Hình 2.1 Cấu tạo của hạt nhựa
2.5.1Quá trình trao đổi ion trong cột[13]
Trao đổi ion để loại bỏ một ion nào đó từ dung dịch thay thế nó bằng một ion khác. Những ứng dụng điển hình trong công nghệ xử lý nước, nước thải: làm mềm nước, thu hồi kim loại từ nước thải, xử lý nước thải chứa phóng xạ, tái sinh dung dịch mạ…
Quá trình trao đổi ion về nghiên tắc có thể tiến hành theo từng mẻ bằng cách cho chất trao đổi ion dạng A tiếp xúc với dung dịch chứa ion cần trao đổi B. Tuy nhiên hệ đạt cân bằng khi B vẫn còn dư lại trong dung dịch. Để loại bỏ hết được B, quá trình trên phải lặp lại nhiều lần hoặc sử dụng một lượng chất trao đổi ion rất lớn hoặc nhiều lần thao tác với chất trao đổi ion mới. Trong cột điều kiện thuận lợi hơn nhiều. Khi chuyển động trong cột, dung dịch luôn tiếp xúc với lớp nhựa trao đổi mới hoàn toàn nằm ở dạng A nên hầu hết ion được trao đổi khi dung dịch ra khỏi cột. Vì vậy các quá trình trao đổi ion trong thực tiễn thường được thực hiện trong cột. Khi cho một dung dịch chảy qua khỏi cột chứa hạt trao đổi ion, thành phần hoá học của dung dịch thay đổi do trao đổi ion hay quá trình hấp thu.
Khi dung dịch vừa được đưa vào cột, quá trình trao đổi ion giữa A và B lập tức xảy ra ngay trong lớp mỏng ở đầu cột. Dung dịch khi này chứa A và tiếp tục dịch chuyển sâu vào trong cột mà không thay đổi thành phần hoá học. Nếu dung dịch tiếp tục đưa vào trong cột thì đoạn cột đầu vẫn tiếp xúc với dung dịch mới chứa B. Đến một lúc nào đó, chất trao đổi ion ở vùng đó hết khả năng trao đổi vì tất cả đã chuyển thành dạng B, vùng đó dịch chuyển dần theo dòng chảy và tới một lúc nào đó đạt tới vị trí cuối cột, toàn bộ cột đã được sử dụng hết, thành phần hoá học của dung dịch tại đầu vào và ra giống nhau. Sự xuất hiện của B tại cuối cột được gọi là “thoát” ra khỏi cột với nồng độ tăng dần theo thời gian và đạt giá trị nồng độ của đầu vào. Cột trao đổi ion thường làm việc trước khi nồng độ của B thoát ra khỏi cột, tuy vậy rất khó biết khi nào nó thoát mà chỉ có thể biết nó đang thoát ra (đo được) ở nồng độ nào, tức là khi nó đã thoát. Và cột sẽ hoạt động cho tới khi nồng độ thoát của một cấu tử nào đó đạt đến một giá trị qui định. Khi cột hết khả năng làm việc nó cần được tái sinh với chính dung dịch chất điện ly chứa A. Đường cong thoát được thiết kế để mô tả sự tăng nồng độ của ion cần trao đổi trong dung dịch ở điểm cuối của cột theo thời gian. Trục tung biểu diễn tỷ lệ nồng độ đầu ra so với đầu vào (C/Co ≤ 1), trục hoành là đại lượng thời gian (biết tốc độ thể tích của dòng) hoặc thể tích của dung dịch đã chảy qua cột (tích số của tốc độ thể tích với thời gian) hoặc là thể tích tính theo thể tích của tầng chất trao đổi ion (tỉ lệ thể tích dung dịch chảy qua và thể tích của tầng hạt nhựa).
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN29
C/Co
a b h
ict ct
Từ đường cong thoát có thể thu được các thông tin sau đây: - Dung lượng tổng của cột tỷ lệ thuận với diện tích ahed, - Dung lượng động (thoát) tỷ lệ thuận với diện tích abied, - Dung lượng hao hụt tỷ lệ với diện tích ibh.
Tại thời điểm thoát, lớp chất trao đổi ion ở phía đầu ra chưa hoàn toàn chuyển về dạng B, tức là nó chưa được sử dụng hết mặc dù quá trình trao đổi đã kết thúc. So với dung lượng trao đổi của lượng nhựa trong cột, dung lượng sử dụng được gọi là dung lượng động, tỷ lệ giữa dung lượng động và dung lượng tổng (tĩnh) chính là hiệu xuất sử dụng cột.
Dung lượng tổng của cột được xác định bởi loại chất trao đổi ion sử dụng và khối lượng của nó trong cột. Dung lượng động thì phụ thuộc vào bản chất của quá trình (tốc độ dòng chảy, kích thướt của cột, nồng độ chất trao đổi ion ban đầu, kích thướt của hạt trao đổi), vào điều kiện thao tác cũng như đồi hỏi về chất lượng của quá trình (giá trị nồng độ thoát).
Mục tiêu của nghiên cứu là sử dụng tối đa dung lượng tĩnh, tức là hiệu suất sử dụng cột cao nhất. Hiệu suất sử dụng cột cao nếu bề rộng của đường cong thoát hoặc giải phân bố nồng độ hẹp, hiệu suất sử dụng cột là 100% nếu đường cong thoát có dạng thẳng đứng vuông góc với trục hoành, ứng với trường hợp lý tưởng, mọi quá trình động học trong đó xảy ra rất nhanh.
Nếu trong động lực hấp phụ yếu tố dạng của đường đẳng nhiệt (lồi, lõm, tuyến tính) ảnh hưởng đến độ dãn của dải thì trong cột trao đổi ion, tính chọn lọc là yếu tố ảnh hưởng. Dải phân bố của A và B càng rõ (tách lời nhau) khi độ chọn lọc của chất trao đổi ion đối với B càng cao.
Trao đổi ion là một quá trình cân bằng tỉ lượng nên không trao đổi tất cả nồng độ của các ion trao đổi của pha tĩnh lẫn pha động. Nếu không xảy ra quá trình trao đổi thì nồng độ của ion trong dung dịch trong cột chính là nồng độ đầu vào Co và nồng độ của
ion trong nhựa chính là nồng độ của nhóm chức Co. Hệ số phân bố của A và B trong dải nồng độ của từng ion (chỉ có mặt một loại ion) là bằng nhau, không phụ thuộc vào ion trao đổi, có giá trị là λ = C/Co. A và B chuyển động cùng một tốc độ trong vùng riêng của nó. Tốc độ dịch chuyển của dải (A và B) tăng khi tăng nồng độ đầu vào (của B) và chậm khi nồng độ nhóm chức cao và tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy. Trong vùng xen phủ của hai dải nồng độ ta có hình ảnh khác: hai ion trao đổi cạnh trạnh với nhau, ion nào có độ chọn lọc cao sẽ được nhựa “ưu” hơn và vì vậy nó chuyển động chậm. Điều đó cũng luôn đúng đối với hệ có nhiều loại ion trao đổi. Hiệu ứng này ảnh hưởng đến khả năng thu gọn hay dãn rộng dải nồng độ của các ion.