- Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc huyền phù ,chất keo và nhũ màu .Sự có mặt 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
• 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 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
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+ <Li+ <H+ <Na+ < K+ ≈ NH4+ < Cd2+ < Cs+ < Ag+ < Mn2+ < Mg2+ < Zn2+ < Cu2+ < Ni2+ < Co2+ < Ca2+ < Sr2+ < Pb2+ < Al3+ < Fe3+ Tuy nhiên đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC):
H+ > Fe3+
Một danh sách tương ứng cho amin dựa trên trao đổi anion là:
OH- ≈ F- < HCO3- < Cl- < Br- < NO3- < HSO4- < PO43- < CrO42- < SO42
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 ion trao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn). Ở hàm lượng ion cao , khả năng trao đổi của các ion không khác nhau nhiều lắm .
2.2 Cơ chế:
Một hệ 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 được xem xét một cách riêng biệt. Các tính chất lớp màng mỏng khác với tính chất của vật 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.
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 vượt qua thông qua các màng mà không thể được gỡ bỏ 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 động của chúng đã được bù đắp bằng chuyển động của các ion khác của cùng một thay đổi thực hiện các nguyên tắc electroneutrality tương ứng. các counterion hạn có hai cách giải thích.
a. nó có thể được sử dụng riêng cho các ion bên trong trao đổi ion.
b. nó có thể được sử dụng trong một nghĩa rộng cho dù trong trao đổi hoặc trong các dung dịch bên ngoài; tất cả các loài ion đặc trưng chịu trách nhiệm đối với các nhóm chức năng có thể được gọi counterions.
Co-ion là một thuật ngữ được sử dụng cho các loại ion với các đặc trưng chịu trách nhiệm tương tự như nhóm chức. hình thức ionic là xác định thời gian mà counterion hiện diện trong trao đổi ion.
bất kỳ ion trao đổi cũng có thể trao đổi thay thế được một số lượng tương đương của các ion khác. đây là một hệ quả của yêu cầu electroneutrality. khi một ion trao đổi vượt qua giớ hạn khuếch tán, một điện thế được tạo ra giữa hai giai đoạn. tiềm năng này phải được bù đắp bởi sự chuyển động của một ion trao đổi ngược chiều hoặc bởi sự chuyển động của ion tương tác trong cùng một hướng.
trong nhiều hệ thống, đặc biệt là trong dung dịch pha loãng, donnan loại trừ (donnan loại trừ: giảm nồng độ của các ion di động trong một màng trao đổi ion do sự hiện diện của các ion cố định của các dấu hiệu tương tự như các ion di động) hạn chế nhập các co-ion vào trao đổi trong quá trình toàn bộ quá trình. trong trường hợp này, các co-ion không tham gia vào các phản ứng và có ít ảnh hưởng lên tỷ giá. tuy nhiên, ảnh hưởng gián tiếp có thể xảy ra.
Hình 16: Sơ đồ biểu diễn các bước khác nhau tham gia vào quá trình trao đổi ion
Từ hình 16 rõ ràng là ban đầu các muối hòa tan phân ly có chứa các ion ban đầu, tiếp theo là sự khuếch tán của các ion đầu tiên từ dung dịch khuếch tán đến bề mặt nhựa. sau đó các ion khuếch tán ra khỏi bề mặt nhựa đi vào dung dịch. các liên kết ion với nhóm chức và sau đó phân ly của ion thứ hai và nhóm chức năng xảy ra trong dung dịch. các ion khuếch tán thứ hai bên trong giai đoạn vật chất đối với các bước bề mặt. các ion thứ hai khuếch tán bên trong vật liệu trao đổi, tiếp theo là khuếch tán và phân phối ngẫu nhiên trong dung dịch. vì vậy, sự hình thành của cặp ion thứ hai hoàn thành trao đổi
Qúa trình trao đổi ion có thể biểu diễn:
R--I+ + M+X ↔ R-M+ + I+X R+Y + M+X ↔ R+X + M+Y
R-I+ là cationit vì nó có ion dương I+ có thể trao đổi được với ion M+ trong dung dịch, R+Y là anionit có khả năng trao đổi với các ion âm X- trong dung dịch.
R- , R-+ là mạng chất không tan của chất trao đổi ion, với các loại nhựa trao đổi ion nó gồm mạng polymer ba chiều của liên kết hidrocacbon và các nhóm chức tích điện âm như SO, COO- ( đối với cationit) và nhóm chức tích điện dương –NR+ (đối với anionit). Với các cationit, I+ thường là H+ hay Na+ , tương ứng nó được gọi là cationit dạng H+ hay Na+. Anionit cũng thường tồn tại ở hai dạng là Cl_ và OH. Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ có thể phân ra : lớp hấp phụ và lớp khuếch tán .Lớp ion có tính hoạt động tương đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay lớp cố định ,nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phận ion ngược dấu .Cạnh ngoài lớp hấp phụ ,các ion có tính hoạt động tương đối lớn , có khả năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớp khuếch tán . Khi nhựa trao đối ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, các tác dụng sau đây sẽ diễn ra: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Tác dụng trao đổi :
Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trong dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau .Nhưnh do quá trình trao đổi ion không giới hạn ở lớp khuếch tán ,do quan hệ cân bằng động ,trong dung dịch cũng có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán ,sau đó sẽ trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.
• Tác dụng nén ép: Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớn ,có thể làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại .Từ đó , một số ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.., Pham vi hoạt động của lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất lợi cho quá trình trao đổi ion . Do đó cần chú ý nếu nồng độ dung dịch hoàn nguyên quá lớn ,không những không thể nâng cao mà còn giảm thấp hiệu quả hoàn nguyên.
• Tốc độ trao đổi ion xảy ra :
Quá trình trao đổi ion phổ biến liên quan đến việc thông qua các màng tiếp xúc đó dung dịch chứa nhựa và phổ biến trong các hạt nhựa. Màng phổ biến là tỷ lệ kiểm soát ở nồng độ thấp và hạt được kiểm soát ở tỷ lệ nồng độ cao. Cho dù màng phổ biến hoặc hạt khuếch tán là cơ chế kiểm soát kích thước hạt của nhựa cũng là một yếu tố quyết định. Hạt nhựa có kích thước thống nhất nâng cao hiệu suất động so với nhựa thông thường polydispersed do sự vắng mặt của hạt lớn hơn có động học chậm.
Như trong quá trình hấp phụ ,tốc độ trao đổi ion tuỳ thuộc trên tốc độ của các quá trình thành phần sau:
- Khuếch tán của các ion từ trong pha lỏng đến bề mặt của hạt rắn . - Khuếch tán của các ion qua chất rắn đến bề mặt trao đổi .
- Trao đổi các ion (tốc độ phản ứng )
- Khuếch tán của ion thay thế ra ngoài bề mặt hạt rắn
- Khuếch tán của các ion được thay thế từ bề mặt hạt rắn vào trong dung dịch
2.3 Cân bằng trao đổi ion.
Giả sử một loại nhựa có ái lực lớn hơn cho ion B hơn so với ion A. Nếu nhựa chứa ion A và B ion được hoà tan trong nước đi qua nó, sau đó trao đổi sau đây diễn ra, phản ứng tiến tới bên phải (R đại diện cho nhựa ):
AR + Bn± ↔ BR + An± = Q
Khi khả năng trao đổi nhựa đến gần như không còn, nó sẽ chủ yếu là dưới hình thức BR. Một mối quan hệ cân bằng được áp dụng nơi các đối tượng trong ngoặc vuông đại diện cho nồng độ:
Q là hệ số trạng thái cân bằng, và là một hằng số cụ thể cho các cặp ion và các loại nhựa. Biểu hiện này chỉ ra rằng nếu một dung dịch đậm đặc chứa ion A bây giờ là đi qua cột trao đổi ion hết khả năng trao đổi, nhựa sẽ tạo thành dạng AR đã sẵn sàng để tái sử dụng, trong khi ion B sẽ được tách vào trong nước. Tất cả các ứng dụng quy mô lớn cho các loại nhựa trao đổi ion liên quan đến kiệt sức và tái tạo chu kỳ như vậy.
Cân bằng trao đối ion xảy ra khi một chất trao đổi 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 + A-
R 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 trình thuận nghịch và vì vậy rất khó phân biệt là cân bằng được tiệp cận từ phía nào, tức là A trao đổi với B hay ngược lại.Tuy nhiên sự phân bố cả A và B trong hai pha ở trạng thái cân bằng là như nhau đối với cả hai trường hợp miễn là tổng nồng độ của chúng trong hệ không thay đổi. Tỉ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau. Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và
về mặt lí thuyết. Quan hệ hàm số phụ thuộc ion trái dấu của chất trao đổi ionvao2 thành phần ion trái dấu của
2.4 Thiết kế cột trao đổi ion
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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