Một cột nhựa trao đổi có thể được sử dụng hoặc để loại bỏ các ion không mong muốn từ một dung dịch tiếp xúc nó hoặc để tích lũy một loại khoáng chất có giá trị từ dung dịch mà sau này có thể được phục hồi từ nhựa. Ví dụ về việc loại bỏ các ion không mong muốn là loại bỏ các kim loại nặng từ chất thải thương mại kim loại, khử khoáng của sữa được sử dụng để sản xuất các sản phẩm từ sữa và loại bỏ muối ra khỏi nước ép trái cây.
Hầu hết ứng dụng trong công nghiệp các hệ thống sử dụng cột trao đổi ion cố định, thành phần cơ bản trong số đó là các cột nhựa (hình 17).Thiết kế cột phải có:
- Chứa đựng và hỗ trợ các nhựa trao đổi ion
- Thống nhất phân phối các dịch vụ và tái tạo dòng chảy thông qua các giường nhựa
- Cung cấp không gian để fluidize nhựa trong quá trình rửa ngược
Bao gồm các đường ống, van, và các công cụ cần thiết để điều chỉnh dòng chảy của thức ăn, regenerant. và các giải pháp rửa ngược.
Hình 17: Cột nhựa trao đổi ion điển hình
Cột trao đổi on có than hình trụ làm bằng inox, chiều cao mổi cột là 2m, đường kính 500mm. Trong mổi cột có 24 ống nhựa (12 ống nhựa nằm ở mặt bít trên và 12 ống nhựa nằm ở mặt bít dưới) có tác dụng giữ các hạt trao đổi ion ở lại. ống nhựa có chiều cao 20cm, đường kính 4,5cm. Trên ống có khắc nhiều rãnh ngang, mổi rãnh cách nhau 1mm, mặt trong ống nhựa có 8 gờ dọc theo thân ống để định dạng cố định ống.
Bên trong cột trao đổi ion chứa hạt nhựa trao đổi ion. Các hạt nhựa trao đổi ion chứa đầy cột mà chỉ chứa khoảng 1,7m so với chiều cao của cột trao đổi, 0,3m còn lại là khoảng trống có tác dụng giúp quá trình trao đổi diển ra thuận lợi hơn.
Ion vật liệu trao đổi được chứa trong bể được xây dựng đặc biệt (hình 1), nơi nó hình thành một cột, sâu thường 30-60 inch. Trong một số trường hợp, nó được hỗ trợ bởi một cột sỏi được phân loại hoặc than tùy theo thiết kế của bộ lọc. Trong trường hợp khác, một số phương pháp đặc biệt hỗ trợ, không có sỏi hoặc than được sử dụng. Trong quá trình hoạt động bình thường, nước chảy vào phía
trên của bể chứa qua một đường ống, mà phân phối nó trên bề mặt của cột trao đổi. Nước đã xử lý được rút ra bằng cách thu ở đường ống ở phía dưới. Một số mẫu thiết kế mới để trao đổi ion đang đi vào sử dụng phổ biến. Chúng trở nên phổ biến vì những ưu điểm của chúng về hiệu suất hoạt động cao hơn và tỷ lệ rò rỉ thấp hơn. Trong thủ tục tái sinh ngược, dòng chảy regenerant là ngược lại hướng đến dòng chảy khi xử lý. Vì vậy, nhựa nằm trong cột được tái sinh cao nhất. Điều này dẫn đến tỷ lệ rò rỉ thấp hơn và khả năng điều hành cao hơn một chút ở liều
regenerant bằng mạch hoạt động đồng thời.
Hình 18
Tuy nhiên, mạch ngược nhạy cảm hơn với các vấn đề điều hành. Cột phải được cố định trong quá trình tái sinh và nước chảy đến phải rất thấp trong chất rắn lơ lửng.Hệ thống cột cơ bản được lấp đầy bằng nhựa. Các hệ thống này là ngược trong thiết kế và cung cấp các lợi thế tỷ lệ rò rỉ thấp. Tuy nhiên, cột trao đổi cũng cung cấp các lợi thế của giảm phát sinh chất thải. Vì không có không gian cho rửa ngược phù hợp, hệ thống cột trao đổi thường được xây dựng với bể chứa ngược
bên ngoài mà cho phép nhựa được rửa trở lại sau khi được sluiced ra khỏi cột hoạt động. Tất cả các hệ thống trao đổi ion dòng ngược yêu cầu nước cấp là chất rắn lơ lửng rất thấp
CHƯƠNG 3: TÁI SINH
Tái sinh của vật liệu trao đổi bao gồm ba bước: • Đẩy ngược lại
• Sử dụng các hóa chất tái sinh • Rửa
Hình 19
Đẩy ngược lại chỉ đơn giản là một sự đảo ngược của dòng chảy bình thường để rửa ra bất kỳ chất lơ lửng trên cột và "làm cho bông ra" khỏi cột trao đổi, để phá vỡ các khu vực bị mất khả năng trao đổi. Điều này được thực hiện ngay trước khi các đơn vị được tái sinh. Trong quá trình tái sinh, hóa chất được sử dụng ở mặt trên của cột và loại bỏ thông qua đầu ra phía dưới. Rửa các dấu vết cuối cùng của hóa chất tái sinh.
Hình 20
Các thiết bị trao đổi ion thường được thiết kế trùng lặp cho phép xử lý liên tục trong quá trình tái sinh. Một thiết bị trao đổi điển hình được thể hiện trong hình 21.
Hình 21: Các thiết bị trao đổi ion trong quá trình tái sinh
• Quy trình tái sinh
Khi tái sinh không hiệu quả, cột thường được lấp đầy với chất lơ lửng. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng quy trình đẩy ngược phải thích hợp. Trong quá trình rửa ngược, cột trao đổi cation nên mở rộng ít nhất 50%, trong khi cột trao đổi anion nên mở rộng ít nhất 75%. Cột mở rộng bao nhiêu phụ thuộc vào nhiệt độ nước rửa ngược, tỷ lệ đẩy ngược và mật độ của các thiết bị trao đổi ion. Hình 4 cho thấy các đặc điểm mở rộng các điển hình các loại nhựa cation và anion. Khả năng của các vật liệu trao đổi ion thay đổi tùy theo số lượng và nồng độ của tái sinh hóa học được sử dụng và thời gian các 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 cả yếu tố kinh tế và hoạt động.
Hình 22
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG
Nhựa cũng có nhiều ứng dụng trong phòng thí nghiệm hóa học nơi sự linh hoạt ít bị hạn chế bởi những cân nhắc về mặc kinh tế. Chúng có thể được sử dụng để loại bỏ các ion can thiệp trong quá trình phân tích, tích lũy số lượng dấu vết của các ion từ các giải pháp pha loãng sau đó họ có thể tập trung vào một lượng nhỏ bằng cách rửa giải. Một nhựa cation ở dạng hydro có thể được sử dụng để xác định tổng nồng độ các ion trong hỗn hợp muối. Các mẫu đi qua một cột được chuyển đổi với số lượng tương đương của axit và nồng độ dễ dàng xác định bằng cách chuẩn độ.
Một trong những ứng dụng đầu tiên của trao đổi ion là sự tách biệt của các nguyên tố đất hiếm trong những năm 1940. Những kim loại có trong tự nhiên như hỗn hợp và có tính chất hóa học gần như giống hệt nhau. Các hệ số cân bằng cho nhựa cation đã được tìm thấy thay đổi đủ để tách phải đạt được sắc ký bằng cách thêm một dung dịch hỗn hợp trên vào cột nhựa và tẩy rửa các kim loại với một rửa axit. Điều này dẫn công việc đầu tiên khi phát hiện ra prometi (phần 61) và sau đó là sự phát hiện của năm yếu tố mới trong chuỗi actinide.