Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm

Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm Ion Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâmIon Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâmIon Exchange Quá trình phân riêng dh nông lâm

1 Ion Exchange (Trao đổi Ion) Tại phải xử lý nước sản xuất There are three general reasons to treat water for its impurities (Slater, 1991): 1.To minimize corrosion, which is enhanced by impurities 2.To minimize radiation levels in the reactor facility 3.To minimize fouling of heat transfer surfaces Cation Ca++ Mg++ Na+ K+ Al+++ Fe++ Cu++ Các tạp chất ion nước Anion NO3OHSO4ClHCO3HSiO3HCrO3- Các tạp chất cần phải loại khỏi nước chế biến để giảm mài mòn, giảm xạ thiết bị phản ứng, giảm đóng cặn thiết bị trao đổi nhiệt, kiểm soát độ pH độ tinh khiết nước thiết bị hạt nhân, kiểm sốt nồng độ ion dung dịch (làm nước khống có nồng độ kiềm thích hợp), tinh chế phẩm ví dụ đường dextrose tinh khiết Nguyên lý Ion Exchange resins are insoluble granular substances which have in their molecular structure acidic or basic radicals (gốc tự do) that can be exchanged The positive or negative ions fixed on these radicals are replaced by ions of the same sign in solution in the liquid in contact with them (Nhựa trao đổi ion chất polymer dạng hạt không tan (with an average diameter of about 0.005 millimeters or 5µm) mà cấu trúc phân tử có gốc tự acid hay kiềm trao đổi Các ion dương hay âm cố định gốc tự thay ion dấu dung dịch tiếp xúc với nó.) (VD: Polystyrene-divinylbenzene resins which has ionic sites consisting of immobile anionic (SO3¯) radicals and mobile hydrogen cations (H+) The resin itself is a uniform mixture of cation and anion resins in a specific volume ratio depending on their specific gravities The ratio is normally parts cation resin to parts anion resin (nhựa resin hỗn hợp thành phần nhựa điện tích dương âm, thường dương âm) Qui trình tổng hợp Polystyrene-divinylbenzene resin cho bảng sau: PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM 1) Tổng hợp styrene thành Polystyrene 2) Phản ứng cross-link với divinylbenzene Sau cross-link, tạo thành styrene-DVB polymer 3) Sulphonating styrene-DVB tạo cation resin (phản ứng styrene-DVB với H2SO4) 4) Xử lý styrene-DVB với C3H5ClO C3H9N tạo anion resin 3) Sau sulphonating tạo thành cation resin có gốc SO3- ion trao đổi H+ 4) Sau xử lý với chloroacetone trimethylamine tạo thành anion resin có gốc N(CH3)+ ion trao đổi Cl- An ion exchange is the reversible exchange of ions between a liquid and a solid This process is generally used to remove undesirable ions from a liquid and substitute acceptable ions from the solid (resin) The devices in which ion exchange occurs are commonly called demineralizers This name is derived from the term demineralize, which means the process where by impurities present in the incoming fluid (water) are removed by exchanging impure ions with H+ and OH- ions, resulting in the formation of pure water H+ and OH- are present on the sites of resin beads contained in the demineralizer tank or column Hình mơ tả q trình bắt giữ giải phóng ion cột trao đổi ion Các ion Mg, Ca Na bị bắt giữ qua trao đổi ion với resin (vòng tròn Na+ trao đổi với H+ resin, Cl- trao vàng lớn) để giải phóng ion H+ (chấm vàng đổi với OH- resin Kết NaCl bị bắt giữ nhỏ) vào nước lại resin giải phóng H2O vào dung dịch PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM Now days, the ion exchange substances are used almost exclusively under the name of resins There are two categories of resins: the resins of the gel type and those of the macroporous or loosely cross-linked type Their basic structure is identical: the macromolecular structure is obtained in both cases by co-polymerization The difference between them lies in their porosity Gel type resins have a natural porosity limited to intermolecular distances It is a microporous type structure Macroporous type resins have an additional artificial porosity which is obtained by adding a substance designed for this purpose The exchanger is known as monofunctional if there is only one variety of radicals and it is called polyfunctional if the molecule contains various type of radicals Ứng dụng trình trao đổi ion     Sea water desalination Surface water treatment Water softening systems Disinfection (tẩy độc)  Waste water treatment  Pesticide treatment  Iron and manganese  Remineralisation    Arsenic removal Heavy metal removal Nitrates treatment Hình ví dụ ứng dụng công nghệ trao đổi ion nhà máy thủy phân tinh bột thành dextrose Các phần tính tốn xem tài liệu Chemical Engineering PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM Phân riêng Sắc ký Giới thiệu Sắc kí (chromatography) kỹ thuật phân riêng có độ chọn lựa cao nhằm tách thành phần có tính chất vật lý hóa học gần Nhiều hỗn hợp khó tách phương pháp khác phân riêng sắc ký Sắc ký đóng nhiều vai trị cơng nghiệp: (1) giúp đo đạc nhanh xác đặc tính nhiệt động tính chất hóa lý vật liệu cần cho q trình thiết bị; (2) giúp phân tích hóa học kiểm sốt chất lượng q trình sản xuất Chương khơng trình bày kỹ thuật phân tích mà tập trung vào trình thiết bị sắc ký để phân riêng thành phần In chromatography the components of a mixture are separated as they pass through a column The column contains a stationary phase which may be a packed bed of solid particles or a liquid with which the packing is impregnated The mixture is carried through the column dissolved in a gas or liquid stream known as the mobile phase, eluent or carrier Separation occurs because the differing distribution coefficients of the components of the mixture between the stationary and mobile phases result in differing velocities of travel (sự phân riêng xảy hệ số phân bố - Distribution Coefficient- thành phần hỗn hợp pha động pha tĩnh khác gây nên vận tốc chuyển động khác nhau) Definition: Distribution Coefficient = CA in stationary phase/ CA in mobile phase Different affinity of these components to stationary phase causes the separation Phân loại Gồm sắc kí lỏng liquid chromatography (LC) sắc kí khí gas chromatography (GC) Ứng dụng sắc ký công nghiệp cho hình sau PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM Chromatographic methods are classified according to the nature of the mobile and stationary phases used The terms gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC) refer to the nature of the mobile phase (sắc kí khí hay sắc kí lỏng pha động) Trong công nghiệp dùng nguyên lý sau: the principal modes currently used for large-scale separations are elution (tách rửa), selective adsorption or desorption (hấp thụ chọn lựa hay khử chọn lựa), and simulated countercurrent chromatography (sắc kí ngược chiều) In addition, reaction and separation (phối hợp phản ứng phân riêng) can be combined in a single column with unique advantages Sắc kí lỏng: Nguyên lý sắc kí lỏng mơ tả cột sắc kí sau: DIAGRAM OF SIMPLE LIQUID COLUMN CHROMATOGRAPHY Solvent(mobile or moving phase) A+B+C OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO Sample (A+B+C) Column Solid Particles (packing materialstationary phase) OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOO AOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOO BOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOO COOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOO Eluant (eluate) Hỗn hợp có thành phần A, B, C Khi cho hỗn hợp dung môi ta pha động Pha tĩnh hạt rắn chất lỏng Ái lực A, B C pha tĩnh khác khiến cho tốc độ di chuyển chúng khác Trong hình cho C trước, đến B A Bàng cách thay đổi hệ dung môi, đặc tính chuyển động thành phần A, B C thay đổi PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM Có loại sắc kí lỏng: Liquid/Solid Chromatography (adsorption chromatography) A Normal Phase LSC B Reverse Phase LSC Liquid/Liquid Chromatography (partition chromatography) A Normal Phase LLC B Reverse Phase LLC Ion Exchange Chromatography Gel Permeation Chromatography (exclusion chromatography) Liquid MOBILE PHASE Liquid-Liquid Chromatography(Partition) STATIONARY PHASE PHASE Normal Phase Liquid-Solid Chromatography(Adsorption) Solid Liquid Reverse Phase Normal Phase PH Sắc kí cột pha bình thường (normal phase): (liquid-solid), pha tĩnh cột silica or alumina resins có tính ưa nước (hydrophylic), vậy, phân tử ưa nước pha động có lực cao với pha tĩnh nên bị hấp thụ cột Cịn phân tử ưa béo (gốc dầu) lực với cột nên qua dị tìm hay thu hồi trước Để giải phóng phân tử ưa nước hấp thụ vào cột cần dùng dung môi phân cực cao pha động để di dời phân bố phân tử pha tĩnh vào pha động Sắc kí cột ngược pha (Reverse phase) hay pha nghịch: Là kỹ thuật dùng chuỗi alkyl liên kết cộng hóa trị với pha tĩnh để tạo pha tĩnh ưa béo (hydrophobic) có lực mạnh với chất khơng phân cực Sắc kí cột nghịch pha dùng pha động phân cực Do vậy, phân tử ưa béo pha động phân cực bị hấp thụ pha tĩnh, phân tử ưa nước qua cột thu hồi trước Để giải phóng phân tử ưa béo hấp thụ vào cột cần dùng dung môi hữu khơng phân cực Tính ưa béo cao phải dùng dung mơi nồng độ cao • Polar Solvents: độ phân cực cao nước Water > Methanol > Acetonitrile > Ethanol > • Non-polar Solvents: độ phân cực thấp dãy cyclohexane PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM Oxydipropionitrile N-Decane > N-Hexane > N-Pentane > Cyclohexane PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM Chọn lựa kiểu hoạt động Sample Type LC Mode Positional isomers Moderate Polarity Molecules Compounds with Similar Functionality Ionizable Species Compounds with Differing Solubility Mixture of Varying Sized Molecules LSC or LLC LSC or LLC LSC or LLC IEC LLC GCC Các thông số động học Thời gian lưu Response D B A C 10 15 Retention Time Hệ số phân bố: tỉ số thời gian lưu hai thành phần (K)  X X - X X 0 PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM 20 25 Response XR2- XN-1 Xo R R e t e n N Retention Time S a m p l e T y p e S Các phần tính tốn thiết bị sắc kí: xem tài liệu Chemical Engineering PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM 10 Phụ lục: Mơ tả q trình tách thành phần qua sắc kí cột Cột sắc kí silica-gel PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM 11 Qui trình cơng nghệ sản xuất biodiesel từ tảo Ni bình Sấy: Tảo khô Ly tâm Nuôi máy QHSH Nghiền: bột tảo Dầu tảo sau trích ly Trích ly soxhlet PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM Dầu tảo sau cô quay 12 Tinh chế: silicagel cột Tinh chế: bentonite cột Dầu sau tinh chế Transesterification Glycerol PGS TS Trương Vĩnh, BM Công Nghệ Hóa Học , Đại Học Nơng Lâm TP HCM Biodiesel 13 PGS TS Trương Vĩnh, BM Cơng Nghệ Hóa Học , Đại Học Nông Lâm TP HCM ... thành anion resin có gốc N(CH3)+ ion trao đổi Cl- An ion exchange is the reversible exchange of ions between a liquid and a solid This process is generally used to remove undesirable ions from... giúp phân tích hóa học kiểm sốt chất lượng q trình sản xuất Chương khơng trình bày kỹ thuật phân tích mà tập trung vào trình thiết bị sắc ký để phân riêng thành phần In chromatography the components... separations are elution (tách rửa), selective adsorption or desorption (hấp thụ chọn lựa hay khử chọn lựa), and simulated countercurrent chromatography (sắc kí ngược chiều) In addition, reaction