Phuơng pháp trao đổi ion

PHUƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION 1- Giới thiệu Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải cũng như nước cấp Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,…),các hợp chất của asen, photpho, xianua và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao. Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng. 2- Cơ sở của phương pháp: Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn .Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau . Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vận hành và tái sinh liên tục ; và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và tái sinh gián đoạn. Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến. 3- Nhựa trao đổi ion Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit ,các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit. Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính . Về cấu tạo : trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần .Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính ). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử. Dùng phương pháp tổng hợp hoá học ,người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựa trao đổi ion (resin) .Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styren vàdivinylbenzen(DVB). Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những cầu nối giữa các polime có tính không hoà tan và giai bền. Cầu nối trong Resin là cầu nối 3 chiều. Trong Resin có cấu trúc rỗng . Phân loại : có 4 loại Resin - Resin Cation acid mạnh - Resin Cation acid yếu - Resin Anion bazơ mạnh - Resin Anion bazơ yếu Tính chất vật lý o Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút. o Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn o Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến đổi lớn. o Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) , hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt). o Tính chịu nhiệt : các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định , vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được . Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20- 50o C. o Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion. o Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm. o Tính chịu mài mòn : trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và nở ngót , có khả năng dể vỡ vụn . Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó. o Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ) Tính năng hoá học: Dung lượng trao đổi Dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion. Có 2 phuơng pháp biểu thị dung lượng trao đổi .Theo thể tích đlg/m3; theo khối lượng mgđl/g. -Tổng dung lượng trao đổi : chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi . - Dung lượng trao đổi cân bằng : biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch nào đó đã định ,nên không phải là hằng số - Dung lượng trao đổi làm việc : Dung lượng trao đổi được xác định dưới điều kiện vận hành thực tế. Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion: Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch . Dựa trên tính chất này người ta dùng dung dịch chất hoàn nguyên , thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó . CaR 2 + 2H +( nhựa trao đổi)Thí dụ : 2HR + Ca 2+ 2HR + Ca 2+(hoàn nguyên)CaR 2 + 2H+ Tính acid , kiềm : tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH ,giống chất điện giải acid, kiềm. Tính trung hoà và thuỷ phân : tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường . Tính chọn lựa của chất trao đổi ion - Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch , nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng. 4- Thứ tự ưu tiên khi trao đổi Đối với nhựa Cationit acid mạnh(SAC) , Fe 3+>Al 3+> Ca 2+>Mg 2+ > K+>H+>Li+ Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC) H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+> Na+>Li+ Đối với nhựa Anionit kiềm mạnh (SBA) Đối với nhựa anionit kiềm yếu (WBA) - 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 . 5- Cơ chế trao đổi ion Có rất nhiều giả thuyết giải thích cơ chế quá trình trao đổi ion hiện nay còn chưa thống nhất .Trong công nghệ xử lý nước giả thuyết thích hợp nhất coi chất trao đổi ion là vật chất có cấu tạo dạng keo .Trên quan điểm đó ,nguời ta cho rằng trên bề mặt cao phân tử của chất trao đổi ion có rất nhiều lớp điện tích kép giống bề mặt keo. 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: o 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. o 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 dộ quá trình trao đổi ion 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 . Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion - 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 .