II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1 Hấp phụ trao đổi ion
3. Phương pháp phân tích xác định khả năng hấp phụ trao đổi của nhựa trao đổi ion
cationit (cation resins) và nhựa anionit (anion resins). Cationit là các chất hấp phụ chứa các nhóm chức acid, ví dụ nhóm sulfonic acid hay nhóm carboxylic acid. Nhựa cationit có khả năng hấp phụ tốt các cation lên bề mặt của chúng.
Anionit là các chất hấp phụ chứa các nhóm chức base như nhóm trimethylammonium hoặc polyethylene amine. Nhựa anionit ngược lại có khả năng hấp phụ tốt các anion.
Đặc tính quan trọng nhất của ionit là khả năng hấp phụ của chúng hay còn được gọi là khả năng trao đổi ion. Khả năng trao đổi ion của ionit có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào nồng độ chất bị hấp phụ và pH của dung dịch. Sự phụ thuộc này được biểu thị qua phương trình:
M M k x k.pH lga A Z trong đó:
xM là dung lượng trao đổi (lượng ion bị giữ lại trên một đơn vị khối lượng ionit);
Z là điện tích của ion;
aM là hoạt độ của ion trong dung dịch; k là điện dung của lớp điện kép; A là hằng số tích phân.
Như vậy, khi tăng nồng độ ion trong dung dịch lên 10 lần sẽ làm thay đổi dung lượng trao đổi tương đương với việc tăng giá trị pH lên 1 đơn vị. Mối quan hệ này cho thấy, trong dung dịch luôn có sự hấp phụ cạnh tranh giữa các cation và H+. Sự tham gia của H+ vào quá trình trao đổi ion là đáng kể. Điều này thể hiện rất rõ đối với các quá trình hấp phụ trao đổi ion của các cationit yếu.
Khả năng hấp phụ các ion cũng phụ thuộc vào điện tích và bán kính ion hidrat hoá. Điện tích ion càng lớn và bán kính ion hidrat hoá càng nhỏ thì khả năng hấp phụ càng lớn. Khả năng tham gia hấp phụ trao đổi của một số ion thường gặp tăng theo thứ tự sau:
Li+ < Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ < Al3+.
3. Phương pháp phân tích xác định khả năng hấp phụ trao đổi của nhựa trao đổi ion nhựa trao đổi ion
Bước 1: Thực hiện quá trình hấp phụ trao đổi ion của mẫu hấp phụ với dung dịch đệm chứa ion cần trao đổi cho đến khi đạt cân bằng hấp phụ trong điều kiện nồng độ ion thay thế và pH dung dịch không đổi.
Bước 2: Ion đã bị hấp phụ trên nhựa ionit tiếp tục bị thay thế bởi ion khác. Dựa vào kết quả phân tích các dung dịch sau khi hấp phụ trao đổi có thể xác định được dung lượng hấp phụ của mẫu hấp phụ.
Phương pháp này thực hiện được khi giá trị pH của dung dịch thay đổi trong quá trình trao đổi ion. Quá trình hấp phụ được coi là đã đạt cân bằng khi giá trị pH của dung dịch trước và sau hấp phụ bằng nhau.
Quá trình đẩy các ion Ba2+ đã hấp phụ trên bề mặt vật liệu thường được thực hiện bằng quá trình trao đổi ion của vật liệu đã hấp phụ Ba2+ với dung dịch acid hoá ammonium chloride.
Sơ đồ cột hấp phụ trao đổi ion được mô tả như sau:
(1): Ống thuỷ tinh (2), (4): Bông thuỷ tinh (3): Nhựa cationit
Lưu ý:
– Trong trường hợp quá trình hấp phụ trao đổi ion được thực hiện với pH > 6,5 cần cách li hệ hấp phụ với không khí để tránh Ba2+ hấp thụ CO2 trong không khí, tạo thành kết tủa BaCO3 bám trên vật liệu hấp phụ và ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
– Khi xác định khả năng hấp phụ trao đổi ion của các cationit bằng phương pháp này, đặc biệt với các cationit yếu, cần phải sử dụng dung dịch đệm. Bởi vì, trong trường hợp không sử dụng dung dịch đệm, pH của dung dịch sẽ thay đổi rất lớn ngay cả khi một lượng H+ rất nhỏ bị thay thế, dẫn đến
cân bằng hấp phụ thay đổi và sự thay thế ion H+ bằng ion Ba2+ sẽ trở nên không đáng kể. Theo tính toán, để thay đổi giá trị pH cân bằng từ 5,5 lên 6,5 đối với khoảng vài gam nhựa trao đổi ion cần sử dụng vài trăm lít dung dịch barium chloride 0,100 N.
III. HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ 1. Hoá chất 1. Hoá chất
– Barium chloride, BaCl2 – Barium hydroxide, Ba(OH)2
– Hydrochloric acid, HCl – Acetic acid/ maleic acid
– Ammonium chloride, NH4Cl – Nước cất
– Methyl orange
– Sodium sulfate Na2SO4.
2. Dụng cụ, thiết bị
– Các dụng cụ thuỷ tinh thông dụng: cốc, ống thuỷ tinh, phễu thuỷ tinh, buret – Cột hấp phụ trao đổi ion
– Máy đo pH – Cân điện tử – Giấy lọc.
IV. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
Cần thực hiện 2 – 3 thí nghiệm song song.