Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 7: Trao đổi ion, trình bày khái niệm cơ bản, vật liệu trao đổi ion, cân bằng trong hệ trao đổi ion, động học trao đổi ion. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Môi trường.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường: Chương 7 - ThS. Lê Nguyễn Kim Cương
- Mục tiêu
TÊN MÔN HỌC: v Hiểu được cơ sở các quá trình trao đổi ion.
HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG v Vận dụng lựa chọn các qui trình xử lý chất
thải bằng phương pháp trao đổi ion.
CHƯƠNG 7:
TRAO ĐỔI ION
Giảng viên:
ThS Lê Nguyễn Kim Cương
LOGO
ThS Nguyễn Văn Phương
Chương 7: TRAO ĐỔI ION 7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN v Chất trao đổi ion thông thường được hiểu là
vật liệu rắn không tan trong nước, gắn trên
7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION
mình nó là các cation hay anion có thể trao đổi
7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION
được.
7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION
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.
1
- v Trao đổi ion là sự thay thế của một ion v Dung lượng trao đổi ion là khả năng trao đổi
(cation hay anion) từ dung dịch với một ion tính bằng mol hay đương lượng của một chất
b1
cùng dấu được cố định bởi lực tĩnh điện trên trao đổi trên một đơn vị khối lượng.
một chất rắn không tan v dung lượng động ≤ dung lượng tĩnh ≤ mật
độ nhóm chức.
Cơ chế trao đổi ion có thể biểu diễn: v Quá trình trao đổi dựa trên sự cạnh tranh
R- I+ + M+X- ⇌ R- M+ + I+X- lực tương tác tĩnh điện giữa bị ion trao đổi và
R+Y- + M+X- ⇌ R+X- + M+Y- ion trao đổi.
v Quá trình trao đổi tuân thủ theo qui tắc cân
R- như R’-SO3-, R’-COO- (đối với cationit) bằng điện tích.
R+ như R’–NH3+ (đối với anionit).
I+ thường H+; Na+.
Y- thường Cl- ; OH-.
2
- Slide 5
b1 thi nha
bebe, 09-Oct-10
- 7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION Bảng 7.1. Cấ u trúc củ a chất trao đổ i ion
v Chất trao đổi ion để cập ở đây là dạng rắn
không tan trong nước và hầu hết trong các Dạng chất Mạng chất Điện tích Ion linh
trao đổi rắn nhóm chức động
dung môi hữu cơ.
Cationit Vô cơ, hữu cơ Âm Dương
v Chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi. Anionit Vô cơ, hữu cơ Dương Âm
Lưỡng tính Vô cơ, hữu cơ Âm, dương Âm, dương
Mã Thiết bị: CATION AXIT MẠNH SYN 07
Công dụng: Hạt nhựa trao đổi ion trong nước
Nhóm chức năng : Sulfonic acid
v Các chất trao đổi ion yếu phụ thuộc vào
Mạch cao phân tử : Dvb/styrene
pH. Hình dạng bên ngoài : Màu vàng, trong
Dạng ion : Na+.
v Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở
vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng Mã Thiết bị: NHỰA CATION 220NA
trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở trạng thái Indion 220Na là loại nhựa trao đổi cation gốc axít mạnh,
dạng hạt keo, được sản xuất từ quá trình sunfon hoá hợp chất
trung hòa tại điểm đẳng điện. 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+.
3
- 7.2.1. Vật liệu trao đổi ion vô cơ
Mã Thiết bị: NHỰA ANION GS300
Indion GS300 là loại nhựa trao đổi anion gốc bazơ mạnh – v Chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit
dạng 1 (tính kiềm mạnh nhất), dạng hạt keo, được sản xuất
từ polystyrene copolymer với 4 nhóm chức NH4. tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp.
Công dụng: khử anion trong các thiết bị khử khoáng.
v Dung lượng trao đổi của chúng phụ thuộc vào
Gốc ion: Cl--
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 7.2.3. Nhựa trao đổi ion
vĐọc tài liệu 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
m ạng có tính ưa n ước.
4
- 7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION
v Liên kết ngang: quyết định độ xốp, trương 7.3.1. Hiện tượng trương nở
nở, linh động ion, Độ dẫn điện, Độ bền nhiệt, vVật liệu có khả năng thu hút dung môi, khi đó
Độ bền cơ, Độ bền hóa học. vật liệu này lớn lên về thể tích với mức độ
nhất định, đó là hiện tượng trương nở.
v Nhóm chức quyết định tính năng trao đổi vTrong vật liệu trao đổi ion thì trương nở là quá
thông qua mật độ nhóm chức và bản chất trình có tính cân bằng:
nhóm chức. 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 v Cơ chế quá trình trương nở :
do mạ ng polymer có cấ u trúc ko gian 3 chiều 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.
5
- Các yếu tố ảnh hưởng khả năng trương nở: 7.3.2. Hấp thụ các chất tan
v Bản chất dung môi. 7.3.2.1. Hấp thụ các chất trung hòa
v Bản chất hóa học của nhóm chức. vSự san bằng nước trong mạng trao đổi với
phân tử tan.
v Mật độ nhóm chức.
vCó sự trao đổi hay tạo phức với các ion trao
v Bản chất của ion trao đổi.
đổi.
v Mức độ liên kết ngang.
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.
7.3.2.2. Hấp thụ các chất điện ly
7.3.3. Cân bằng trao đổi ion
mạnh
v Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan
v Một lượng nhỏ các ion khuếch tán ban đầu
trọng trong thực tiễn và về mặt lý thuyết, nó
tạo nên sự khác biệt về điện thế giữa hai pha –
được khảo sát rất kỹ ngay từ khi hiện tượng
thế năng Donnan.
trao đổi ion được nhận biết.
6
- 7.3.3.1. Đẳng nhiệt trao đổi ion,
hệ số tách, hệ số chọn lọc
v Đẳng nhiệt trao đổi ion là một đại lượng v Hệ số chọn lọc phụ thuộc vào một loạt yếu
đặc trưng mô tả cân bằng trao đổi ion của hệ. tố: mức độ liên kết ngang của nhựa, hóa trị của
v Hệ số tách ion trao đổi, nồng độ ion trong dung dịch.
m A .mB C A .CB x A .x B
αB =
A
= =
mB .m A C B .C A xB .x A
Độ chọn lọc trao đổi ion 7.3.4. Chất trao đổi ion có cấu trúc đặc biệt
Độ chọn lọc trao đổi ion cao với các ion trao đổi :
v Đối với các chất trao đổi ion có nhiều loại
§ Có hóa trị cao.
§ Có lớp vỏ hydrat nhỏ. nhóm chức:
§ Có độ phân cực lớn. v Xét một cationit chứa hai loại nhóm chức:
§ Tương tác mạnh với nhóm chức mang điện và với
mạng polyme. carboxylic và sulfonic.
§ Ít tạo kết tủa và tạo phức bền với ion đi kèm trong v Zeolit cũng là một họ chất trao đổi ion.
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
- 7.3.6. Cân bằng trao đổi trong hệ
7.3.5. Hệ chứa nhiều ion trao đổi
chứa tác nhân tạo phức
v Khi tiếp xúc giữa chất trao đổi ion với một v Cân bằng trao đổi và cân bằng hấp phụ bị
hỗn hợp ion trao đổi, tốc độ trao đổi của từng tác động rất mạnh bởi quá trình tạo phức chất
ion là rất khác nhau vì vậy nồng độ của một ion của các thành phần có mặt trong hệ: ion trao
nào đó trong dung dịch cũng như trong nhựa có đổi, ion đi kèm, các phân tử trung hòa. Tạo
thể đạt các giá trị cực đại hay cực tiểu trước khi phức có ảnh hưởng đáng kể đến tính trao đổi
đạt tới trạng thái cân bằng. chọn lọc của hệ.
7.3.6.1. Cân bằng trao đổi cation 7.3.6.2. Cân bằng trao đổi anion
khi có mặt anion tạo phức khi có mặt anion tạo phức
v Khi nồng độ anion tạo phức thấp, sự tạo v Khi nồng độ của nó thấp khả năng tạo
phức sẽ kém và phức hình thành có số phối trí phức thấp hoặc chỉ tạo ra phức có số phối trí
nhỏ, tính chất trao đổi ion của hệ không khác nhỏ mang điện tích dương.
nhiều so với trạng thái cân bằng trao đổi thông v Tăng dần nồng độ chất điện ly trợ giúp dẫn
dụng. đến khả năng hấp thu của cationit đối với phức
v Khi nồng độ anion tạo phức cao, quá trình trung hòa.
tạo phức và phức có số phối trí cao diễn ra
thuận lợi, tính chọn lọc trao đổi của cationit
giảm đối với cation.
8
- 7.3.8. Phản ứng với các vật liệu có độ tan
7.3.7. Trao đổi phối tử
thấp
v Chất trao đổi phối tử (Chất trao đổi ion v Chất trao đổi ion có khả năng hòa tan một
chứa ion kim loại tạo phức chất) có ưu thế là số chất rắn có độ tan thấp như CaCO3, PbSO4,
kết hợp được giữa dung lượng hấp thu cao với AgCl.
độ chọn lọc cao đối với phối tử.
7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION 7.4.1. Cơ chế trao đổi ion
Đối tượng nghiên cứu của động học trao v Từ trong hạt nhựa các ion A khuếch tán ra
đổi ion gồm: ngoài dung dịch, các ion B khuếch tán từ dung
v Cơ chế của quá trình trao đổi dịch vào hạt nhựa trao đổi. Quá trình khuếch
tán ngược chiều nhau của ion A và B gọi là trao
v Giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình
đổi ion.
v Phương trình mô tả tốc độ trao đổi
v Mỗi một ion trao đổi rời khỏi hạt nhựa phải
v Khả năng dự đoán tốc độ trao đổi ion về được thay thế bởi một ion tương đương về điện
mặt lý thuyết. tích từ ngoài dung dịch đi vào.
9
- 7.4.2. Giai đoạn quyết định tốc độ
Các quá trình động học trao đổi ion bao gồm: v Tốc độ trao đổi ion được quyết định bởi quá
1) Khuếch tán của ion trao đổi trong dung dịch trình chậm nhất
đến sát lớp màng bao quanh hạt trao đổi ion v Tốc độ khuếch tán trong hạt hay xung quanh
(khuếch tán ngoài) màng thường khống chế tốc độ trao đổi ion
2) Khuếch tán qua màng
3) Khuếch tán bên trong hạt nhựa tới các trung
tâm trao đổi
4) Phản ứng trao đổi ion
10
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
