Trao đổi ion là quá trình lý hóa trong đó các ion chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại. Các ion đối ở các nhóm chức mang điện trên bề mặt pha rắn sẽ trao đổi với các ion cùng dấu trong dung dịch khi tiếp xúc với pha rắn của hạt nhựa.
Phân loại nhựa trao đổi ion:
• Nhựa cation axit mạnh (R-H hoặc R-Na)
Trao đổi muối trung tính thành axit tương ứng. Dung dịch hoàn nguyên là HCl và H2SO4 đối với R-H và NaCl đối với R-Na.
RH + NaCl → RNa + HCl
• Nhựa cation axit yếu (R-XH)
Trao đổi muối kiềm thành axit yếu tương ứng nhưng không trao đổi với muối trung tính (NaCl, H2SO4). Nhựa này có nhóm chức Cacboxylic và sử dụng HCl hoặc H2SO4 để hoàn nguyên.
• Nhựa anion kiềm mạnh (R-OH hoặc R-Cl)
Chuyển hóa muối trung tính thành các bazơ mạnh tương ứng (NaCl, CaSO4) nếu hoạt động theo chu trình hydroxit. Nhựa này thường có nhóm chức ammonium. Dung dịch hoàn nguyên là NaOH cho chu trình OH-, NaCl cho Cl-.
SO42- + 2R-OH → R2SO4 + 2OH-
• Nhựa anion kiềm yếu (R-OH):
Trao đổi các axit khoáng tự do như HCl, H2SO4 thành nước nhưng không trao đổi với các axit phân ly yếu như H2CO3, H2Si03. Dung dịch hoàn nguyên là NaOH và dung lượng trao đổi khá lớn.
Quá trình trao đổi ion thường được áp dụng cho khử cứng và khử khoáng cho nước cấp nồi hơi, nước tinh khiết cho công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, xử lý các ion gây độc như NO3-, NO2- hoặc xử lý nước thải chứa các kim loại nặng như đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn), crom (Cr), và Amonia (NH3) trong công nghiệp xi mạ, hóa chất để thu hồi các kim loại có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp này để khử mặn sẽ không hiệu quả kinh tế bằng phương pháp thẩm thấy ngược (RO) và điện thẩm tích.
Khử muối của nước bằng phương pháp trao đổi ion tức là lọc qua bể lọc H-cationit và OH-anionit.
Khi lọc nước qua bể lọc H-cationit, các muối hòa tan trong nước sẽ trao đổi cation với các ion H+ và tạo ra các acid tương ứng.
RH + NaCl → RNa + HCl
2RH + Na2SO4 → 2RNa + H2SO4
2RH + Ca(HCO3)2 → R2Ca +2CO2 + 2H2O
Khi lọc tiếp qua bể lọc OH-anionit, các hạt anionit này sẽ trao đổi với các anion của các acid mạnh trong nước như Cl-, SO42- và nhả vào nước một lượng tương đương ion OH-.
[An]OH + HCl → [An]Cl + 2H2O