Xử lý nước thải bằng phương pháp trao đổi ion

Xử lý nước thải phương pháp trao đổi ion Nhóm 6: Phạm Thanh Phương Nguyễn Xuân Quỳnh Nguyễn Thúy Quỳnh Nguyễn Anh Sơn Cao Hồng Quân TỔNG QUAN TRAO ĐỔI ION CƠ CHẾ PHƯƠNG PHÁP TÁI SINH ỨNG DỤNG KÉT LUẬN I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Định nghĩa – Trao đổi ion trình tương tác dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổi lớn pha rắn với có dung dịch Quá trình dùng để tách kim loại Pb, Zn, Cu, Hg, Cr, Ni, Cd, Mn hợp chất As, P, CN chất lỏng phóng xạ khỏi nước thải HR + Na+ ↔ NaR + H+ 2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2Na+ I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION 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 thế) ion pha lỏng ion pha rắn (là nhựa trao đổi) Lớp nhựa chuyển động Lớp nhựa đứng yên – Sự ưu tiên hấp thu nhựa trao đổi dành cho ion pha lỏng nhờ ion pha lỏng dễ dàng chỗ ion có khung mang nhựa trao đổi – Quá trình phụ thuộc vào loại nhựa trao đổi loại ion khác Phương pháp Trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh phổ biến I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Vật liệu trao đổi ion Ion Exchangers Modified Natural Natural Inorganic - Vermiculite - Zeolites - Clays Synthetic Organic Inorganic - Polisaccharide - Protein - Cabonaceous - Zeolites - Titanates and Silicontitanate - Transition metal hexacyanoferrate Organic - Polystyrene divinyl benzene - Phenolic - Acrylic I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Nhựa trao đổi ion – Là polyme có khả trao đổi ion đặc biệt bên polymer với ion dung dịch truyền qua chúng Cấu tạo Cấu trúc dị thể gồm hai pha: vùng đồng chứa mạng polymer nước (hình cầu nhỏ) vùng không gian chứa nước hạt cầu nhỏ Tính chất vật lý Cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn, dạng xốp đều, dạng bột mịn dạng từ tính Hạt hình cầu đường kính 0,5 – 1,0 mm Tính chất hóa học Độ trương nở, tính ổn định Tính chất trao đổi, dung lượng trao đổi Tính acid, kiềm Tính trung hoà thuỷ phân I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Nhựa trao đổi ion – Tính chất chọn lọc nhựa trao đổi ion: đo hệ số chọn lọc K RA+ + B+ ↔ RB+ + A+ K = (nồng độ B+ nhựa / nồng độ A+ nhựa) x (nồng độ A+ dung dịch / nồng độ B+ dung dịch) – Hệ số chọn lọc thể phân bố tương đối ion loại nhựa A+ mẫu đặt dung dịch chứa ion B+ – Sự chọn lọc axit mạnh nhựa trao đổi ion bazơ vững mạnh cho hợp chất ion khác Phản ứng trao đổi ion đảo ngược Bằng cách liên hệ với loại nhựa dư thừa (B+ phản ứng sau), nhựa chuyển đổi hoàn toàn sang dạng muối mong muốn: RA+ + B ↔ RB+ + A+ I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Nhựa trao đổi ion Các chất oxy hoá mạnh Cl2,O3,… tác dụng xấu lên nhựa Nhựa sử dụng để trao đổi ion không dùng để lọc huyền phù, chất keo nhũ màu Loại bỏ chất hữu nhựa phức tạp, cần có nghiên cứu đặc biệt Sự có mặt khí hoà tan nước với lượng lớn gây nhiễu loạn hoạt động nhựa I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION ➢ Ưu điểm nhược điểm nhựa trao đổi ion: 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 Nhược điểm - Nếu nước tồn hợp chất hữu hay ion Fe3+, 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 II CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION Thứ tự trao đổi số cation thông thường ✓ Đối với nhựa Cationit acid mạnh (SAC): Hg2+ Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+ ✓ Đối với nhựa Anionit kiềm yếu (WBA) OH- ≈ F- < HCO3- < Cl- < Br- < NO3- < HSO4- < PO43- < CrO42- < SO42 + Ở hàm lượng ion thấp ,nhiệt độ bình thường ion hoá trị,khả trao đổi tăng số điện tử ion trao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn) + Ở hàm lượng ion cao , khả trao đổi ion không khác nhiều II CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION Cơ chế Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn trình trao đổi ion II CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION Cơ chế Tác dụng trao đổi Các ion ngược dấu lớp khuếch tán ion ngựoc dấu khác dung dịch trao đổi vị trí lẫn Nhưng 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, làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại.Từ đó, 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 II CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION Cơ chế ✓ Tốc độ trao đổi ion: tuỳ thuộc tốc độ trình thành phần • Khuếch tán ion từ pha lỏng đến bề mặt hạt rắn • Khuếch tán ion qua chất rắn đến bề mặt trao đổi • Trao đổi ion (tốc độ phản ứng) • Khuếch tán ion thay bề mặt hạt rắn • Khuếch tán ion thay từ bề mặt hạt rắn vào dung dịch II CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION Cân trao đổi ion Giả sử loại nhựa có lực lớn cho ion B so với ion A Nếu nhựa chứa ion A B ion hoà tan nước qua nó, sau trao đổi sau diễn ra, phản ứng tiến tới bên phải (R đại diện cho nhựa): AR + Bn± ↔ BR + An± Khi khả trao đổi nhựa đến gần không còn, chủ yếu hình thức BR 𝐵𝑅 [𝐴ሿ =𝑄 𝐴𝑅 [𝐵ሿ Q hệ số trạng thái cân bằng, số cụ thể cho cặp ion loại nhựa => Nếu dung dịch đậm đặc chứa ion A qua cột trao đổi ion hết khả trao đổi, nhựa tạo thành dạng AR sẵn sàng để tái sử dụng, ion B tách vào nước III TÁI SINH VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION Tính thuận nghịch phản ứng trao đổi ion ✓ Phản ứng trao đổi ion phản ứng thuận nghịch Dựa tính chất người ta hoàn nguyên, tái nạp ion cho nhóm trao đổi, khôi phục lại lực trao đổi 2HR + Ca2+ → CaR2 + 2H+ (nhựa trao đổi) CaR + 2H+ → 2HR + Ca2+ (hoàn nguyên) III TÁI SINH VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION Phương pháp tái sinh ✓ Tái sinh dòng chảy (CFR): Chất lỏng (nước) chảy từ xuống cột giai đoạn tiếp xúc chất lỏng – nước giai đoạn tái sinh ✓ Tái sinh đảo ngược tái tạo dòng (RFR): Chất lỏng chảy lên xuống trình lọc tái sinh Hình 3.1 Tái sinh xuôi dòng Hình 3.2 Tái sinh ngược dòng IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Làm mềm nước cứng ✓ Thông thường sử dụng Sodium Zeolite để làm mềm nước cứng ✓ Sau rửa nhựa xử lý dung dịch natri clorua 10%, tiền thu tái sinh IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Làm mềm nước cứng ✓ Thông thường sử dụng Sodium Zeolite để làm mềm nước cứng ✓ Sau rửa nhựa xử lý dung dịch natri clorua 10%, tiền thu tái sinh Hình 4.1 IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Làm mềm nước cứng Hình 4.2: Quá trình làm mềm nước IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Làm mềm nước cứng Thuận lợi - Nước xử lý có độ cứng - Hoạt động đơn giản - Muối không tốn dễ dàng để xử lý - Không có bùn thải sản xuất - Chất làm mềm natri zeolite thích hợp cho việc cài đặt lớn nhỏ Hạn chế - Hoạt động không hiệu vùng nước đục - Nhựa bị hỏng chất gây ô nhiễm kim loại nặng sắt nhôm - Tác nhân oxy hóa mạnh mẽ công nước thô làm suy giảm nhựa IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Khử khoáng IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Khử khoáng IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Khử khoáng IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Ứng dụng khác Trong xử lý nước cấp: arsen, nitrat, silic… Xử lý chất thải phóng xạ Hóa chất chế biến – Xúc tác Trong xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp, thu hồi chất có giá trị… Tách sắc ký… ... PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Khử khoáng IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Khử khoáng IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Ứng dụng khác Trong xử lý nước cấp: arsen, nitrat, silic… Xử lý chất thải phóng... khỏi nước thải HR + Na+ ↔ NaR + H+ 2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2Na+ I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Cơ Sở phương pháp trao đổi ion – Là trình trao đổi ion dựa tương tác hoá học ion pha lỏng ion. .. định Tính chất trao đổi, dung lượng trao đổi Tính acid, kiềm Tính trung hoà thuỷ phân I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Nhựa trao đổi ion – Tính chất chọn lọc nhựa trao đổi ion: đo hệ số