Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 8 Bài 2. TRAO ĐỔI ION 2.1 MỤC ĐÍCH . Ø Nghiên cứu sự biến đổi pH trong quá trình trao đổi ion . Ø Nghiên cứu quá trình trao đổi ion theo chiều dày lớp nhựa trao đổi ion. Ø Xác đònh dung lượng trao đổi làm việc của nhựa trao đổi ion . 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Để khử các tạp chất ở trạng thái ion trong nước, phương pháp được dùng nhiều nhất là trao đổi ion. Phương pháp này có thể khử tương đối triệt để các tạp chất ở trạng thái ion trong nước. Chất lượng nước thu được còn tốt hơn nước cất. Vì vậy , đây là một giai đoạn xử lý nước rất cần thiết để cấp nước cho mục đích sinh hoạt, ăn uống, cho sản xuất và cho các lò hơi ở các nhà máy điện,… Người ta sử dụng nhựa trao đổi ion trong sử lý nước cấp chủ yếu nhằm 2 mục đích khử cứng và khử khoáng . Khử cứng nhằm loại bỏ các ion Ca 2+ , Mg 2+ . Khử khoáng nhằm loại bỏ hầu hết tất cả các ion có trong nước. Khử cứng cho nước cần xử lý chảy qua cột nhựa cation ở dạng RNa 2 RNa + CaSO 4 ↔ R 2 Ca + Na 2 SO 4 2 RNa + MgSO 4 ↔ R 2 Mg + Na 2 SO 4 Khi lớp nhựa cation mất hiệu lực người ta tái sinh bằng dung dòch muối ăn NaCl R 2 Ca + 2 NaCl ↔ 2 RNa + CaCl 2 R 2 Mg + 2 NaCl ↔ 2 RNa + MgCl 2 Khử khoáng : cho nước cần xử lý chảy qua cột nhựa cation và nhựa anion riêng lẽ hay qua một cột kết hợp cả nhựa cation và anion . RSO 3 H + NaCl ↔ RSO 3 Na + HCl 2 RSO 3 H + 2 Na 2 SO 4 ↔ RSO 3 Na + H 2 SO 4 RSO 3 H + NaHCO 3 ↔ RSO 3 Na + CO 2 + H 2 O 2 RSO 3 H + Na 2 CO 3 ↔ 2 RSO 3 Na + CO 2 + H 2 O ROH + HCl ↔ RCl + H 2 O 2ROH + H 2 SO 4 ↔ R 2 SO 4 + H 2 O Khi lớp nhựa cation mất hiệu lực ngưới ta tái sinh bằng dung dòch acid HCl và dung dòch sút NaOH như sau: RSO 3 Na + HCl ↔ RSO 3 H + NaCl RCl + NaOH ↔ ROH + NaCl 2.2.1. Cân bằng trao đổi Ion. Phản ứng trao dổi ion là phản ứng thuận nghòch, giống phản ứng hoá học thông thường, cho nên người ta thường dùng đònh luật tác dụng khối lượng để nghiên cứu cân bằng trao đổi ion. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 9 Dưới đây là ví dụ chất cation tính axit mạnh HR tiếnhành trao đổi NaR trong nước phản ứng như sau: HR + Na + ↔ NaR + H + Theo đònh luật khối lượng tác dụng, khi cho phản ứng trao đổi đạt đến cân bằng [ ] [] [ ] [] + + = Na H HR NaR K Na H Trong đó : ü K H Na :Hằng số cân bằng. ü [NaR] :Khi phản ứng cân bằng, nồng độ Na + trong chất trao đổi ở pha rắn (chính xác gọi là các nồng độ trong công thức trên đều là hoạt độ) ion/l. ü [RH] :Khi phản ứng cân bằng, nồng độ H + trong chất trao đổi pha rắn, ion/l. ü [H + ] :Khi phản ứng cân bằng, nồng độ H + trong dung dòch, ion/l. ü [Na + ] :Khi phản ứng cân bằng, nồng độ Na + trong dung dòch, ion/l. Mức độ lớn nhỏ của hằng số cân bằng K H Na thể hiện ra mức độ khó dễ của H + trên chất trao đổi ion trao đổi thành Na + , như K H Na > 1 biểu thò chất trao đổi ion hấp phụ Na + dễ hơn H + . Trò số K H Na càng lớn năng lực hấp thụ Na + càng mạnh. Hằng số này có thể biểu thò mức độ lớn nhỏ tính lựa chọn trao đổi ion, nên gọi là hệ số lựa chọn hay hệ số phân phối. Cũng như vậy, khi ion hoá trò 2 và ion hoá trò 1 tiến hành trao đổi, như phản ứng sau: NaR + Ca + ↔ CaR 2 + 2Na + [ ] [] [ ] [] + + = 2 2 2 2 Ca Na NaR CaR K Ca Na Trong đó : ü KNaCa : Hằng số cân bằng. ü [CaR2] : Khi phản ứng cân bằng, Ca2+ trong chất trao đổi pha rắn, ion/l. ü [Ca2+] : Khi phản ứng cân bằng,nồng độ Ca2+ trong dung dòch, ion/l. ü Các ký hiệu khác như trên . Hằng số cân bằng của chất trao đổi với các loại ion, có thể qua thực nghiệm tìm thấy, trong bảng là hằng số cân bằng của nhựa Cationit tính axit mạnh dạng HR đối với mấy loại cation trong nước ( đây là loại nhựa amberlit IR –120). Loại cation Li + H + Na + NH 4 + K + Mg + Ca ++ Hằng số cân bằng 0.8 1.0 2.0 3.0 3.0 26 42 Từ trong bảng tên ta thấy sự khác biệt về năng lực hấp phụ của các loại ion, tức là quan hệ tính lựa chọn lớn hay nhỏ . Quan hệ cân bằng trao đổi ion trong công nghệ xử lý nước đóng vai trò quan trọng như đã trình bày ở trên. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 10 Để hoá mềm nước người ta đem nước cứng có chứa Ca 2+ , hay Mg 2+ liên tục dẫn vào chất trao đổi ion NaR hấp phụ Ca 2+ trong nước đồng thời phân ly ra Na làm cho phản ứng trao đổi ion (5-14) chuyển dòch về phía phải, như vậy đã khử đi Ca 2+ trong nước. Vì hằng số cân bằng của phản ứng ion lớn hơn 1 cho nên phản ứng này tiến hành tương đối dễ dàng. Khi hàm lượng Ca 2+ trong nước ra bắt đầu tăng lên, biểu thò lớp nhựa đã mất hiệu lực. Để làm cho nhựa phục hồi lại năng lực rao đổi với Ca 2+ phải đem nhựa dạng CaR tái sinh thành dạng NaR thông thường dung dòch NaCl tiến hành tái sinh. Khi đó do K Na Ca lớn hơn 1, tái sinh nhựa không thuận lợi, nhưng cần làm cho nồng độ NaCl trong dung dòch tái sinh tương đối lớn, nồng độ Ca 2+ rất nhỏ phản ứng (5-14) chuyển dòch về phía trái, làm cho nhựa được tái sinh. Trong quá trình xử lý nước, người ta ứng dụng chuyển dòch cân bằng trao đổi ion được lặp đi lặp lại như vậy để khử đi các ion có hại trong nước. 2.2. 2. Dung lượng trao đổi. Dung lượng trao đổi là biểu thò mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion, đó là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của chất trao đổi ion. Có hai phương pháp biểu thò dung lượng trao đổi :một là phương pháp biểu thò khối lượng, tức là năng lực hút bám của một đơn vò khối lượng chất cần trao đổi ion, thông thường biểu thò bằng số mgđl/g. Hai là phương pháp biểu thò thể tích ( thể tích đóng của chất trao đổi ion ở trạng thái ẩm ), tức là năng lượng hút bám của một đơn vò thể tích chất trao đổi ion, thông thường dùng đlg/m 3 biểu thò. Do hình thái của chất trao đổi ion khác nhau, khối lượng và thể tích cũng khác nhau, khi biểu thò dung lượng trao đổi ion, để thống nhất, nói chung dùng cationit dạng HR và anionit dạng RCl làm chuẩn, khi cần thiết, phải ghi rõ trạng thái nào. Dung lượng trao đổi thường dùng có mấy loại sau : ü Tổng dung lượng trao đổi (E) : Sau khi đem toàn bộ gốc hoạt tính trong chất trao đổi, tái sinh thành ion, có thể trao đổi, xác đònh toàn bộ dung lượng trao đổi của nó gọi là tổng dung lượng trao đổi. Chỉ tiêu này biểu tò lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi. Đối với cùng một loại chất trao đổi ion, nó là một hằng số. Dung lượng trao đổi này chủ yếu để nghiên cứu chất trao đổi ion . ü Dung lượng trao đổi cân bằng (B): Sau khi tái sinh hoàn toàn chất trao đổi, tìm dung lượng trao đổi của nó, tác dụng với dung dòch nước có thành phần nhất đònh đến trạng thái cân bằng gọi là dung lượng trao đổi cân bằng. Chỉ tiêu này biểu thò dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dòch nào đó đã đònh, nên không phải là hằng số, có quan hệ đến thành phần hợp thành dung dòch cân bằng của nó. Dung lượng trao đổi cân bằng có quan hệ với tổng dung lượng trao đổi. Tổng dung lượng trao đổi là cực hạn lớn nhất của dung lượng trao đổi cân bằng. Giả thiết rằng một loại chất trao đổi HR tác dụng với dung dòch NaR, khi đạt đến cân bằng lượng Na + chứa trong chất trao đổi là BNa mgđl/g , thì dung lượng trao đổi cân bằng là BNa, nếu khi này dạng HR còn dư lại trong chất trao đổi BH mgđl/g , thì tổng BNa và BH bằng tổng dung lượng trao đổi của chất trao đổi ion này, có nghóa là E = BNa + BH . PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 11 Khi hàm lượng Na + trong dung dòch rất nhiều làm cho dạng HR còn dư lại trong chất trao đổi khi cân bằng BH≈0 , thì E ≈BNa. Dung lượng trao đổi làm việc: dung lượng trao đổi xác đònh được dưới điều kiện vận hành thực tế xử lý nước với quy mô trong phòng thí nghiệm. Tiến hành thí nghiệm, đem chất trao đổi ion cho vào trong ống trao đổi trạng thái động, cho nước cần xử lý thông qua đến khi lọc ra ion cần trao đổi có trong dung dòch lọc ra thì dừng lại. Khi đó dung lượng trao đổi biểu hiện ra của chất trao đổi, gọi là dung lượng trao dổi làm việc. Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến dung lựơng trao đổi làm việc như : nồng độ ion trong nước vào, chỉ tiêu khống chế điểm trao đổi cuối cùng, độ cao của lớp nhựa, tốc độ của dòng nước …… dung lượng trao đổi làm việc thường dùng thể tích biểu thò, tức là đlg/m 3 hoặc mgđl/l. Mức độ tái sinh của chất trao đổi ion, đối với dung lượng trao đổi của nó ảnh hưởng rất lớn. Nếu tái sinh đầy đủ (tái sinh no) có thể thu được dung lượng trao đổi làm việc lớn nhất. Trong vận hành thực tế, muốn làm cho chất tái sinh cần thiết nhiều, nhưng không kinh tế vì tái sinh càng hoàn toàn lượng dùng chất tái sinh tăng lên càng nhiều. Vì vậy, lượng chất tái sinh dùng thực tế, cần đạt đến để tái sinh chất trao đổi thu được tương đối tốt, chất tái sinh lại không tiêu hao quá lượng, tức là lựa chọn lấy lượng chất tái sinh tối ưu. Dung lượng trao đổi này phải căn cứ vào tình trạng thiết bò, chất nước của nước nguồn, yêu cầu chất lượng nước đối với nước ra thông qua thí nghiệm để xác đònh. 2.3. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH. Nước cấp được bơm qua hệ trao đổi ion. Ghi nhận giá trò pH của nước ra khỏi cột cation và cột anion trong suốt quá trình trao đổi ion . Xác đònh nồng độ các ion Ca 2+ , Mg 2+ , SO 4 , Cl - trong các mẫu nước lấy ở các độ cao khác nhau của cả hai cột sau khi quá trình trao đổi ion chạy được 1 giờ 2 giờ 3 giờ. Kết thúc sau 3 giờ chạy, xác đònh nồng độ các ion Ca 2+ , Mg 2+ , SO 4 , Cl - trong mẫu nước ra khỏi cột ation. 2.4. KẾT QUẢ. Giải thích sự chênh lệch giá trò pH giữa các cột và sự thay đổi pH trong quá trình trao đổi ion. Nhận xét ái lực trao đổi của các ion. Xác đònh dung lượng trao đổi làm việc của hệ thống trao dổi ion sau 3 giờ chạy. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com . Na 2 SO 4 ↔ RSO 3 Na + H 2 SO 4 RSO 3 H + NaHCO 3 ↔ RSO 3 Na + CO 2 + H 2 O 2 RSO 3 H + Na 2 CO 3 ↔ 2 RSO 3 Na + CO 2 + H 2 O ROH + HCl ↔ RCl + H 2 O 2ROH + H 2 SO 4 ↔ R 2 SO 4 . SO 4 2 RNa + MgSO 4 ↔ R 2 Mg + Na 2 SO 4 Khi lớp nhựa cation mất hiệu lực người ta tái sinh bằng dung dòch muối ăn NaCl R 2 Ca + 2 NaCl ↔ 2 RNa + CaCl 2 R 2 Mg + 2 NaCl ↔ 2 RNa. Trường và CNCH Th. S. Lâm Vónh S n Trang 10 Để hoá mềm nước người ta đem nước cứng có chứa Ca 2+ , hay Mg 2+ liên tục dẫn vào chất trao đổi ion NaR hấp phụ Ca 2+ trong nước đồng th i phân ly