Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 7: Trao đổi ion

1LOGO TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 7: TRAO ĐỔI ION Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương ThS Nguyễn Văn Phương Mục tiêu v Hiểu được cơ sở các quá trình trao đổi ion. v Vận dụng lựa chọn các qui trình xử lý chất thải bằng phương pháp trao đổi ion. Chương 7: TRAO ĐỔI ION 7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION 7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION 7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION v Chất trao đổi ion thông thường được hiểu là vật liệu rắn không tan trong nước, gắn trên mình nó là các cation hay anion có thể trao đổi được. Ø Cationit là loại trao đổi cation (+). Ø Anionit là loại trao đổi anion (-). v Chất trao đổi ion lưỡng tính là loại trao đổi cả ion dương và âm. 7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2v Trao đổi ion là sự thay thế của một ion (cation hay anion) từ dung dịch với một ion cùng dấu được cố định bởi lực tĩnh điện trên một chất rắn không tan b1 v Dung lượng trao đổi ion là khả năng trao đổi tính bằng mol hay đương lượng của một chất trao đổi trên một đơn vị khối lượng. v dung lượng động ≤ dung lượng tĩnh ≤ mật độ nhóm chức. Cơ chế trao đổi ion có thể biểu diễn: R- I+ + M+X- ⇌ R- M+ + I+X- R+Y- + M+X- ⇌ R+X- + M+Y- R- như R’-SO3-, R’-COO- (đối với cationit) R+ như R’–NH3+ (đối với anionit). I+ thường H+; Na+. Y- thường Cl- ; OH-. v Quá trình trao đổi dựa trên sự cạnh tranh lực tương tác tĩnh điện giữa bị ion trao đổi và ion trao đổi. v Quá trình trao đổi tuân thủ theo qui tắc cân bằng điện tích. Slide 5 b1 thi nha bebe, 09-Oct-10 37.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION v Chất trao đổi ion để cập ở đây là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. v Chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi. Bảng 7.1. Cấu trúc của chất trao đổi ion Dạng chất trao đổi Mạng chất rắn Điện tích nhóm chức Ion linh động Cationit Anionit Lưỡng tính Vô cơ, hữu cơ Vô cơ, hữu cơ Vô cơ, hữu cơ Âm Dương Âm, dương Dương Âm Âm, dương v Các chất trao đổi ion yếu phụ thuộc vào pH. v Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở trạng thái trung hòa tại điểm đẳng điện. Mã Thiết bị: CATION AXIT MẠNH SYN 07 Công dụng: Hạt nhựa trao đổi ion trong nước Nhóm chức năng : Sulfonic acid Mạch cao phân tử : Dvb/styrene Hình dạng bên ngoài : Màu vàng, trong Dạng ion : Na+. Mã Thiết bị: NHỰA CATION 220NA Indion 220Na là loại nhựa trao đổi cation gốc axít mạnh, dạng hạt keo, được sản xuất từ quá trình sunfon hoá hợp chất cao phân tử trùng hợp từ polystyrene. Công dụng: được dùng để làm mềm nước, khử chất ô nhiễm amôni hoặc khử khoáng. Nhóm chức năng : -SO3- Na+ Dạng ion : Na+. 4Mã Thiết bị: NHỰA ANION GS300 Indion GS300 là loại nhựa trao đổi anion gốc bazơ mạnh – dạng 1 (tính kiềm mạnh nhất), dạng hạt keo, được sản xuất từ polystyrene copolymer với 4 nhóm chức NH4. Công dụng: khử anion trong các thiết bị khử khoáng. Gốc ion: Cl-- 7.2.1. Vật liệu trao đổi ion vô cơ v Chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp. v Dung lượng trao đổi của chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit (tỷ lệ SiO4/AlO4), độ sạch của sản phẩm, nhìn chung ít ổn định. v Khoáng sét cấu trúc lớp: khả năng trương nở cao, quá trình trao đổi ion dễ dàng hơn nhưng có độ bên cơ học thấp, kích thước nhỏ khó sử dụng trong thực tiễn. 7.2.2. Vật liệu trao đổi ion trên than vĐọc tài liệu 7.2.3. Nhựa trao đổi ion v Nhựa trao đổi ion ở dạng gel, không tan trong nước do cấu trúc mạng không gian ba chiều của polyme mạch carbon. v Trong mạng polyme có chứa: Ø Các nhóm chức – SO3-, – COO-, – PO3-, – AsO32- đối với các cationit. Ø Các nhóm : – NH3+, – RNH2+, – NR2H+, -NR3+ (amin bậc 4), amin bậc 3, amin bậc 2, ≡ S+ đối với anionit. Mạng polyme có tính kỵ nước, các nhóm chức trong mạng có tính ưa nước. 5v Liên kết ngang: quyết định độ xốp, trương nở, linh động ion, Độ dẫn điện, Độ bền nhiệt, Độ bền cơ, Độ bền hóa học. v Nhóm chức quyết định tính năng trao đổi thông qua mật độ nhóm chức và bản chất nhóm chức. 7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION 7.3.1. Hiện tượng trương nở vVật liệu có khả năng thu hút dung môi, khi đó vật liệu này lớn lên về thể tích với mức độ nhất định, đó là hiện tượng trương nở. vTrong vật liệu trao đổi ion thì trương nở là quá trình có tính cân bằng: ØXu hướng tan của các thành phần phân cực và mang điện tích. ØLực co đàn hồi của mạng polyme ba chiều. v Các hạt nhựa trao đổi ion có tính trương nở do mạng polymer có cấu trúc ko gian 3 chiều v Cơ chế quá trình trương nở: 1) Nhóm chức và ion mang điện tích: tạo lớp vỏ hydrat. 2) Áp suất thẩm thấu nồng độ bên trong hạt nhựa và bên ngoài dung dịch. 3) Tương tác đẩy các nhóm cùng dấu trong mạng. 6Các yếu tố ảnh hưởng khả năng trương nở: v Bản chất dung môi. v Bản chất hóa học của nhóm chức. v Mật độ nhóm chức. v Bản chất của ion trao đổi. v Mức độ liên kết ngang. 7.3.2. Hấp thụ các chất tan 7.3.2.1. Hấp thụ các chất trung hòa vSự san bằng nước trong mạng trao đổi với phân tử tan. vCó sự trao đổi hay tạo phức với các ion trao đổi. vTương tác lưỡng cực giữa các phân tử với nhau và với các nhóm phân cực của chất tan. vKích thước phân tử lớn dễ hấp phụ. v Một lượng nhỏ các ion khuếch tán ban đầu tạo nên sự khác biệt về điện thế giữa hai pha – thế năng Donnan. 7.3.2.2. Hấp thụ các chất điện ly mạnh 7.3.3. Cân bằng trao đổi ion v Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và về mặt lý thuyết, nó được khảo sát rất kỹ ngay từ khi hiện tượng trao đổi ion được nhận biết. 77.3.3.1. Đẳng nhiệt trao đổi ion, hệ số tách, hệ số chọn lọc v Đẳng nhiệt trao đổi ion là một đại lượng đặc trưng mô tả cân bằng trao đổi ion của hệ. v Hệ số tách AB BA AB BA AB BAA B xx xx CC CC mm mm . . . . . . ===a v Hệ số chọn lọc phụ thuộc vào một loạt yếu tố: mức độ liên kết ngang của nhựa, hóa trị của ion trao đổi, nồng độ ion trong dung dịch. Độ chọn lọc trao đổi ion Độ chọn lọc trao đổi ion cao với các ion trao đổi : § Có hóa trị cao. § Có lớp vỏ hydrat nhỏ. § Có độ phân cực lớn. § Tương tác mạnh với nhóm chức mang điện và với mạng polyme. § Ít tạo kết tủa và tạo phức bền với ion đi kèm trong dung dịch. Độ chọn lọc trao đổi được tăng cường với nhựa có độ liên kết ngang cao và với độ loãng của dung dịch, với các ion gây độ trương nở thấp. 7.3.4. Chất trao đổi ion có cấu trúc đặc biệt v Đối với các chất trao đổi ion có nhiều loại nhóm chức: v Xét một cationit chứa hai loại nhóm chức: carboxylic và sulfonic. v Zeolit cũng là một họ chất trao đổi ion. 87.3.5. Hệ chứa nhiều ion trao đổi v Khi tiếp xúc giữa chất trao đổi ion với một hỗn hợp ion trao đổi, tốc độ trao đổi của từng ion là rất khác nhau vì vậy nồng độ của một ion nào đó trong dung dịch cũng như trong nhựa có thể đạt các giá trị cực đại hay cực tiểu trước khi đạt tới trạng thái cân bằng. 7.3.6. Cân bằng trao đổi trong hệ chứa tác nhân tạo phức v Cân bằng trao đổi và cân bằng hấp phụ bị tác động rất mạnh bởi quá trình tạo phức chất của các thành phần có mặt trong hệ: ion trao đổi, ion đi kèm, các phân tử trung hòa. Tạo phức có ảnh hưởng đáng kể đến tính trao đổi chọn lọc của hệ. 7.3.6.1. Cân bằng trao đổi cation khi có mặt anion tạo phức v Khi nồng độ anion tạo phức thấp, sự tạo phức sẽ kém và phức hình thành có số phối trí nhỏ, tính chất trao đổi ion của hệ không khác nhiều so với trạng thái cân bằng trao đổi thông dụng. v Khi nồng độ anion tạo phức cao, quá trình tạo phức và phức có số phối trí cao diễn ra thuận lợi, tính chọn lọc trao đổi của cationit giảm đối với cation. 7.3.6.2. Cân bằng trao đổi anion khi có mặt anion tạo phức v Khi nồng độ của nó thấp khả năng tạo phức thấp hoặc chỉ tạo ra phức có số phối trí nhỏmang điện tích dương. v Tăng dần nồng độ chất điện ly trợ giúp dẫn đến khả năng hấp thu của cationit đối với phức trung hòa. 97.3.7. Trao đổi phối tử v Chất trao đổi phối tử (Chất trao đổi ion chứa ion kim loại tạo phức chất) có ưu thế là kết hợp được giữa dung lượng hấp thu cao với độ chọn lọc cao đối với phối tử. 7.3.8. Phản ứng với các vật liệu có độ tan thấp v Chất trao đổi ion có khả năng hòa tan một số chất rắn có độ tan thấp như CaCO3, PbSO4, AgCl. 7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION Đối tượng nghiên cứu của động học trao đổi ion gồm: v Cơ chế của quá trình trao đổi v Giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình v Phương trình mô tả tốc độ trao đổi v Khả năng dự đoán tốc độ trao đổi ion về mặt lý thuyết. 7.4.1. Cơ chế trao đổi ion v Từ trong hạt nhựa các ion A khuếch tán ra ngoài dung dịch, các ion B khuếch tán từ dung dịch vào hạt nhựa trao đổi. Quá trình khuếch tán ngược chiều nhau của ion A và B gọi là trao đổi ion. v Mỗi một ion trao đổi rời khỏi hạt nhựa phải được thay thế bởi một ion tương đương về điện tích từ ngoài dung dịch đi vào. 10 7.4.2. Giai đoạn quyết định tốc độ Các quá trình động học trao đổi ion bao gồm: 1) Khuếch tán của ion trao đổi trong dung dịch đến sát lớp màng bao quanh hạt trao đổi ion (khuếch tán ngoài) 2) Khuếch tán qua màng 3) Khuếch tán bên trong hạt nhựa tới các trung tâm trao đổi 4) Phản ứng trao đổi ion v Tốc độ trao đổi ion được quyết định bởi quá trình chậm nhất v Tốc độ khuếch tán trong hạt hay xung quanh màng thường khống chế tốc độ trao đổi ion