Ki thuat tach va lam sach phuong phap trao doi ion gv quach thi phuong

1.GIỚI THIỆU
1.1. Lịch sử phát triển
-Tách muối chuyển nƣớc lợ thành nƣớc ngọt bằng cách dùng một loại
khoáng tự nhiên
-1850: Hai nhà bác học ngƣời Anh (Thompson và Way) đã tìm ra hiện
tƣợng trao đổi ion trong đất sét (giữa amonium và calcium)
-1903: Hamp và Rümpler (Đức) đã tổng hợp đƣợc vật liệu trao đổi ion
công nghiệp đầu tiên
-1935: Adams và Holmes đã tìm thấy tính chất trao đổi ion của vật liệu
làm đĩa hát. Đây là khởi nguồn cho việc tổng hợp ra các loại vật liệu trao
đổi ion từ polyme tổng hợp.
-1944: Ra đời co-polyme và styren - divinylbenzen
-1950: Ra đời các màng tổng hợp trao đổi ion 2

1.GIỚI THIỆU
1.2. Ứng dụng của quá trình trao đổi ion
-Ứng dụng lớn nhất cho đến nay vẫn là làm mềm nƣớc, khử ion kim loại
nặng để sản xuất nƣớc tinh khiết cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp
(đặc biệt là nƣớc có độ tinh khiết cao)
-Thu hồi ion kim loại nặng trong nƣớc thải
-Làm giàu các nguyên tố đất hiếm và nguyên tố phóng xạ
-Làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ
-Ứng dụng trong kỹ thuật phân tích
-Ứng dụng trong kỹ thuật phân tách bằng sắc ký và hấp phụ
3
-Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm (xử lý nƣớc hoa quả, đƣờng...)
-Ứng dụng trong công nghiệp dƣợc phẩm

2.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2.1. Cấu trúc của nhựa trao đổi ion
2.1.1. Vật liệu trao đổi ion
-Vật liệu trao đổi ion là các vật liệu rắn không hòa tan có chứa các cation
hoặc anion có khả năng trao đổi đƣợc. Các ion có thể trao đổi đƣợc cân
bằng về mặt tỷ lƣợng hóa học với các ion khác cùng dấu khi vật liệu trao
đổi ion tiếp xúc với dung dịch chất điện ly.
-Phân loại theo chức năng:
+ Vật liệu trao đổi cation
+ Vật liệu trao đổi anion
+ Vật liệu trao đổi lƣỡng tính
4

2.1.2. Phân loại vật liệu trao đổi ion
-Vật liệu trao đổi ion tự nhiên (Khoáng trao đổi ion): Phần lớn đƣợc tìm
thấy trong tự nhiên là các khoáng zeolite, cấu tạo từ các tinh thể
aluminoisilicat, đây là sản phẩm của đá và tro núi lửa phản ứng với
nƣớc ngầm chứa kiềm (Đa phần là vật liệu trao đổi cation)
-Vật liệu trao đổi ion nhân tạo (Nhựa trao đổi ion): Vật liệu đƣợc sử dụng
nhiều nhất hiện nay là nhựa trao đổi ion do chúng có độ bền cơ, bền hóa
cao, dung lƣợng và tốc độ trao đổi lớn
5
2 2 3 2 2 2 2 3 2 2
2 3 2 2 2 2 3 2 2 2
. .4 .2 2 . .4 .2 2
. .6 .5 2 . .6 .5
aq aq
aq aq
Na O Al O SiO H O KCl K O Al O SiO H O NaCl
CaO Al O SiO H O KCl K O Al O SiO H O CaCl
  
  

2.1.3. Nguyên lí chung để tổng hợp nhựa TĐ ION
- Các chất điện ly hữu cơ monome có thể đƣợc polyme hóa để tạo
thành mạng có các liên kết ngang. Các monome không chứa các nhóm
ion đƣợc tổng hợp thành polyme sau đó gắn các nhóm ion cố định để
tạo thành mạng phức hợp
- Quá trình polyme hóa và gắn các nhóm ion cố định có thể có thể diễn
ra đồng thời trong một quá trình
6
Có thể tổng hợp nhựa trao đổi ion theo các cách sau:

2.1. Vật liệu trao đổi ion
- Cấu trúc chung của nhựa trao đổi ion:
- Thông thƣờng, khung nhựa là các polyme, có thêm tác nhân tạo liên
kết ngang (DVB) để tạo cấu trúc không gian, làm tăng độ bền của nhựa
7
Nhựa TĐ ion
(Ion-
exchange
resin)
Khung
nhựa
(polymer
matrix)
Nhóm chức
(functional
groups)

a. Khung nhựa:
- Các dạng khác:
Phenol formaldehyde resins
Polyalkylamine resins
8
Polystyren
matrix (A)
Polyacrylic matrix

b. Nhóm chức: Nhóm trao đổi cation
+ Nhựa Axit mạnh (sulfonic groups): Cho A phản ứng với axit sunfuric
hoặc axit clohydric đặc sẽ thu đƣợc dạng nhựa axit mạnh.
9
Ví dụ các dạng nhựa axit mạnh:
Amberlite IR 120,
Dowex HCR,
Lewatit S 100.

b. Nhóm chức: Nhóm trao đổi cation
+ Axit yếu (carboxylic groups):Đƣợc tạo thành khi thủy phân
polymethylacrylate hoặc polyacrylonitrile để tạo thành poly(acrylic acid).
10
Ví dụ các dạng nhựa axit yếu:
Amberlite IRC 86,
Lewatit CNP

b. Nhóm chức: Nhóm trao đổi anion
+ Nhựa polystyren (đi từ A)
11
Polystyren
matrix
+ chloromethyl
methyl ether
AlCl3
SnCl2
Chloromethylated
polystyrene
R: –CH2N+(CH3)3Cl– type 1 resin
–CH2N+(CH3)2CH2CH2OHCl– type 2 resin
–CH2N(CH3)2 no charged

+ Nhựa polystyren (đi từ A)
12
Nhựa loại 1: Là loại nhựa bazo mạnh, Loại bỏ hầu hết các anion, kể cả silica
Nhựa loại 2: Là loại nhựa bazo mạnh nhƣng kém hơn loại 1, loại bỏ hầu hết
các ion, nhƣng khi tái sinh tốt hơn trong dung dịch kiềm (hiệu quả tái sinh)
Nhựa bazo có nhóm hoạt động là amin thƣờng có tính bazo yếu: khi có mặt
amin bậc 3 thƣờng đƣợc gọi là nhựa trung bình; nhóm amin cơ sở có tính
bazo rất yếu và ít đƣợc sử dụng.
Nhựa bazo yếu đƣợc sử dụng nhiều là loại nhựa có nhóm amino bậc 3, nó
hấp thụ hầu hết các axit mạnh trong dd nhƣng lại trơ với các dung dịch muối
trung hòa hoặc axit yếu.
Note:

- Liên kết ngang bậc 2: Trong quá trình chloromethylation, nhóm chlomethyl
trong vòng đã phản ứng phản ứng với vòng chƣa phản ứng để tạo thành cầu
methylene, tạo thêm cross-linked.
13
+ Các điều kiện ảnh hƣởng: Xúc
tác, nhiệt độ…
+ Nhựa polystyrene bazo mạnh
và bazo yếu đều có một vài độ
liên kết ngang bậc 2

- Liên kết ngang bậc 3: Trong quá trình amination của nhựa bazo yếu, nhóm
bazo mạnh bậc 4 đƣợc tạo ra cùng với các nhóm bazo yếu bậc 3.
14

-Nhựa polyacrylic: Đƣợc chế tạo tƣơng tự nhựa polystyren. Các este
acrylic đồng trùng hợp với DVB để tạo thành các chuỗi nhờ tác nhân
polyme hóa dạng lơ lửng hoặc xúc tác là gốc tự do. Polyacrylat tạo ra
đƣợc gắn các nhóm chức bằng cách phản ứng với các amin đa chức có
chứa ít nhất 1 nhóm amin bậc 1 và bậc 2 hoặc bậc 3. Các nhóm amin
bậc 1 phản ứng với polyeste để tạo thành amit, trong khi đó các nhóm
amin bậc 2 và bậc 3 tạo thành các nhóm hoạt động của nhựa trao đổi
ion. Phƣơng pháp này luôn tạo nhựa bazo yếu, khi xử lý với clometan
hoặc dimetyl sulfat sẽ tạo đƣợc nhựa bazo mạnh bậc 4.
15

16
Về nguyên tắc, có thể
tạo ra nhiều loại nhựa
trao đổi ion từ nhiều hợp
chất hóa học khác
nhau. Thực tế, lượng sử
dụng không nhiều do
tính khả thi và hiệu quả
kinh tế

c. Các dạng nhựa khác: Khi kết hợp các polyme ở trên với các nhóm
chứa khác nhau sẽ thu đƣợc các loại nhựa khác nhau:
17
Table 1. Principal active groups of ion exchangers used for selective uptake of metals

- Nhóm thiol tạo ra liên kết rất bền với kim loại nặng, đặc biệt là thủy
ngân.
- Nhóm aminodiacetic, aminophosphonic, và amidoxime tạo thành
những phức kim loại và nó có độ bền phụ thuộc vào pH, do vậy có thể
hấp phụ chọn lọc các kim loại nặng bằng cách thay đổi pH. Loại vật liệu
này đƣợc gọi là “chelating resins” hoặc “complexing resins”
18

d. Nhựa hấp phụ và polyme trơ:
Phải nhấn mạnh rằng nhựa hấp phụ không phải là nhựa trao đổi ion
nhƣng cũng tƣơng tự nhƣ nhựa trao đổi ion. Loại này có độ xốp lớn,
đƣợc sử dụng để hấp phụ các phần tử không phải là ion hoặc tính ion
yếu và đƣợc coi nhƣ phần bổ sung cho trao đổi ion. Chúng có thể có
nhóm trao đổi cation, anion hoặc không có nhóm trao đổi ion nào, có
tính trơ ion. Theo chiều giảm dần của độ phân cực, nhựa hấp phụ có thể
phân loại theo các dạng sau:
19

d. Nhựa hấp phụ và polyme trơ
20
Ionized
adsorbents
• are strongly basic exchangers
• used in chloride form for color removal from sugar juices or as “organic
scavengers” (e.g., Amberlite IRA958)
Phenolic
adsorbents
• contain weakly basic amine and phenolic groups or phenolic groups, only
• remove color bodies (colored impurities) from solutions of organic acids and
food-processing streams (e.g., Duolite A561, XAD761).
Inert
adsorbents
• are macroporous copolymers of styrene and divinylbenzene with a very high
degree of cross-linking and a large surface-to-volume ratio
• remove organic, weakly ionized, or nonionic substances, such as phenols,
chlorinated solvents, antibiotics, and complexing agents, from aqueous or
organic solutions (e.g., Amberlite XAD4, Diaion HP20).

- Polyme trơ: Polyme trơ không có độ xốp và không có nhóm hoạt động,
đƣợc sử dụng để phân tách 2 lớp nhựa hoặc dùng để giữ nhựa từ hệ
thống thu gom nhựa.
21

2.2. Đặc tính của nhựa trao đổi ion
- Độ liên kết ngang và độ xốp
22
Khi tăng độ liên kết ngang (tăng hàm lƣợng DVB) làm cho nhựa cứng
hơn, ít tính đàn hồi hơn và ngƣợc lại. Phân tích?
Liên kết ngang và ái lực: Tính linh động của ion trong nhựa càng lớn thì
sự hấp phụ các ion khác nhau có cùng điện tích không khác nhau nhiều.
Do vậy độ liên kết ngang của nhựa phải đủ lớn để có sự phân biệt ái lực
của nhựa với các ion. VD trong xử lý nƣớc, đối với nhựa sulfonated
polystyrene có hàm lƣợng DVB vào khoảng 8%. Lớn hơn hay nhỏ hơn
8%?
1

- Độ liên kết ngang và độ xốp
23
- Sự không đồng đều trong khung nhựa: LK ngang làm giảm sự giữ
nƣớc trong nhựa. Thể tích nƣớc bị chiếm là thƣớc đo độ xốp của nhựa.
Liên kết ngang không đồng đều vì phản ứng giữa DVB – DVB thƣờng
nhanh hơn của DVB – styren, quá trình polyme hóa xảy ra xung quanh
các phân tử xúc tác và polyme hình thành nhanh hơn ở phía nhiều DVB
hơn so với phía nhiều styren. Những polyme với 8% DVB tổng có thể
chứa những vùng cực nhỏ có 20% DVB trong khi các vùng khác chỉ
chứa khoảng 4% DVB.
1

- Sự trƣơng nở
24
Khi cho nhựa vào một dung môi làm thể tích nhựa tăng lên. Nhựa trao
đổi ion có thể trƣơng nở trong nƣớc và các dung môi phân cực.
2
+ Cân bằng trƣơng nở là sự cân bằng của các ái lực
+ Sự trƣơng nở của nhựa là sự cân bằng của các ái lực, không ngẫu
nhiên mà tuân theo các qui luật:
• Độ phân cực của dung môi
• Mức độ liên kết ngang
• Tính linh động của nhóm ion cố định
• Nồng độ dung dịch điện ly

- Khối lƣợng riêng của nhựa
25
Khối lƣợng riêng của nhựa ảnh hƣởng tới tính chất thủy động (dòng nƣớc di
chuyển) ở các hệ dòng đối (ngƣợc dòng).
3
Strongly acidic cation exchangers 1.18 – 1.38 (1.28)
Weakly acidic cation exchangers 1.13 – 1.20 (1.18)
Strongly basic anion exchangers 1.07 – 1.12 (1.10)
Weakly basic anion exchangers 1.02 – 1.10 (1.05)
Chọn nhựa có kích thƣớc thích hợp, có thể sử dụng nhiều loại nhựa khác nhau
trong cùng một thiết bị, thích hợp cho thiết bị lớp cố định.?
Khối lƣợng riêng có thể tăng lên bằng cách gắn các nguyên tử clo hay brom
vào khung nhựa. Thích hợp đối với thiết bị lớp sôi.?

- Cỡ hạt của nhựa
26
Cỡ hạt ảnh hƣởng đến tốc độ phản ứng.
Hạt kích thƣớc nhỏ?
Hạt kích thƣớc lớn?
• Đƣờng kính trung bình: Kích thƣớc lỗ cho phép 50% hạt lọt qua
• Độ đồng nhất của hạt đƣợc đánh giá thông qua hệ số đồng nhất UC
(Uniformity Coefficient)
UC1 có ý nghĩa gì?
4

27
- Dung lƣợng trao đổi của nhựa:
Dung lƣợng trao đổi tổng cộng của nhựa là tổng số các ion có thể trao
đổi biểu diễn theo số đƣơng lƣợng (mini đƣơng lƣợng)/1kg nhựa khô
(dung lƣợng trọng lƣợng, Cp, eq/kg ) hay 1 lít nhựa đã trƣơng (dung
lƣợng thể tích, Cv, eq/l)
Trong nhựa trao đổi polystyren, số ion có thể trao đổi tối đa có thể đƣợc
tính dựa vào 1 vòng benzen có chứa nhóm chức.
Khi biết khối lƣợng riêng và % lỗ trống của lớp nhựa trong cột có thể
chuyển từ Cp sang Cv.
5

28
Ví dụ: Một nhựa trao đổi ion dạng bazo mạnh nhƣ sau: 8% liên kết
ngang (8% DVB), dung lƣợng Cp = 3,8 meq/g. Nhựa đã trƣơng nở có
khối lƣợng riêng ρ = 1,1 g/ml và hàm lƣợng nƣớc là s = 45%; Phần thể
tích trống là 0,4. Cv = ?
5

29
Type Amberlite Cp, eq/kg Cv, eq/L
Strongly acidic gel, 8 %
DVB
IR120 4.5 (Na) 2.05 (Na)
Weakly acidic gel IRC86 11.0 (H) 4.2 (H)
Strongly basic, type 1 IRA402 3.9 (Cl) 1.3 (Cl)
Strongly basic, type 2 IRA410 3.6 (Cl) 1.3 (Cl)
Strongly basic acrylic IRA458 4.2 (Cl) 1.3 (Cl)
Weakly basic styrene IRA96 4.7 (free base) 1.25 (free base)
Weakly basic acrylic IRA67 5.6 (free base) 1.6 (free base)
Table 2. Typical capacities of ion-exchange resins
5

30
Dung lƣợng vận hành của nhựa: Là dung lƣợng trao đổi của nhựa trong
điều kiện thực tế (điều kiện vận hành)
• Nồng độ và loại ion trong dung dịch
• Tốc độ dòng
• Chiều dày của lớp nhựa
• Loại, nồng độ và lƣợng chất tái sinh
5

31
Lƣu ý:
• Các cationit axit yếu R-COOH chỉ ion hóa ở pH cao, ở pH thấp chúng
không phân ly. Tƣơng tự các bazo yếu RNH3Cl ở pH cao tạo RNH2
không mang điện:
Các loại nhựa này có dung lƣợng vận hành phụ thuộc vào pH của dung
dịch thao tác:
5
OHNaClRNHNaOHClRNH 223 

32
- Dung lƣợng trao đổi của nhựa:5
Cp, dung lƣợng vận hành
pH
3 5 7 9
Nhựa bazo
yếu
Nhựa axit
yếu
iLT itt
HCl 2 1,9
NaCl 2 1,9
MgCl2 3 2,3
MgSO4 2 1,7
Hệ số điện ly

33
• Cách xác định dung lƣợng tổng cộng của nhựa dạng RSO3H
• Có thể xác định dung lƣợng tổng cộng của nhựa bằng dung dịch
NaOH có mặ NaCl
5
  
 HRSO
HRSO
K
HRSOHRSO
lip
3
3
.
33
. 




34
Độ bền và thời gian làm việc
• Độ bền hóa của khung nhựa
Khung nhựa có chứa liên kết ngang nên đủ bền để không bị tan trong
các dung dịch hóa học.
Dƣới tác động của điều kiện oxi hóa mạnh?
• Độ bền nhiệt của nhóm ion
Nhựa trao đổi cation-sunfonic (SO3H) rất bền với nhiệt
Nhựa trao đổi anion kém bền nhiệt hơn. Nhóm amin bậc 4 trong nhựa
bazo mạnh bị chuyển thành bậc 3 (nhựa bazo yếu) hoặc bị phá hủy luôn
nhóm chức
Nhựa loại 1 bền nhiệt nhất. Nhựa loại 2 dễ bị phá hủy do nhóm OH- làm
yếu liên kết.
6

35
Độ bền và thời gian làm việc6

36
Độ bền và thời gian làm việc
• Độ bền cơ
Phụ thuộc vào hình dạng của hạt nhựa
Phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng
Phụ thuộc vào độ liên kết ngang
• Độ bền thẩm thấu
Khi làm việc, nhựa phải trao đổi với nhiều loại ion khác nhau, các ion có
kích thƣớc khác nhau làm cho lớp hydrat hóa cũng có kích thƣớc khác
nhau. Do vậy, nhựa có thể phồng lên hay xẹp đi trong quá trình trao đổi.
 Có sự cân bằng giữa độ bền cơ và độ bền thẩm thấu?
• Độ bền khi sấy khô nhựa
Làm khô hay ẩm nhựa liên tục ảnh hƣởng đến độ bền của nhựa?
6

3. PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ION
3.1. Trao đổi cation
37
Thông thƣờng, phản ứng trao đổi cation để loại bỏ những ion không
mong muốn trong dung dịch nhƣng không làm thay đổi tổng nồng độ ion
hay độ pH. Nhựa trao đổi cation có nhiều dạng nhƣng dạng phổ biến
nhất là của ion Na+ ?
Ví dụ:

38
Trao đổi H+ trong nhựa axit mạnh (SAC)
Sự thay thế các ion kim loại trong dung dịch bằng ion H+ làm giảm tổng
lƣợng chất rắn hòa tan trong dung dịch và tạo axit tự do:
Phản ứng này đƣợc ứng dụng khi nào?
 “Salt splitting”
Tái sinh nhựa bằng gì?
1

39
Trao đổi H+ trong nhựa axit yếu (WAC)
Đặc trƣng bởi nhóm carboxylic (-COOH) – axit yếu.
Nhựa này chỉ bị ion hóa nhẹ trong môi trƣờng axit.
Có ái lực lớn đối với ion kim loại hóa trị II, và do vậy, bị ion hóa trong môi
trƣờng axit nhẹ (tối đa đến pH 4,5).
2

40
Tuy nhiên, H+ trong nhựa WAC không thể loại bỏ một lƣợng lớn các ion
kim loại trong dung dịch vì lƣợng axit tạo ra làm giảm pH và ngăn cản sự
trao đổi của nhựa. Cách khắc phục?
2
Do nhựa WAC có ái lực mạnh đối với ion kim loại hóa trị II và chỉ có ái
lực trung bình với ion kim loại hóa trị I nên nhựa này có dung lƣợng trao
đổi lớn khi loại bỏ ion Ca2+ và Mg2+ trong dung dịch nhƣng chỉ loại bỏ
lƣợng nhỏ ion kim loại kiềm.

41
Sự chọn lọc trong nhựa axit yếu và nhựa phức hợp: Nhóm carboxylic chỉ
trao đổi tốt ion hóa trị cao hơn so với ion hóa trị I nên chúng dùng để
trao đổi các ion hóa trị cao trong khi dung dịch có hàm lƣợng lớn ion hóa
trị I. Để làm đƣợc điều này, nhựa đƣợc chuyển thành dạng ion kim loại
hóa trị I:
2

3.2. Trao đổi anion
42
Nhựa trao đổi anion bazo mạnh (SBA): RCl
Loại nhựa đƣợc sử dụng nhiều nhất là loại nhựa bazo mạnh, dạng
nhóm chức là ion Cl-.
Quá trình này đƣợc sử dụng nhiều để loại bỏ axit hữu cơ trung tính (axit
humic…), NO3
- trong nƣớc và trong dung dịch luyện kim bằng nƣớc để
hấp phụ chọn lọc các dạng phức hợp ion:
Tái sinh bằng dung dịch NaCl
1

43
Nhựa trao đổi anion bazo mạnh (SBA) ROH
Hấp thụ axit trong nhựa bazo mạnh là dạng phổ biến nhất, khi nó đi kèm
với việc trao đổi H+ trong nhựa axit mạnh, hoàn thành quá trình khử
khoáng:
Lƣu ý tái sainh dạng nhựa RHCO3
2

44
Nhựa trao đổi anion bazo yếu (WBA)
Dạng nhựa hấp phụ axit. Loại nhựa này có nhóm chứa chứa nhóm
amin, hầu nhƣ không có dạng OH. Nhựa này chỉ bị ion hóa trong môi
trƣờng axit:
 “chloride form”
Trong môi trƣờng kiềm hay trung tính:
3

45
Nhựa trao đổi anion bazo yếu
Tái sinh bằng dung dịch NH3 hoặc Na2CO3:
3
3.3. Trao đổi cation và anion trong xử lý nƣớc
(Xem hình vẽ)

4. CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ION
4.1. Sự phân ly và giá trị pK
46
Hằng số cân bằng:
Giá trị pK:

4.2. Trao đổi hệ I-I
47
Xét phản ứng:
Áp dụng định luật tác dụng khối lƣợng:
Hay: Hoặc:
Giá trị KH
Na đƣợc gọi là hệ số chọn lọc của hệ Na+/H+.
Với mỗi cặp trao đổi ion khác nhau thì hệ số chọn lọc cũng khác nhau?

48
Cation Degree of cross-linking, % DVB
4 8 12 16
Monovalent
H * 1.0 1.0 1.0 1.0
Li 0.90 0.85 0.81 0.74
Na 1.3 1.5 1.7 1.9
NH4 1.6 1.95 2.3 2.5
K 1.75 2.5 3.05 3.35
Rb 1.9 2.6 3.1 3.4
Cs 2.0 2.7 3.2 3.45
Cu 3.2 5.3 9.5 14.5
Ag 6.0 7.6 12.0 17.0
Divalent
Mn 2.2 2.35 2.5 2.7
Mg 2.4 2.5 2.6 2.8
Fe 2.4 2.55 2.7 2.9
Zn 2.6 2.7 2.8 3.0
Co 2.65 2.8 2.9 3.05
Cu 2.7 2.9 3.1 3.6
Cd 2.8 2.95 3.3 3.95
Ni 2.85 3.0 3.1 3.25
Ca 3.4 3.9 4.6 5.8
Sr 3.85 4.95 6.25 8.1
Hg 5.1 7.2 9.7 14.0
Pb 5.4 7.5 10.1 14.5
Ba 6.15 8.7 11.6 16.5
Table 1. Relative selectivities of sulfonic resins for cations

49
Table 2. Relative selectivities of quaternary ammonium
exchangers for monovalent anions
Anion Resin
Type 1 Type 2
Hydroxide *
1.0 1.0
Benzenesulfonate >500 75
Salicylate 450 65
Iodide 175 17
Phenolate 110 27
Bisulfate 85 15
Chlorate 74 12
Nitrate 65 8
Bromide 50 6
Cyanide 28 3
Bisulfite 27 3
Bromate 27 3
Nitrite 24 3
Chloride 22 2.3
Bicarbonate 6.0 1.2
Iodate 5.5 0.5
Formate 4.6 0.5
Acetate 3.2 0.5
Propionate 2.6 0.3
Fluoride 1.6 0.3

4.3. Trao đổi hệ I-II (Làm mềm nƣớc)
50
• Nƣớc cứng là gì? Có chứa Fe3+?
• pH kết tủa của Fe(OH)3? Tính pH kết tủa của Fe(OH)3 từ dung dịch
FeCl3 ở 25 0C, biết ở nhiệt độ này TFe(OH)3=10-36.
• Các dạng độ cứng của nƣớc?
• Cách khử độ cứng?
• Tác hại của nƣớc cứng trong đời sống và trong công nghiệp?
(Tại sao phải làm mềm nƣớc?)
Xử lý cặn Fe(OH)CO3? Dùng H2SO4 hay HCl?
Dùng axit citric?

51
Xét phản ứng:
Áp dụng định luật tác dụng khối lƣợng:
Hay: Hoặc:
Giá trị KNa
Ca là hệ số chọn lọc, đặc trƣng cho ái lực tƣơng đối của nhựa
đối với ion Na+ và ion Ca2+.
K lớn thì có ý nghĩa gì?
 
 
 
 
2
2
2











Na
Na
Ca
Ca
KCa
Na

52
Nồng độ phần đƣơng lƣợng:
Với hệ khảo sát, pha dd:
Tƣơng tự với pha nhựa:
   




C
i
X
C
i
X
n
n
X ii
i
i
i
0
;
     
12
2
0
0






CaNa
Na
XX
CaNaC
C
Na
X
   
12
2





CaNa XX
CaNaC

53
Hệ số chọn lọc:
Phƣơng trình (*): Phƣơng trình đẳng nhiệt trao đổi ion, biểu diễn phần
mol ion Ca2+ trong dung dịch và trong pha nhựa.
Với C∞=const, K hầu nhƣ không thay đổi ở những giá trị nồng độ thấp
Muốn tăng (tách tốt ion Ca2 trong dd) khi Xca = const?
 
 
   
)(.
1
.
1
.
.
.
.
.
.
.
:
.
.
0
22
0
2
0
2
2
00














C
C
X
X
K
X
X
CX
CX
CX
CX
CX
CX
CX
CX
K
Ca
CaCa
Na
Ca
Ca
Ca
Na
Na
Ca
Na
Na
Ca
CaCa
Na
CaX

54
(Hình vẽ?)
CaX

55
Làm mềm nƣớc:

4.4. Trƣờng hợp tổng quát
56
Phản ứng trao đổi giữa ion A và ion B với hóa trị a và b tƣơng ứng, hệ
số chọn lọc đƣợc xác định nhƣa sau:
KA
B phụ thuộc vào điều kiện tiến hành, nhƣ nồng độ và nhiệt độ.
Khái niệm về hệ số tách:
Trong hệ I-I, hệ số chọn lọc = hệ số tách và không phụ thuộc vào tổng
hàm lƣợng muối.

57
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chọn lọc:
• Hệ số chọn lọc không phải là một hằng số mà chịu ảnh hƣởng của
một số yếu tố : ion có thể trao đổi (điện tích, kích thƣớc…), tính chất
của nhựa trao đổi ion (cỡ hạt, độ liên kết ngang, dung lƣợng và dạng
nhựa…), nồng độ tổng cộng (tỉ số nồng độ các ion có và không có
khả năng trao đổi, dạng và lƣợng các chất khác trong dung dịch tham
gia phản ứng)
• Đối với 1 cặp ion, hệ số chọn lọc thay đổi theo kích thƣớc hydrat hóa
của nó, kích thƣớc hydrat hóa lớn khi đi vào trong nhựa sẽ càng khó
(do nhựa có cấu trúc không gian và có liên kết ngang). Kích thƣớc
hydrat hóa là gì?
VD: Li+; Na+; K+; Rb+;Cs+?

58
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chọn lọc:
• Hệ số chọn lọc tƣơng đối của nhựa: Từ bảng 1 và bảng 2 (hệ số
chọn lọc của nhựa sunfonic đối với cation hóa trị I và II) có thể tính
đƣợc hệ số chọn lọc của nhựa đối với sự trao đổi của 2 ion bất kì
 Ý nghĩa?
8,1
5,1
7,2
 Na
H
Cs
HCs
Na
K
K
K

5. KỸ THUẬT TRAO ĐỔI ION
5.1. Trao đổi bậc (tƣơng tự bậc hấp phụ rắn – lỏng)
5.2. Trao đổi cột
• Lớp tĩnh
• Lớp sôi
59
Chu trình của cột trao đổi lớp tĩnh:
• Giai đoạn 1: Làm kiệt nhựa (exhaustion stage, service)
Nhựa đƣợc sử dụng đến mức trao đổi tối đa (gần đạt dung lƣợng
tổng cọng) đến khi khả năng trao đổi nhựa là tối thiểu
• Giai đoạn 2: Rửa nhựa (Backwash)
• Giai đoạn 3: Tái sinh nhựa (Regereration)
• Giai đoạn 4: Rửa sạch (Rinsing)

6. HỆ TRAO ĐỔI ION
6.1. Hệ trao đổi qui mô nhỏ
6.2. Thiết bị trong công nghiệp
6.3. Lớp nhựa hỗn hợp
60

Ki thuat tach va lam sach phuong phap trao doi ion gv quach thi phuong

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Ki thuat tach va lam sach phuong phap trao doi ion gv quach thi phuong

Similar to Ki thuat tach va lam sach phuong phap trao doi ion gv quach thi phuong (20)

More from Nguyen Thanh Tu Collection

More from Nguyen Thanh Tu Collection (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (15)

Ki thuat tach va lam sach phuong phap trao doi ion gv quach thi phuong