Cl- ; OH- điện tích ion trao đổi v Q trình trao đổi tuân thủ theo qui tắc cân Slide b1 thi nha bebe, 09-Oct-10 7.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION v Chất trao đổi ion để cập dạng rắn không tan nước hầu hết dung mơi hữu v Chứa nhóm chức có khả trao đổi v Các chất trao đổi ion yếu phụ thuộc vào pH v Chất trao đổi ion lưỡng tính khác, vùng pH định chúng thể khả trao đổi anion hay cation, tồn trạng thái trung hòa điểm đẳng điện Bảng 7.1 Cấ u trúc củ a chất trao đổ i ion Dạng chất trao đổi Cationit Anionit Lưỡng tính Mạng chất rắn Vơ cơ, hữu Vơ cơ, hữu Vơ cơ, hữu Điện tích nhóm chức Âm Dương Âm, dương Ion linh động Dương Âm Âm, dương Mã Thiết bị: CATION AXIT MẠNH SYN 07 Cơng dụng: Hạt nhựa trao đổi ion nước Nhóm chức : Sulfonic acid Mạch cao phân tử : Dvb/styrene Hình dạng bên ngồi : Màu vàng, Dạng ion : Na+ Mã Thiết bị: NHỰA CATION 220NA Indion 220Na loại nhựa trao đổi cation gốc axít mạnh, dạng hạt keo, sản xuất từ trình sunfon hoá hợp chất cao phân tử trùng hợp từ polystyrene Công dụng: dùng để làm mềm nước, khử chất nhiễm amơni khử khống Nhóm chức : -SO3- Na+ Dạng ion : Na+ 7.2.1 Vật liệu trao đổi ion vô Mã Thiết bị: NHỰA ANION GS300 Indion GS300 loại nhựa trao đổi anion gốc bazơ mạnh – dạng (tính kiềm mạnh nhất), dạng hạt keo, sản xuất từ polystyrene copolymer với nhóm chức NH4 Cơng dụng: khử anion thiết bị khử khoáng Gốc ion: Cl v Chủ yếu alumosilicat tinh thể, loại zeolit tự nhiên khoáng sét cấu trúc lớp v Dung lượng trao đổi chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit (tỷ lệ SiO4/AlO4), độ sản phẩm, nhìn chung ổn định v Khoáng sét cấu trúc lớp: khả trương nở cao, trình trao đổi ion dễ dàng có độ bên học thấp, kích thước nhỏ khó sử dụng thực tiễn 7.2.2 Vật liệu trao đổi ion than vĐọc tài liệu 7.2.3 Nhựa trao đổi ion v Nhựa trao đổi ion dạng gel, không tan nước cấu trúc mạng không gian ba chiều polyme mạch carbon v Trong mạng polyme có chứa: Ø Các nhóm chức – SO3-, – COO-, – PO3-, – AsO32- cationit Ø Các nhóm : – NH3+, – RNH2+, – NR2H+, -NR3+ (amin bậc 4), amin bậc 3, amin bậc 2, ≡ S+ anionit Mạng polyme có tính kỵ nước, nhóm chức m ạng có tính ưa n ước 7.3 CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION v Liên kết ngang: định độ xốp, trương nở, linh động ion, Độ dẫn điện, Độ bền nhiệt, Độ bền cơ, Độ bền hóa học v Nhóm chức định tính trao đổi thơng qua mật độ nhóm chức chất nhóm chức 7.3.1 Hiện tượng trương nở vVật liệu có khả thu hút dung mơi, vật liệu lớn lên thể tích với mức độ định, tượng trương nở vTrong vật liệu trao đổi ion trương nở q trình có tính cân bằng: ØXu hướng tan thành phần phân cực mang điện tích ØLực co đàn hồi mạng polyme ba chiều v Các hạt nhựa trao đổi ion có tính trương nở mạ ng polymer có cấ u trúc ko gian chiều v Cơ chế trình trương nở : 1) Nhóm chức ion mang điện tích: tạo lớp vỏ hydrat 2) Áp suất thẩm thấu nồng độ bên hạt nhựa bên dung dịch 3) Tương tác đẩy nhóm dấu mạng Các yếu tố ảnh hưởng khả trương nở: v Bản chất dung mơi v Bản chất hóa học nhóm chức v Mật độ nhóm chức v Bản chất ion trao đổi v Mức độ liên kết ngang 7.3.2 Hấp thụ chất tan 7.3.2.1 Hấp thụ chất trung hòa vSự san nước mạng trao đổi với phân tử tan vCó trao đổi hay tạo phức với ion trao đổi vTương tác lưỡng cực phân tử với với nhóm phân cực chất tan vKích thước phân tử lớn dễ hấp phụ 7.3.2.2 Hấp thụ chất điện ly mạnh v Một lượng nhỏ ion khuếch tán ban đầu tạo nên khác biệt điện hai pha – Donnan 7.3.3 Cân trao đổi ion v Cân trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng thực tiễn mặt lý thuyết, khảo sát kỹ từ tượng trao đổi ion nhận biết 7.3.3.1 Đẳng nhiệt trao đổi ion, hệ số tách, hệ số chọn lọc v Đẳng nhiệt trao đổi ion đại lượng đặc trưng mô tả cân trao đổi ion hệ v Hệ số tách α BA = v Hệ số chọn lọc phụ thuộc vào loạt yếu tố: mức độ liên kết ngang nhựa, hóa trị ion trao đổi, nồng độ ion dung dịch m A mB C A CB x A x B = = mB m A C B C A xB x A Độ chọn lọc trao đổi ion Độ chọn lọc trao đổi ion cao với ion trao đổi : § Có hóa trị cao § Có lớp vỏ hydrat nhỏ § Có độ phân cực lớn § Tương tác mạnh với nhóm chức mang điện với mạng polyme § Ít tạo kết tủa tạo phức bền với ion kèm dung dịch Độ chọn lọc trao đổi tăng cường với nhựa có độ liên kết ngang cao với độ loãng dung dịch, với ion gây độ trương nở thấp 7.3.4 Chất trao đổi ion có cấu trúc đặc biệt v Đối với chất trao đổi ion có nhiều loại nhóm chức: v Xét cationit chứa hai loại nhóm chức: carboxylic sulfonic v Zeolit họ chất trao đổi ion 7.3.5 Hệ chứa nhiều ion trao đổi 7.3.6 Cân trao đổi hệ chứa tác nhân tạo phức v Khi tiếp xúc chất trao đổi ion với hỗn hợp ion trao đổi, tốc độ trao đổi ion khác nồng độ ion dung dịch nhựa đạt giá trị cực đại hay cực tiểu trước đạt tới trạng thái cân v Cân trao đổi cân hấp phụ bị tác động mạnh trình tạo phức chất thành phần có mặt hệ: ion trao đổi, ion kèm, phân tử trung hịa Tạo phức có ảnh hưởng đáng kể đến tính trao đổi chọn lọc hệ 7.3.6.1 Cân trao đổi cation có mặt anion tạo phức 7.3.6.2 Cân trao đổi anion có mặt anion tạo phức v Khi nồng độ anion tạo phức thấp, tạo phức phức hình thành có số phối trí nhỏ, tính chất trao đổi ion hệ không khác nhiều so với trạng thái cân trao đổi thông dụng v Khi nồng độ thấp khả tạo phức thấp tạo phức có số phối trí nhỏ mang điện tích dương v Khi nồng độ anion tạo phức cao, q trình tạo phức phức có số phối trí cao diễn thuận lợi, tính chọn lọc trao đổi cationit giảm cation v Tăng dần nồng độ chất điện ly trợ giúp dẫn đến khả hấp thu cationit phức trung hòa 7.3.7 Trao đổi phối tử 7.3.8 Phản ứng với vật liệu có độ tan thấp v Chất trao đổi phối tử (Chất trao đổi ion chứa ion kim loại tạo phức chất) có ưu kết hợp dung lượng hấp thu cao với độ chọn lọc cao phối tử v Chất trao đổi ion có khả hịa tan số chất rắn có độ tan thấp CaCO3, PbSO4, AgCl 7.4 ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION 7.4.1 Cơ chế trao đổi ion Đối tượng nghiên cứu động học trao đổi ion gồm: v Từ hạt nhựa ion A khuếch tán dung dịch, ion B khuếch tán từ dung v Cơ chế trình trao đổi dịch vào hạt nhựa trao đổi Quá trình khuếch tán ngược chiều ion A B gọi trao v Giai đoạn định tốc độ trình v Phương trình mơ tả tốc độ trao đổi v Khả dự đoán tốc độ trao đổi ion mặt lý thuyết đổi ion v Mỗi ion trao đổi rời khỏi hạt nhựa phải thay ion tương đương điện tích từ ngồi dung dịch vào 7.4.2 Giai đoạn định tốc độ Các trình động học trao đổi ion bao gồm: 1) Khuếch tán ion trao đổi dung dịch đến sát lớp màng bao quanh hạt trao đổi ion (khuếch tán ngoài) 2) v Tốc độ trao đổi ion định trình chậm v Tốc độ khuếch tán hạt hay xung quanh màng thường khống chế tốc độ trao đổi ion Khuếch tán qua màng 3) Khuếch tán bên hạt nhựa tới trung tâm trao đổi 4) Phản ứng trao đổi ion 10 ... hưởng khả trương nở: v Bản chất dung môi v Bản chất hóa học nhóm chức v Mật độ nhóm chức v Bản chất ion trao đổi v Mức độ liên kết ngang 7. 3.2 Hấp thụ chất tan 7. 3.2.1 Hấp thụ chất trung hòa vSự... khả hấp thu cationit phức trung hòa 7. 3 .7 Trao đổi phối tử 7. 3.8 Phản ứng với vật liệu có độ tan thấp v Chất trao đổi phối tử (Chất trao đổi ion chứa ion kim loại tạo phức chất) có ưu kết hợp... chức m ạng có tính ưa n ước 7. 3 CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION v Liên kết ngang: định độ xốp, trương nở, linh động ion, Độ dẫn điện, Độ bền nhiệt, Độ bền cơ, Độ bền hóa học v Nhóm chức định tính