Tiểu luận quá trình công nghệ môi trường quá trình trao đổi ion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG & BẢO HỘ LAO ĐỘNG Quá Trình Công Nghệ Môi Trường CHUYÊN ĐỀ Quá Trình Trao Đổi Ion GVHD: TS Phạm Anh Đức Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Huỳnh Thảo Uyên Trần Quốc Việt Hồng Văn Từ 91002262 91202266 91202259 Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 11 năm 2014 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION 1.1 Định nghĩa 1.2 Cơ Sở Phương Pháp Trao đổi ion 1.3.Vật liệu trao đổi ion .5 1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên 1.3.1.1.Sản phẩm hữu tự nhiên 1.3.1.2 Sản phẩm vô tự nhiên .8 1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi ion 1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo 1.3.3.1 Ion trao đổi hữu nhân tạo 1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô nhân tạo 14 1.4 Nhựa trao đổi ion 18 1.4.1 Về cấu tạo .19 1.4.2 Tính chất vật lý 20 1.4.3 Tính chất hoá học 22 1.4.4 Phân loại 24 1.4.4.1 Trao đổi cation .25 1.4.4.2 Trao đổi anion 27 1.4.5 Điều kiện sử dụng nhựa trao đổi ion 30 CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION 30 2.1 Thứ tự trao đổi số cation thông thường .32 2.2 Cơ chế 32 2.3 Cân trao đổi ion 36 2.4 Thiết kế cột trao đổi ion .37 CHƯƠNG 3: TÁI SINH 41 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG .41 4.1 Làm mềm nước cứng 45 4.2 Khử khoáng 49 4.3 Ứng dụng khác .53 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHÃO 57 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION 1.1 Định nghĩa 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 zeolit vô hữu sản xuất nhựa tổng hợp Các loại nhựa tổng hợp hữu loại chủ yếu sử dụng ngày hôm đặc tính chúng thiết kế cho ứng dụng cụ thểtrong 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 trình Nó có ích đặc biệt tổng hợp hóa học, nghiên cứu y học, chế biến thực phẩm, khai khoáng, nông nghiệp nhiều lĩnh vực khác Trao đổi ion chất không tan nước trao đổi số ion ion tích điện tương tự chứa môi trường mà tiếp xúc; định nghĩa tất bao quát Đề cập đến "chất" hợp chất bao gồm nhiều trao đổi, số số sản phẩm tự nhiên mà thành phần xác định rõ Thuật ngữ "trung bình" thừa nhận trao đổi ion xảy hai dung dịch dung dịch nước nonaqueous, muối nóng chảy, chí tiếp xúc với Định nghĩa không giới hạn chất rắn, số dung môi hữu trộn lộn với nước tách ion từ dung dịch nước chế trao đổi ion Định nghĩa trình trao đổi ion Về bao gồm tiếp xúc trao đổi môi trường, việc trao đổi diễn Đây thường trao đổi ion rắn dung dịch nước Thực tế ion trao đổi có nghĩa trao đổi phải ion hóa, số ion trao đổi hòa tan Đó ion trao đổi, người kia, không hòa tan, không làm Các tiện ích trao đổi ion thuộc khả sử dụng tái sử dụng vật liệu trao đổi ion Ví dụ, làm mềm nước: 2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2na+ Trao đổi ion R dạng ion natri trao đổi canxi đó, để loại bỏ canxi từ nước cứng thay số lượng tương đương với natri Sau đó, nhựa canxi điều chỉnh dung dịch natri clorua, phục hồi trở lại mẫu natri, đó, sẵn sàng cho chu kỳ Các phản ứng tái sinh đảo ngược; trao đổi ion không thay đổi vĩnh viễn Hàng triệu lít nước làm mềm mét khối nhựa suốt thời gian hoạt động nhiều năm Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường sử dụng để khử muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại ion kim loại nặng ion kim loại khác có nước Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion sử dụng để loại khỏi nước kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,…), hợp chất asen, photpho, xianua chất phóng xạ Phương pháp cho phép thu hồi chất có giá trị với độ làm nước cao Trao đổi ion xảy loạt chất sử dụng sở công nghiệp từ khoảng năm 1910 với việc giới thiệu sử dụng làm mềm nước tự nhiên sau tổng hợp zeolit Than gỗ hoạt tính, phát triển để xử lý nước công nghiệp, nguyên liệu trao đổi ion ổn định mức pH thấp Sự đời nhựa trao đổi ion hữu tổng hợp vào năm 1935 kết tổng hợp sản phẩm ngưng tụ phenolic có chứa hai nhóm sulfonic amin sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược cation anion • Ưu điểm: - Rất triệt để xử lí có chọn lựa đối tượng - Nhựa ion có thời gian sử dụng lâu dài, tái sinh nhiều lần với chi phí thấp, lượng tiêu tốn nhỏ - Phương pháp xử lý nước thân thiện với môi trường hấp thu chất sẵn có nước • Hạn chế : - Nếu nước tồn hợp chất hữu hay ion Fe 3+, chúng bám dính vào hạt nhựa ion, làm giảm khả trao đổi ion nhựa - Chi phí đầu tư vận hành cao nên sử dụng cho công trình lớn thường sử dụng cho trường hợp đòi hỏi xử lý cao • So sánh với hấp thụ: Trao đổi ion giống hấp thụ hai tượng bề mặt, hai trường hợp rắn chiếm chất hòa tan dung dịch Sự khác biệt đặc trưng hai tượng tượng cân hóa học trao đổi ion Mỗi ion loại bỏ khỏi ion dung dịch thay số lượng tương đương có hạt nhựa Trong hấp thụ mặt khác chất tan thường đưa lên bề mặt mà tượng thay 1.2 Cơ Sở Phương Pháp Trao đổi ion Là trình trao đổi ion dựa tương tác hoá học ion pha lỏng ion pha rắn Trao đổi ion trình gồm phản ứng hoá 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 • Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là: - Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành tái sinh liên tục ; - Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành tái sinh gián đoạn Trong trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh phổ biến 1.3.Vật liệu trao đổi ion: Vật liệu trao đổi ion chất không hòa tan có chứa ion mà trao đổi với ion khác dung dịch tiếp xúc với Những trao đổi diễn mà thay đổi vật lý vật liệu trao đổi ion Trao đổi ion dung dịch acid base tạo muối không hòa tan, điều cho phép chúng trao đổi Ngoài có ion mang điện tích dương (trao đổi cation) ion mang điện tích âm (trao đổi anion) trao đổi với ion dấu môi trường lỏng Hình 1: a b ví dụ đặc trưng cho trao đổi ion Các phản ứng xem xét Vật liệu trao đổi cation có chứa nhóm điện tích âm sunfat, carboxylate, phosphate, benzoate, vv cố định vào trục vật chất cho phép thông qua cation từ chối anion, vật liệu trao đổi anion có chứa nhóm mang điện dương nhóm amino, alkyl phosphine , alkyl sulfua , vv cố định vào trục vật liệu cho phép thông qua anion từ chối cation Ngoài có trao đổi lưỡng tính trao đổi cation anion lúc Tuy nhiên, việc trao đổi đồng thời cation anion thực hiệu cột hỗn hợp có chứa hỗn hợp anion nhựa trao đổi cation qua dung dịch xử lý thông qua vật liệu trao đổi ion khác Có cấp khác trao đổi ion gọi trao đổi ion chất tạo phức Nhiều ion chấp nhận cặp electron từ ligand thiết lập kết cộng hóa trị liên kết Tùy thuộc vào số liên kết điều phối, ligand gọi monodentate, bidentate, polydentate Tương tác phối hợp cụ thể Một ví dụ hợp chất phối hợp phối hợp ion kim loại với ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) Hình 2: Sự phối hợp ion kim loại với ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) Cấu trúc hữu nhóm chức thường có chứa nitơ, oxy, nguyên tử lưu huỳnh, yếu tố electron (Hình 3) Hình 3: Các nhóm chức chứa oxy cung cấp electron Nhiều chất tự nhiên protein, cellulose, tế bào sống hạt đất có đặc tính trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trình tự nhiên Vật liệu trao đổi ion tổng hợp dựa vào than đá nhựa phenolic giới thiệu để sử dụng công nghiệp 1930 Một vài năm sau bao gồm nhựa polystyrene với nhóm sulphonate để tạo trao đổi cation nhóm amin để tạo thành trao đổi anion phát triển Hai loại nhựa nhựa thông dụng Sự đời nhựa trao đổi ion hữu tổng hợp vào năm 1935 kết tổng hợp sản phẩm ngưng tụ phenolic có chứa hai nhóm sulfonic amin sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược cation anion Một loạt nhóm chức thêm vào ngưng tụ, bổ sung polyme sử dụng cấu trúc xương sống Độ xốp kích thước hạt kiểm soát điều kiện trùng hợp thống công nghệ sản xuất kích thước hạt Ổn định vật lý hóa học điều chỉnh cải thiện Theo kết tiến bộ, trao đổi vô (khoáng sản, greensand zeolit) gần hoàn toàn thay loại nhựa ngoại trừ số ứng dụng phân tích chuyên ngành Tổng hợp Zeolit sử dụng sàng phân tử • Phân loại vật liệu trao đổi ion Hình 4: phân loại vật liệu trao đổi ion Gồm có loại : - Vật liệu trao đổi ion tự nhiên: vật liệu trao đổi ion hữu tự nhiên, vật liệu trao đổi ion vô tự nhiên - Vật liệu trao đổi ion biến đổi tự nhiên - Vật liệu trao đổi ion nhân tạo: vật liệu trao đổi ion hữu nhân tạo, vật liệu trao đổi ion vô nhân tạo 1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên 1.3.1.1.Sản phẩm hữu tự nhiên Một số vật liệu hữu tự nhiên có tính chất trao đổi ion trao cho cách xử lý hóa học đơn giản Tế bào thực vật động vật hoạt động trao đổi ion nhờ diện nhóm carboxyl protein lưỡng tính Những nhóm carboxyl, (-CO2H), nhóm phenolic, (-OH), yếu tính axit trao đổi ion hydro cho cation khác điều kiện trung tính kiềm Các humins axit humic tìm thấy tự nhiên đất "mùn" ví dụ trao đổi lớp này; sản phẩm thực vật phần bị hư hỏng bị oxy hóa chứa nhóm axit Một số sản phẩm hữu bán thị trường dựa xử lý cellulose, dạng sợi để sử dụng cột trao đổi ion giấy lọc cho phân ly trao đổi ion giấy Nhiều trao đổi ion làm từ vật liệu tự nhiên khác gỗ, sợi, than bùn than trình oxy hóa với axit nitric tốt nữa, với axít sulfuric đậm đặc nhóm axit mạnh sulphonic acid, (-SO3H) đưa vào vật liệu Quá trình thứ hai đặc biệt thành công với than sulfonat hóa Đây trao đổi dung dịch axit, nhóm trao đổi bị ion hóa điều kiện này, nhóm carboxylic phenolic yếu không Tất tài liệu có nhược điểm định; Tuy nhiên, có xu hướng màu sắc có giải pháp xử lý, thuộc tính khó khăn để tái tạo khó khăn việc kiểm soát xử lý mà đưa 1.3.1.2 Sản phẩm vô tự nhiên Nhiều hợp chất khoáng thiên nhiên, chẳng hạn đất sét (ví dụ, bentonite, kaolinite, illit), cát, zeolit (ví dụ, analcite, chabazite, sodalite, clinoptilolite) thuộc tính trao đổi ion triển lãm Zeolit tự nhiên vật liệu sử dụng trình trao đổi ion Vật liệu đất sét thường sử dụng làm vật liệu lấp đệm vật liệu cho nơi xử lý chất thải phóng xạ tính chất trao đổi ion nó, độ thẩm thấu thấp, dễ tính khả thi Đất sét sử dụng hàng loạt trình trao đổi ion thường không phù hợp với hoạt động cột tính chất vật lý hạn chế dòng chảy thông qua cột 1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi Ion Để cải thiện khả trao đổi chọn lọc, số trao đổi ion hữu tự nhiên thay đổi; ví dụ, cellulose dựa trao đổi cation thay đổi thành phosphate, carbonic, nhóm chức có tính axit khác Các thông số hấp thụ vật liệu tự nhiên sửa đổi chất hóa học xử lý nhiệt; ví dụ, cách xử lý clinoptilolite với dung dịch loãng axit số muối, hình thức có chọn lọc chất hấp thụ phát triển thành hạt nhân phóng xạ đặc biệt Tại Nhật Bản khoáng chất tự nhiên xử lý dung dịch kiềm điều kiện thủy nhiệt đưa cho hấp thụ cesium strontium từ dung dịch Những phương pháp điều trị cung cấp tài liệu với hệ số phân phối 1000 đến 10000 Kết tốt báo cáo từ việc loại bỏ cesium strontium thay đổi đất sét neoline với acid phosphoric 1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo 1.3.3.1 Ion trao đổi hữu nhân tạo Năm 1935, hai nhà hóa học Adams Holmes Phòng thí nghiệm hóa học quốc gia Teddington, chứng minh nhiều loại nhựa trao đổi ion hữu tổng hợp cách tương tự loại nhựa xác định "Bakelite", chuẩn bị Baekeland vào năm 1909 "Bakelite" khó khăn, không hòa tan nhựa polymer ngưng tụ dễ dàng thực cách nung nóng phenol formaldehyde, diện axit base với việc loại bỏ nước Về phản ứng xảy hai giai đoạn Hình 5: Cơ chế hình thành Bakelite Việc lặp lại phản ứng thấm nước tạo cấu trúc ba chiều có chứa -OH phenol axit yếu OR nhóm (hình 6) Hình 6: polymer Cross-liên kết phenol formaldehyde Adams Holmes trao đổi ion hydro dung dịch kiềm; họ chuẩn bị trao đổi cation làm việc dung dịch axit cách đưa nhóm axit sulphonic axit mạnh, -SO 3H, vào cấu trúc Điều thực cách sulphonation sản phẩm cuối cách sử dụng nguyên liệu đầu phenol mà axit phenolsulphonic, nhóm axit sulphonic diện Bằng sửa đổi phù hợp tổng hợp họ, họ giới thiệu nhóm xuất phát từ amin để chuẩn bị trao đổi anion tổng hợp Lần đầu 10 Hình 21: Các thiết bị trao đổi ion trình tái sinh • Quy trình tái sinh Khi tái sinh không hiệu quả, cột thường lấp đầy với chất lơ lửng Điều nhấn mạnh tầm quan trọng quy trình đẩy ngược phải thích hợp Trong trình rửa ngược, cột trao đổi cation nên mở rộng 50%, cột trao đổi anion nên mở rộng 75% Cột mở rộng phụ thuộc vào nhiệt độ nước rửa ngược, tỷ lệ đẩy ngược mật độ thiết bị trao đổi ion Hình cho thấy đặc điểm mở rộng điển hình loại nhựa cation anion Khả vật liệu trao đổi ion thay đổi tùy theo số lượng nồng độ tái sinh hóa học sử dụng thời gian điểm tiếp xúc hóa chất trao đổi Lựa chọn mức độ liều lượng tối ưu phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng nước hoàn thành yêu cầu, xem xét yếu tố kinh tế hoạt động 42 Hình 22 Hình 23 Đặc điểm mở rộng cột trao đổi 43 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG Nhựa có nhiều ứng dụng phòng thí nghiệm hóa học nơi linh hoạt bị hạn chế cân nhắc mặc kinh tế Chúng sử dụng để loại bỏ ion can thiệp trình phân tích, tích lũy số lượng dấu vết ion từ giải pháp pha loãng sau họ tập trung vào lượng nhỏ cách rửa giải Một nhựa cation dạng hydro sử dụng để xác định tổng nồng độ ion hỗn hợp muối Các mẫu qua cột chuyển đổi với số lượng tương đương axit nồng độ dễ dàng xác định cách chuẩn độ Một ứng dụng trao đổi ion tách biệt nguyên tố đất năm 1940 Những kim loại có tự nhiên hỗn hợp có tính chất hóa học gần giống hệt Các hệ số cân cho nhựa cation tìm thấy thay đổi đủ để tách phải đạt sắc ký cách thêm dung dịch hỗn hợp vào cột nhựa tẩy rửa kim loại với rửa axit Điều dẫn công việc phát prometi (phần 61) sau phát năm yếu tố chuỗi actinide 4.1 Làm mềm nước cứng: Sodium zeolite mềm việc sử dụng ứng dụng rộng rãi trao đổi ion Trong làm mềm zeolite, nước có chứa ion cứng, chẳng hạn canxi magiê, qua cột nhựa có chứa nhựa SAC dạng natri Trong nhựa, ion độ cứng trao đổi với natri, natri khuếch tán vào dung dịch nước với số lượng lớn Các nước cứng miễn phí, gọi nước mềm, sau sử dụng cho thấp đến trung bình áp lực nước cấp lò hơi, hệ thống thẩm thấu ngược trang điểm, số trình hóa học, ứng dụng thương mại, chẳng hạn giặt ủi • Nguyên tắc làm mềm Zeolite: Việc loại bỏ độ cứng từ nước trình zeolit làm mềm mô tả phản ứng sau đây: Nước từ chất làm mềm zeolite hoạt động gần miễn phí từ độ cứng phát hiện.Làm loại bỏ hết, số lượng nhỏ độ cứng, gọi rò rỉ, có mặt nước xử lý Mức độ cứng rò rỉ phụ thuộc vào độ cứng mức độ natri nước chảy đến lượng muối sử dụng để tái sinh 44 Hình 24 Sơ đồ điển hình làm mềm nước thải natri zeolite Sau rửa cuối cùng, làm mềm đến mức độ gần làm thấp độ cứng, nhựa trao đổi ion gần tới kiệt sức Tại kiệt sức, độ cứng nước thải tăng mạnh, việc tái sinh yêu cầu Như minh họa phản ứng làm mềm, nhựa SAC sẵn sàng trao đổi ion canxi magiê trao đổi với ion natri Khi cạn kiệt nhựa tái sinh, nồng độ cao ion natri áp dụng cho nhựa để thay canxi magiê Nhựa xử lý dung dịch natri clorua 10%, tiền thu tái sinh theo phương trình sau: Sau tái sinh, số dư nhỏ độ cứng nhựa Nếu nhựa cột ứ đọng nước, số độ cứng khuếch tán vào nước với số lượng lớn Vì vậy, thời điểm bắt đầu dòng chảy, nước thải nước từ chất làm mềm zeolite chứa độ cứng tái sinh Sau vài phút dòng chảy, độ cứng rửa từ chất làm mềm, nước xử lý mềm 45 Hình 25: Quá trình làm mếm nước Thời gian chu kỳ dịch vụ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy làm mềm, mức độ cứng nước, lượng muối sử dụng để tái sinh Bảng 81 cho thấy ảnh hưởng mức độ regenerant vào khả làm mềm nhựa cation mạnh gelular Lưu ý lực tăng nhựa liều lượng tăng regenerant, mức tăng không tỷ lệ thuận Sự tái sinh hiệu cấp regenerant cao Do đó, chi phí hoạt động làm mềm tăng tăng mức regenerant Như thể liệu Bảng 1, tăng 150% muối regenerant cung cấp gia tăng 67% công suất hoạt động Bảng Ảnh hưởng độ mặn đến khả làm mềm nhựa cation acid mạnh: 46 • Hoạt động làm mềm nước: Làm mềm natri zeolite hoạt động thông qua hai chu kỳ bản: chu kỳ trao đổi, làm nước mềm để sử dụng, chu kỳ tái sinh, giúp phục hồi khả trao đổi lúc nhựakiệt sức Trong chu kỳ trao đổi, nước chảy vào làm mềm thông qua hệ thống phân phối đầu vào chảy qua cột nhựa Các ion độ cứng khuếch tán vào nhựa trao đổi với ion natri, trở nước với số lượng lớn Nước mềm thu thập hệ thống xả Lưu lượng nước phục vụ cho làm mềm nên thường xuyên tốt để ngăn chặn nước dâng đột ngột hoạt động thường xuyên Do yêu cầu nhựa thiết kế cột, hoạt động làm mềm hiệu tốc độ dòng chảy dịch vụ từ đến 12 gpm/ft² bề mặt nhựa Hầu hết thiết bị thiết kế để hoạt động phạm vi này, số thiết kế đặc biệt sử dụng cột nhựa sâu phép hoạt động 15-20 gpm / ft² Hoạt động liên tục giới hạn đề nghị nhà sản xuất dẫn tới nén chặt cột nhựa, độ cứng rò rỉ Hoạt động tốc độ dòng chảy đề nghị nhà sản xuất ảnh hưởng xấu đến hiệu suất làm mềm Với tốc độ dòng chảy thấp, nước phân bố không đầy đủ, tiếp xúc nhựa nước không đạt tối ưu Khi nhựa không khả làm mềm, nhựa phải tái sinh Giám sát độ cứng nước thải cho biết nhựa hết khả trao đổi Khi độ cứng tăng lên, đơn vị sử dụng hết Thời điểm tái sinh nhựa làm mềm xác định trước kiệt sức, dựa khoảng thời gian định trước số gallon xử lý Hầu hết hệ thống làm mềm bao gồm nhiều chất làm mềm Điều đảm bảo dòng chảy liên tục nước mềm Trước nhựa làm mềm chờ trao đổi ion, đơn vị cần rửa để loại bỏ độ cứng trước tiếp xúc vào nước suốt thời gian trao đổi • Ứng dụng thuận lợi Chất tích tụ nồi hình thành lớp cặn không tan tạo nhu cầu lớn nước làm mềm Bởi chất làm mềm natri zeolite đáp ứng nhu cầu kinh tế, chúng sử dụng rộng rãi việc chuẩn bị nước cho lò áp suất thấp trung bình, giặt là, trình hóa học Sodium zeolit làm mềm cung cấp ưu điểm sau phương pháp làm mềm khác: Nước xử lý có độ cứng thấp zeolit làm mềm làm giảm độ cứng hầu hết nguồn cung cấp nước ppm 47 Hoạt động đơn giản đáng tin cậy; điều khiển tái sinh tự động bán tự động có sẵn với chi phí hợp lý Muối không tốn dễ dàng để xử lý Không có bùn thải sản xuất; thường, xử lý chất thải vấn đề Trong giới hạn định, thay đổi tốc độ dòng nước có ảnh hưởng đến chất lượng nước sau xử lý Vì hoạt động hiệu thu đơn vị hầu hết kích thước, chất làm mềm natri zeolite thích hợp cho việc cài đặt lớn nhỏ • Hạn chế Mặc dù làm mềm natri zeolite giảm độ cứng hòa tan nước, chất rắn, độ kiềm, silica nước không bị ảnh hưởng Làm mềm natri zeolite thay trực tiếp cho chất làm mềm vôi, sôđa Nhà máy thay chất làm mềm họ làm mềm zeolite với mức silica độ kiềm nồi họ Làm mềm natri zeolite không hoạt động hiệu vùng nước đục Tiếp tục hoạt động với độ đục chảy đến vượt 1,0 JTU gây tắc nghẽn cột, thời gian trao đổi không dài, chất lượng nước xử lý nghèo khoáng Nhựa bị hỏng chất gây ô nhiễm kim loại nặng sắt nhôm, mà không loại bỏ trình tái sinh bình thường Nếu dư thừa sắt mangan có mặt việc cung cấp nước, nhựa phải làm định kỳ Bất keo tụ nhôm sử dụng trước làm mềm zeolite, vận hành thiết bị phù hợp kiểm soát chặt chẽ pH lắng cần thiết để thực làm mềm tốt Tác nhân oxy hóa mạnh mẽ công nước thô làm suy giảm nhựa Chlorine, có mặt hầu hết nguồn cung cấp thành phố, chất oxy hóa mạnh mẽ cần loại bỏ trước zeolit làm mềm cách kích hoạt lọc carbon phản ứng với sodium sulfite 4.2 Khử khoáng Làm mềm không đủ cho hầu sử dụng nồi áp suất cao cho nhiều dòng trình, đặc biệt người sử dụng sản xuất thiết bị điện tử Ngoài việc loại bỏ độ cứng, trình đòi hỏi phải loại bỏ tất chất rắn hòa tan, chẳng hạn natri, silica, độ kiềm, anion khoáng sản (Cl, SO ², NO ¯) 48 Khử khoáng nước việc loại bỏ tất muối vô cách trao đổi ion Trong trình này, nhựa cation acid mạnh hình thức chuyển đổi ion hydro hòa tan muối thành axit tương ứng chúng, nhựa anion base mạnh theo hình thức hydroxide loại bỏ axit.Khử khoáng nước tương tự chất lượng để chưng cất với chi phí thấp Khử khoáng với hạt cation hạt anion Về có loại hạt nhựa trao đổi ion hạt nhựa trao đổi cation hạt nhựa trao đổi anion Hạt nhựa trao đổi cation cung cấp Hydrogen (H+ ) ion hay ion tích điện dương khác trao đổi cation tạp chất có nước Nhựa trao đổi anion cung cấp Hydroxyl ( OH- ) ion hay ion mang điện tích âm khác trao đổi anion tạp chất có nước • Nguyên tắc khử khoáng: Một hệ thống khử khoáng bao gồm nhiều cột nhựa trao đổi ion, bao gồm đơn vị axit cation mạnh đơn vị anion base mạnh Các trao đổi nhựa cation hydro cho cation nước thô thể phản ứng sau đây: Một biện pháp tổng nồng độ axit mạnh nước thải cation FMA (Free Mineral Acidity) Nếu trao đổi cation 100% hiệu quả, FMA từ trao đổi với axit nồng độ khoáng lý thuyết (TMA) nước Các FMA thường thấp so với TMA lượng nhỏ natri rò rỉ qua trao đổi cation Lượng natri rò rỉ phụ thuộc vào mức độ tái sinh, tốc độ dòng chảy, tỷ lệ natri để cation khác nước thô Nói chung, natri rò rỉ tăng lên tỷ lệ natri cation tổng mức tăng Một đơn vị trao đổi cation tới gần kiệt sức, FMA nước thải giảm mạnh, trao đổi cần loại bỏ từ dịch vụ Tại thời điểm nhựa nên tái sinh với dung dịch axit, trả vị trí trao đổi mẫu hydro Axit sunfuric thường sử dụng chi phí giá phải sẵn có Tuy nhiên, sử dụng không acid sulfuric gây tắc nghẽn đảo ngược nhựa với calcium sulfate Để ngăn chặn điều xảy ra, axit sunfuric thường cho vào vi trí cao dòng chảy (1 gpm/ft²) nồng độ ban đầu 2% Nồng độ axit dần tăng lên 6-8% để hoàn thành tái sinh Một số thiết kế sử dụng axit clohydric để tái sinh Điều đòi hỏi việc sử dụng vật liệu đặc biệt để thiết kế hệ thống tái sinh Như với đơn vị 49 natri zeolite, dư thừa tái sinh (sulfuric hay axít clohiđric) yêu cầu lên đến ba lần so với liều lý thuyết Để hoàn tất trình khử khoáng, nước từ đơn vị cation chuyển qua nhựa trao đổi anion base mạnh hình thức hydroxit Các trao đổi nhựa ion hydro cho hai loại ion khoáng bị ion hóa cao acid cacbonic silic yếu hơn, hình đây: Các phản ứng cho thấy khử khoáng hoàn toàn loại bỏ cation anion khỏi nước.Trong thực tế, phản ứng trao đổi ion phản ứng cân bằng, số rò rỉ xảy ra.Hầu hết rò rỉ từ đơn vị cation natri Rò rỉ natri chuyển sang sodium hydroxide đơn vị anion Độ pH nước thải hệ thống cation-anion khử khoáng hai cột kiềm Các chất kiềm trao đổi anion gây lượng nhỏ silica rò rỉ Mức độ rò rỉ từ anion phụ thuộc vào chất hóa học nước xử lý liều lượng tái sinh sử dụng Khử khoáng nhựa anion mạnh mẽ loại bỏ silica chất rắn hòa tan khác Silica nước thải độ dẫn điện thông số quan trọng để theo dõi trình khủ khoáng 50 Hình 26: Quá Trình khử khoáng Khi silica tăng đột biến xảy vào cuối qáu trình, mức silica nước xử lý tăng mạnh Thông thường, độ dẫn điện nước giảm giây lát, sau tăng lên nhanh chóng Giảm tạm thời độ dẫn điện dễ dàng giải thích Trong trao đổi bình thường, hầu hết dẫn nước thải mức độ nhỏ sodium hydroxide sản xuất trao đổi anion Khi silica tăng đột biến xảy ra, hydroxit không nữa, natri từ trao đổi cation chuyển thành natri silicat, độ dẫn điện nhiều so với sodium hydroxide Như nhựa anion hết khả trao đổi, ion khoáng tăng có độ dẫn điện lớn 51 Hình 27 Khi kết thúc trình khử khoáng, hạt nhựa phải tái sinh Nếu khử khoáng phép dừng qua trình trao đổi qua điểm dừng, mức silica nước xử lý tăng nước chảy đến, tập trung silica diễn nhựa anion trình trao đổi Mạnh trao đổi anion gốc tái sinh với dung dịch natri hydroxit 4% Như với cation tái sinh, nồng độ tương đối cao ổ đĩa hydroxide phản ứng tái sinh Để cải thiện việc loại bỏ silica khỏi giường nhựa, chất ăn da regenerant thường đun nóng đến 120 ° F nhiệt độ theo quy định nhà sản xuất nhựa Loại bỏ Silica tăng cường cột nhựa 4.3 Ứng dụng khác: • Loại bỏ nitrat: trao đổi ion sử dụng để loại bỏ nitrat từ nước ô nhiễm nitrat Trao đổi nhựa anion sở vững mạnh hoạt động dạng ion clorua (muối tái tạo) sử dụng thành công cho dịch vụ 52 • Xử lý chất thải, phóng xạ:Hệ thống chất thải phóng xạ nhà máy điện hạt nhân bao gồm hệ thống trao đổi ion để loại bỏ số lượng nuclit phóng xạ từ nước thải môi trường Hệ thống sử dụng giường hỗn hợp • Hóa chất chế biến - Xúc tác Kể từ trao đổi nhựa ion rắn, không hòa tan (nhưng phản ứng) axit, bazơ, muối, họ thay chất kiềm, axit chất xúc tác ion kim loại trình thủy phân, đảo ngược, este hóa, ẩm nước, trùng hợp, hydroxy hóa phản ứng epoxidation Các lợi trao đổi nhựa ion làm chất xúc tác dễ dàng tách từ sản phẩm phản ứng, tái sử dụng lặp lặp lại, giảm phản ứng phụ nhu cầu hợp kim đặc biệt niêm mạc thiết bị • Thanh lọc Làm trao đổi ion sử dụng để loại bỏ ô nhiễm axit, kiềm, muối hỗn hợp chất không ion hóa ion hóa hữu hay hữu Ví dụ loại bỏ axit formic từ 50 % giải pháp formaldehyde, loại bỏ amin từ methanol, loại bỏ chất sắt từ hoạt động sản xuất thép, phòng tắm nhúng nhôm tươi sáng loại bỏ sắt axit hydrochloric • Khai thác kim loại, tách tập trung Trong hỗn hợp dung dịch nước dung môi có chứa lượng lớn chất gây ô nhiễm lượng nhỏ chất tan mong muốn, trao đổi nhựa ion sử dụng để cô lập cách chọn lọc tập trung chất tan mong muốn, ví dụ, phục hồi urani dung dịch axit sulfuric ngấm với ion anion sở vững mạnh Nhựa phức cụ thể khác sử dụng để phục hồi kim loại đồng, niken, coban kim loại quý • Khô Trao đổi nhựa ion, trao đổi nhựa cation axit đặc biệt mạnh mẽ trạng thái khô, có tác dụng chất làm khô [10] Trao đổi nhựa ion cho thấy khả lớn chúng chất làm khô trình sấy dung môi kỵ nước, ví dụ, hydrocarbon hydrocacbon clo • Đường ly thân lọc Nhựa trao đổi ion sử dụng phần xi-rô ngô, cao xi-rô fructose corn (HFCS) chế biến xi-rô tinh bột khác Trong chế biến đường mía, loại nhựa thường sử dụng để làm mềm nguồn cấp liệu, phục hồi đường từ mật, decolorization Họ sử dụng việc sản xuất chất làm phi dinh dưỡng sorbitol mannitol Nhựa chất hấp phụ sử dụng bốn trình quan trọng chế biến ngô ngọt: deashing, tách sắc ký glucose fructose, đánh bóng giường hỗn hợp loại bỏ màu sắc Trong deashing, cột nhựa axit cation thường theo sau cột nhựa anion sở Các loại nhựa sử dụng macroporous, cấu trúc xốp lớn chúng cho phép thành phần xi-rô để di chuyển tự vào hạt • Tách sắc ký Tách sắc ký trình sản xuất sử dụng trao đổi nhựa ion để tách thành phần hòa tan từ khác Nó áp dụng ngành công nghiệp đường để tinh chế hợp chất sucrose, glucose, fructose, oligosaccharides, sorbitol mannitol Nó sử dụng để muối riêng biệt từ glycerol tịnh hóa axit amin hữu khác axit Sắc ký công 53 nghiệp sử dụng mô di chuyển (SMB) công nghệ để giảm thiểu sử dụng dung môi, dẫn đến chi phí hoạt động so sánh với sắc ký hàng loạt truyền thống • Dược phẩm lên men: Nhựa trao đổi ion hữu ích cho nguyên liệu làm thuốc vào ứng dụng Trong số trường hợp, trao đổi nhựa ion có ảnh hưởng đến thuốc, ví dụ, Cholestyramine, tảng mạnh mẽ nhựa anion sở sấy khô sử dụng để gắn kết acid mật để giảm cholesterol máu trao đổi nhựa ion sử dụng loạt trình lên men quy trình công nghệ sinh học, chẳng hạn cô lập tinh lysine, streptomycin neomycin kháng sinh tương tự khác • Trong xử lý nước cấp: xử lý nước cứng, xử lý arsen, xử lý nitrat, xử lý silic • Trong xử lý nước thải: xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý số kim loại nặng, xủ lý nước thải công nghiệp, thu hồi chất có giá trị, thu hồi vàng, thu hồi bạc, thu hồi thủy ngân, thu hồi Nicken: 54 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Việc sử dụng trình trao đổi ion hiệu điều hòa nước cấp Việc lựa chọn đắn trình trao đổi ion cụ thể phụ thuộc vào nhu cầu chất lượng nước, thuận tiện hoạt động, cân nhắc kinh tế Để có kết hiệu quả, hệ thống phải lựa chọn cẩn thận, thiết kế, vận hành trì Bởi định phức hợp, kỹ sư trao đổi ion kinh nghiệm nên tư vấn để hỗ trợ việc lựa chọn thiết kế Phương pháp hấp thụ trao đổi ion phương pháp có hiệu kỹ thuật xử lý nước cấp nước công nghệ Các phương pháp cho phép loại bỏ phần lớn chất độc tan nước, dạng hữu hay ion kim loại, chúng kết hợp với phương pháp khác để nâng cao hiệu xử lý 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng tóm tắt: Quá trình công nghệ môi trường – Phạm Anh Đức - Đại học Tôn Đức Thắng, 2012 Remco engineering Water systems and controls Ion Exchange History, Introduction, and Kinetics of Ion Exchange Materials Sanjeev Kumar and Sapna Jain Ion exchange resins; nzic.org.nz/ChemProcesses/water/13D.pdf Dow Liquid Separations DOWEX Ion Exchange Resins Fundamentals of Ion Exchange Ion exchange water treatment; kbkf.kkft.bme.hu/labor/ion_exchange.pdf Removal of Cadmium from Wastewater Using Ion Exchange Resin Amberjet 1200H Columns Y Bai*, B Bartkiewicz Chaper Ion exchange gewater.com/handbook/ext_treatment/ch_8_ionexchange.jsp Ion exchange letters 2( 2009) 1- 14 Inorganic and Composite Ion Exchange Materials and their Applications 10 Ion exchange for dummies Rohm and Haas 11 Regeneration methods for ion exchange units dardel.info/IX/processes/regeneration.html 56 [...]... ion tiếp xúc với một dung dịch chất điện ly, ion trao đổi của dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khác nhau Gỉa sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B Quá trình trao đổi ion diễn ra: -R- A + B → -R- B + AR là mạng polymer chứa nhóm chức Trong trạng thái cân bằng các ion trao đổi A, B có mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion Trao đổi ion là quá. .. thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng 1.4.4 Phân loại Nhựa trao đổi ion được phân loại là trao đổi cation, trong đó có các ion mang điện tích dương di động có sẵn để trao đổi, và trao đổi anion, có trao đổi các ion mang điện tích âm Cả hai nhựa anion và cation được sản xuất từ các polyme hữu cơ cơ bản giống nhau Chúng khác nhau ở nhóm ion hoá gắn liền với mạng hydrocarbon Nhóm... trong trao đổi hình cation (a) và trao đổi anion (b ) (Hình 11) Hình 11: (a) trao đổi cation; (b) trao đổi anion Thứ hai của những phản ứng này cho một muối amoni bậc bốn, được ion hóa mạnh mẽ, và được dễ dàng chuyển đổi để các cơ sở tương ứng Các anion sẵn sàng trao đổi với các anion khác ở tất cả các giá trị pH Các cation là một phần của một chuỗi polymer hòa tan hoặc mạng lưới, do đó trao đổi nói... thống trao đổi ion phổ biến nhất bao gồm cứng và vật liệu trao đổi ion tiếp xúc dung dịch Trao đổi ion giống như bất kỳ quá trình không đồng nhất được thực hiện bằng cách chuyển ion giữa pha rắn và pha lỏng, khuếch tán bên trong vật liệu, và khuếch tán xung quanh vật liệu trao đổi ion được coi là trao đổi ion Bên cạnh hai giai đoạn chính, màng mỏng của dung dịch tại bề mặt của thiết bị trao đổi cần... liệu trao đổi ion Hình thành các màng mỏng là không thể tránh khỏi ngay cả quá trình nghiêm ngặt chỉ làm giảm độ dày của màng mỏng 31 Hình 15: Truyền khối trong quá trình trao đổi ion: vật liệu ban đầu được gắn với counterion A Dung dịch ban đầu chứa counterion B và coion C Trong quá trình này, các ion B được chuyển vào bên trong trao đổi thay thế các ion A Khi chuyển giao giữa hai giai đoạn các ion. .. bằng vận động Hình 15 minh họa đơn giản nhất của khối lượng ion trao đổi tại cột trao đổi ion ion b khuếch tán từ dung dịch thông qua bề mặt các hạt, và các ion a khuếch tán ra khỏi hạt qua bề mặt nhựa vào dung dịch giai đoạn khuếch tán của counterions được gọi là trao đổi ion counterions là các ion trao đổi vận chuyển bằng trao đổi ion counterions có thể tự do di chuyển trong khung làm việc, nhưng chuyển... • Ứng dụng của hạt nhựa trao đổi ion trong xử lý nước, lọc nước: Có 3 cách công nghệ trao đổi ion có thể được sử dụng trong xử lý nước và lọc nước: - Hạt nhựa trao đổi cation một mình được sử dùng để làm mềm nước - Hạt nhựa trao đổi anion một mình có thể được sử dụng để loại bỏ các tạp chất hữu cơ hoặc loại bỏ nitrat - Kết hợp hạt nhựa trao đổi cation và hạt nhựa trao đổi anion để loại bỏ hầu như hoàn... chất trao đổi ion Có 2 phuơng pháp biểu thị dung lượng trao đổi Theo thể tích đlg/m3; theo khối lượng mgđl/g Tổng dung lượng trao đổi : chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi Dung lượng trao đổi cân bằng : biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch nào đó đã định ,nên không phải là hằng số Dung lượng trao đổi làm việc : Dung lượng trao. .. nhựa trong cột, cột nhựa trao đổi và các ứng dụng khác Nhựa macroporous là nhựa có độ xốp cao mà cho chúng có lợi thế khi được sử dụng trong quá trình có tiềm năng tắc nghẽn cao 24 1.4.4.1 Trao đổi cation: Vật liệu trao đổi cation được phân loại là axit yếu hoặc axit mạnh tùy thuộc vào loại của nhóm trao đổi Cation trao đổi axit mạnh chứa – SO 3- chức năng, yếu trao đổi cation axit chứa –COO - nhóm... hạt nhựa trao đổi anion để loại bỏ hầu như hoàn toàn tất cả các tập chất ion có trong nước cấp Quá trình này được gọi là quá trình khử ion bằng hạt nhựa trao đổi ion Nước sau khi lọc có chất lượng rất cao 30 CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION 2.1 Thứ tự trao đổi một số cation thông thường: Một danh sách tương ứng dựa trên trao đổi cation: Hg2+ ... chế trao đổi ion Định nghĩa trình trao đổi ion Về bao gồm tiếp xúc trao đổi môi trường, việc trao đổi diễn Đây thường trao đổi ion rắn dung dịch nước Thực tế ion trao đổi có nghĩa trao đổi phải... liệu trao đổi ion: Vật liệu trao đổi ion chất không hòa tan có chứa ion mà trao đổi với ion khác dung dịch tiếp xúc với Những trao đổi diễn mà thay đổi vật lý vật liệu trao đổi ion Trao đổi ion. .. cation hạt anion Về có loại hạt nhựa trao đổi ion hạt nhựa trao đổi cation hạt nhựa trao đổi anion Hạt nhựa trao đổi cation cung cấp Hydrogen (H+ ) ion hay ion tích điện dương khác trao đổi cation