Nước ta đã và đang trong thời kỳ đổi mới với những tăng trưởng vượt bậc của nền kinh tế Công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước ngày càng được đẩy mạnh cùng với sự ra đời của của các vùng kinh tế trọng điểm, các khu công nghiệp mới ...điều đó từng bước xoá đi hình ảnh về một đất nước với nền kinh tế nông nghiệp lạc hậu, chậm phát triển. Tuy nhiên, một trong những mặt trái của sự phát triển nhanh chóng về kinh tế là sự gia tăng các vấn đề về ô nhiễm môi trường .
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
Trang 3MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Tính Cấp Thiết Của Đề Tài
Nước ta đã và đang trong thời kỳ đổi mới với những tăng trưởng vượt bậc của nền kinh tế Côngcuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước ngày càng được đẩy mạnh cùng với sự ra đời củacủa các vùng kinh tế trọng điểm, các khu công nghiệp mới điều đó từng bước xoá đi hình ảnh
về một đất nước với nền kinh tế nông nghiệp lạc hậu, chậm phát triển Tuy nhiên, một trongnhững mặt trái của sự phát triển nhanh chóng về kinh tế là sự gia tăng các vấn đề về ô nhiễm môitrường
Đi kèm với những vấn đề ô nhiễm về không khí, chất thải rắn, đất là sự ô nhiễm nghiêm trọngcủa nguồn nước Theo Liên hiệp quốc, hiện nay có hơn 2,6 triệu người trên toàn cầu không đượctiếp xúc với điều kiện vệ sinh cơ bản và gần một tỷ người không được dùng nước sạch Cứ 20giây lại có một trẻ em tử vong vì các bệnh liên quan đến tình trạng thiếu nước sạch và điều kiện
vệ sinh phù hợp Một báo cáo gần đây của Ngân hàng Thế giới ước tính, tới năm 2030, nhu cầu
về nguồn nước của con người sẽ vượt lượng cung tới 40% Nước sạch là nước chúng ta dùngtrong sinh hoạt hằng ngày, và phải không bị ô nhiễm và nhiễm độc… Tuy 70% diện tích Trái Đấtđược bao phủ bởi nước nhưng chỉ có 2,5% nước trên thế giới là nước ngọt, trong khi 97,5% là đạidương Trong đó, 0,3% nước ngọt của thế giới nằm trong các sông, hồ; 30% là nước ngầm, phầncòn lại nằm trên các sông băng, núi băng 70% lượng nước trên thế giới được sử dụng cho nôngnghiệp, 22% cho công nghiệp và 8% phục vụ sinh hoạt
Chính vì nguy cơ thiếu nước sạch dung cho sinh hoạt và ản xuất, con người đã nghĩ ra hàng loạtcác phương pháp nhắm tạo ra nguồn nước mới, cung cấp cho nhu cầu của con người, đi đầu trongcác nghiên cứu nhằm giải quyết vần đề trên là nghiên cứu tách muối ra khỏi nước mặn, nước lợ
Trang 4và tách kim loại nặng có trong nước ngầm để đảm bảo nguồn nước đạt tiêu chuẩn về chất lượngnước dung cho sinh hoạt và ăn uống.
1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu
Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước, tuy nhiên mục tiêu mà nhóm quan tâm nhất là tìm hiểu
về phương pháp Trao Đổi Ion và hiệu quả của nó trong việc xử lý nước mặn cũng như nước bịnhiễm kim lọai nặng
1.3 Nội Dung Và Phạm Vi Nghiên Cứu
− Nội dung:
• Lý thuyết về quá trình trao đổi ion
• Loại bỏ muối ra khỏi nước bằng phương pháp trao đổi ion
• Loại bỏ kim loại nặng trong nước ngầm bằng phương phám trao đổi ion
− Phạm vi: Nước cấp, Nước ngầm
1.4 Phương Pháp Nghiên Cứu
• Tham khảo tài liệu
• Tiến hành thí nghiệm
• Nghiên cứu lý thuyết
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION
2.1 Cơ Sở Của Phương Pháp Trao Đổi Ion
Giới thiệu : Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thảicũng như nước cấp
Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khửcứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng và các ion kim loạikhác có trong nước
Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại(kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,…),các hợp chất của asen,
Trang 5photpho, xianua và các chất phóng xạ Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với
độ làm sạch nước cao
− Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng
− Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được sửdụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao
Cơ sở của phương pháp
Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pharắn.Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các iontrong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổidành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trênkhung mang của nhựa trao đổi Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loạiion khác nhau
Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành vàtái sinh liên tục ; và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và tái sinh gián đoạn.Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến
Hình 1.Cơ chế trao đổi ion
2.2 Vật Liệu Trao Đổi Ion
2.2.1 Phân loại
Vật liệu trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ, chúngđược coi là nguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi được với bên ngoài Trên bề mặt chất rắn tồn
Trang 6tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện của nhóm chức cố định
và của ion linh động có thể trao đổi được cấu trúc chúng có thể mô tả như sau
Bảng 1 Cấu trúc của chất trao đổi ion
Dạng chất trao đổi Mạng chất rắn Điện tích nhóm
Cationit
Anionit
Lưỡng tính
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
ÂmDương
Âm, dương
DươngÂmÂm,dương
Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm pH cao đối với cationit và ở vùng pH thấpđối với anionit nếu không có cả hai nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái không phân li, điệntích tổng hợp của nhóm chức năng bằng không Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pHnhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở trạng thái trung hòa tạiđiểm đẳng điện
Loại cationit
a. Vô cơ :
Tự nhiên : Zeolit, khoáng sét
Tổng hợp: Zeolit tổng hợp, permutit, silicat tổng hợp
b. Hữu cơ :
Tự nhiên : Than bùn,lignin,
Than sulfon hóa
Tổng hợp : Nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản ứng trùng ngưng, polime hóa
Loại anionit
a. Vô cơ
Tự nhiên (dolomit, apatit,hydroxyl apatit)
Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)
b. Hữu cơ : Tổng hợp (nhựa trao đổi ion)
2.2.2 Một số vật liệu trao đổi Ion
• Vật liệu trao đổi ion vô cơ
Chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit tự nhiên vàkhoáng sét cầu trúc lớp
Trang 7Các loại zeolit tự nhiên như annalcite, chabazite, hardmotome, heulandite, natrorolit,clinoptilolite là những đại diện của họ chất này Các loại zeolit này có hệ mao quản khá rộngthuận lợi cho quá trình trao đổi ion Các ion này có thể trao đổi linh động, chuyển dịch khá tự dotrong các hốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+, Ca2+, K+, Mg2+ Dung lượng trao đổi củachúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit (tỷ lệ SiO4/ AlO4), độ sạch của sản phẩm, nhìn chung ít ổnđịnh.
Hình 3: Zeolite
Khoáng sét cấu trúc lớp như montmorilonit, vermiculite cũng có tính năng trao đổi ion Các ionnày nằm giữa các lớp của cấu trúc mạng, quá trình hdro hóa các ion này gây ra tính trương nở củakhoáng sét Dung lượng trao đổi ion của khoáng sét thấp hơn so với zeolit, nằm trong khoảng trêndưới 1 mdl/g
Trang 8Hình 1: Khoáng sét.
Glauconite là khoáng sắt (II) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi được là kali Cấu trúc mạngcủa nó khá chặt chẽ nên quá trình trao đổi ion chỉ diễn ra trên bề mặt bên ngoài Tuy nhiên ởtrạng thái phân tán cao, dạng keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể
Hình 2: Silicate
Do rất nhiều hạn chế, vật liệu trao đổi ion vô cơ ít được sử dụng và được thay thế bởi các loạinhựa tổng hợp
• Vật liệu trao đổi Ion trên than
Rất nhiều loại than có tính năng trao đổi ion Các nhóm chức trên bề mặt than như COOH, OH làcác axit yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp Tuy vậy các vật liệu này dễ bị
Trang 9kiềm phá hủy và có xu hướng peptit hóa Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được “ổn định”thông qua các biện pháp xử lí.
Than non, than lignin có thể xử lí dung dịch muối đồng, muối crôm hay muối nhôm Một số loạithan đá, than có độ cứng nhất định xử lí với xút hay axit clohydic, sản phẩm tạo thành có độ bềnhóa tốt hơn
Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể tạo thành loại cationit bằng cách hoạt hóa với axitsunfuric đặc, “gắn” vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO3, đồng thời tăng cường mật độ nhómcarbonxilic qua quá trình oxy hóa
Quá trình hoạt hóa tỏa nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình trương nở gây ra vỡ vụn, hiệu suấtthu hồi sản phẩm rất thấp Một trong các giải pháp cải thiện tình trạng trên là hoạy hóa hai giaiđoạn: ban đầu với axit loãng và axit đặc
Về một số phương diện than sulfon hóa giống với nhựa trao đổi ion: có các nhóm chức và cấutrúc gel, tuy nhiên có thành phần hóa học không ổn định, độ bền cơ học hóa kém hơn, đặc biệt dễ
bị kiềm phá hủy
Hình 4: Than hoạt tính
2.3 Nhựa Trao Đổi Ion
Là các polyme có khả năng trao đổi ion đặc biệt bên trong polymer với các ion trong dung dịchđược truyền qua chúng Khả năng này cũng được nhìn thấy trong các hệ thống tự nhiên khácnhau như đất và các tế bào sống nhau Vật liệu trao đổi ion tổng hợp được sử dụng phổ biến lànhựa polystyrene với nhóm sulphonate có khả năng trao đổi ion dương và nhóm amine trao đổi
Trang 10ion âm Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu để tinh sạch nước, ngoài ra còn nhiều ứngdụng khác bao gồm việc phân tách các yếu tố lẫn trong dung dịch.
Trang 11Hình 6: nhựa trao đổi ion
2.3.1 Cấu tạo
Trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần Một phần gọi là gốc của chất trao đổiion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính ) Chúng hoá hợp trên cốt caophân tử
Dùng phương pháp tổng hợp hoá học ,người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựatrao đổi ion (resin) Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styrene và divinylbenzen(DVB).Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin DVB là những cầu nối giữa các polyme có tínhkhông hoà tan và giai bền Cầu nối trong Resin là cầu nối 3 chiều Nhựa trao đổi ion không tannhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan hầu hết trong các dung môi
Có 4 loại Resin: Resin Cation acid mạnh, Resin Cation acid yếu , Resin Anion bazơ mạnh, ResinAnion bazơ yếu
• Nhựa cation axit mạnh( R-H hoặc R-Na)
Trao đổi muối trung tính thành axit tương ứng Dung dịch hoàn nguyên là HCl và H2SO4 đối vớiR-H và NaCl đối với R-Na
R-H + NaCl → RNa + HCl
• Nhựa cation axit yếu( R-XH)
Trao đổi muối kiềm thành axit yếu tương ứng nhưng không trao đổi với muối trung tính(NaCl,H2SO4) Nhựa này có nhóm chức cacboxylic và sử dụng HCl hoặc H2SO4 để hoàn nguyên
Ca(HCO3)2 + 2R-H → CaR2 + 2H2CO3
• Nhựa anion kiềm mạnh( R-OH hoặc R-Cl)
Trang 12Chuyển hóa muối trung tính thành bazơ mạnh tương ứng( NaCl, CaSO4) nếu hoạt động theo chutrình hydroxyt Dung dịch hoàn nguyên là NaOH cho OH- và NaCl cho Cl-
SO42- + 2R-OH → R2SO4 + 2OH
-• Nhựa anion kiềm yếu( R-OH)
Trao đổi axit khoáng tự do như HCl, H2SO4 thành nước nhưng không trao đổi với các axitphân ly yếu H2CO3, H2SiO3 Dung dịch hoàn nguyên là NaOH và dung lượng trao đổi khálớn
2.3.3 Tính chất
Vật lý
Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn, dạng xốp đều, dạng bộtmịn và dạng từ tính Nhựa dạng gel là loại được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố đồng đềutrong cả dạng polymer Nhựa bị trương nở trong điều kiện nhất định và chính sự có mặt của nướctrong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polymer
− Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc của nhựa mất hiệulực thường thâm hơn một chút
Hạt nhựa dùng trong xử lý nước thông thường có bề ngoài là các hạt nhựa styrene dạng gel,màu vàng trong suốt; hạt nhựa macroprous không trong suốt (hoặc hơi trong); nhựamacroprous cation styrene màu vàng nhạt hoặc nâu xám nhạt, hạt nhựa macroprous anionstyrene có màu trắng; nhựa acrylic màu trắng hoặc trắng sữa Nhựa macroprous styrene khihình thái ion khác nhau sẽ xảy ra hiện tượng biến đổi màu sắc, ví dụ hạt nhựa 001x7 từ trạngthái tái sinh sang trạng thái hết tác dụng sẽ biến đổi từ màu đậm sang màu nhạt, từ trạng tháihết tác dụng sang trạng thái tái sinh thì màu sắc lại biến đổi từ nhạt sang đậm, quá trình nhưvậy có thể chuyển ngược được
− Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng hình cầu căng và dạng tự do để chống suy thoáivật lý
− Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến đổi lớn
− Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) , hoặc ở dạngướt (độ ẩm ướt)
− Tính chịu nhiệt : các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định , vượt quágiới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50oC
− Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạngion
− Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm
− Tính chịu mài mòn : trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và nở ngót , có khảnăng dể vỡ vụn Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó
Trang 13− Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ)
Hình 7: ảnh minh họa hạt nhựa dạng hình cầu
Hóa học
− Dung lượng trao đổi
Dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chấttrao đổi ion Có 2 phuơng pháp biểu thị dung lượng trao đổi : Theo thể tích đlg/m3; theo khốilượng mgđl/g
− Tổng dung lượng trao đổi ion: 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 iontrong một loại dung dịch nào đó đã định, nó không phải là hằng số
Trang 14− Dung lượng trao đổi làm việc: Dung lượng trao đổi được xác định dưới điều kiện vận hànhthực tế
Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:
Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch Dựa trên tính chất này người ta dùng dung dịchchất hoàn nguyên , thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổicủa nó
Thí dụ : 2HR + Ca 2+ → CaR 2 + 2H +( nhựa trao đổi)CaR 2 + 2H+ →2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)
− Tính acid , kiềm : tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH ,giống chất điện giảiacid, kiềm
− Tính trung hoà và thuỷ phân : tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giốngchất điện giải thông thường
Tính chọn lựa của chất trao đổi ion
Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch , nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trịcủa ion trao đổi tăng
2.3.4 Điều kiện sử dụng nhựa trao đổi Ion
− Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc huyền phù ,chất keo và nhũ màu Sự cómặt các chất này có thể rút ngắn tuổi thọ của nhựa
− Loại bỏ các chất hữu cơ bằng nhựa rất phức tạp ,cần có nghiên cứu đặc biệt
− Sự có mặt của khí hoà tan trong nước với lượng lớn có thể gây nhiễu loạn hoạt động của nhựa
− Các chất oxy hoá mạnh Cl 2,O3,….có thể tác dụng xấu lên nhựa
2.4Thứ Tự Ưu Tiên Khi Trao Đổi Khi Trao Đổi Ion
Đối với nhựa Cationit acid mạnh(SAC) ,
Fe 3+>Al 3+> Ca 2+>Mg 2+ > K+>H+>Li+
Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC)
H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+> Na+>Li+
Trang 15 Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA) và nhựa anionit kiềm yếu (WBA): Ở hàm lượng ion thấp,nhiệt độ bình thường và những ion cùng hoá trị ,khả năng trao đổi tăng khi số điện tử của iontrao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn).Ở hàm lượng ion cao ,khả năng trao đổi của các ion khôngkhác nhau nhiều lắm
2.5Cơ Chế Trao Đổi Ion
Trao đổi ion xảy ra theo tỷ lệ tương đương và trong phần lớn các trường hợp là phản ứng thuậnnghịch Phản ứng trao đổi ion xảy ra do hiệu số thế hoá học của các ion trao đổi Phương trìnhtrao đổi tổng quát có dạng sau:
A + RmB = mRA + B
Hình 8: Sơ đồ biểu diễn các bước của quá trình trao đổi ion
Cơ chế trao đổi ion có thể xem như gồm các giai đoạn sau:
1. Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lớp biên giới màng chấtlỏng bao quanh hạt trao đổi ion
2. Khuếch tán lớp ion qua các biên giới
3. Chuyển ion đã qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi
4. Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi ion
5. Phản ứng hoá học trao đổi giữa hai ion A và B
6. Khuếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi ion tới biên giới phân pha