Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 8
Baøi 2. TRAO ÑOÅI ION
2.1 MUÏC ÑÍCH .
Ø Nghieân cöùu söï bieán ñoåi pH trong quaù trình trao ñoåi ion .
Ø Nghieân cöùu quaù trình trao ñoåi ion theo chieàu daøy lôùp nhöïa trao ñoåi ion.
Ø Xaùc ñònh dung löôïng trao ñoåi laøm vieäc cuûa nhöïa trao ñoåi ion .
2.2 CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT.
Ñeå khöû caùc taïp chaát ôû traïng thaùi ion trong nöôùc, phöông phaùp ñöôïc duøng nhieàu nhaát laø trao
ñoåi ion. Phöông phaùp naøy coù theå khöû töông ñoái trieät ñeå caùc taïp chaát ôû traïng thaùi ion trong
nöôùc. Chaát löôïng nöôùc thu ñöôïc coøn toát hôn nöôùc caát. Vì vaäy , ñaây laø moät giai ñoaïn xöû lyù
nöôùc raát caàn thieát ñeå caáp nöôùc cho muïc ñích sinh hoaït, aên uoáng, cho saûn xuaát vaø cho caùc loø
hôi ôû caùc nhaø maùy ñieän,…
Ngöôøi ta söû duïng nhöïa trao ñoåi ion trong söû lyù nöôùc caáp chuû yeáu nhaèm 2 muïc ñích khöû cöùng
vaø khöû khoaùng . Khöû cöùng nhaèm loaïi boû caùc ion Ca2+ , Mg2+ . Khöû khoaùng nhaèm loaïi boû haàu
heát taát caû caùc ion coù trong nöôùc.
Khöû cöùng cho nöôùc caàn xöû lyù chaûy qua coät nhöïa cation ôû daïng RNa
2 RNa + CaSO4 ↔ R
2
Ca + Na2 SO4
2 RNa + MgSO4 ↔ R
2
Mg + Na2 SO4
Khi lôùp nhöïa cation maát hieäu löïc ngöôøi ta taùi sinh baèng dung dòch muoái aên NaCl
R
2
Ca + 2 NaCl ↔ 2 RNa + CaCl2
R
2
Mg + 2 NaCl ↔ 2 RNa + MgCl2
Khöû khoaùng : cho nöôùc caàn xöû lyù chaûy qua coät nhöïa cation vaø nhöïa anion rieâng leõ
hay qua moät coät keát hôïp caû nhöïa cation vaø anion .
RSO3H + NaCl ↔ RSO3 Na + HCl
2 RSO3H + 2 Na2 SO4 ↔ RSO3 Na + H2 SO4
RSO3H + NaHCO3 ↔ RSO3 Na + CO2 + H2O
2 RSO3H + Na2CO3 ↔ 2 RSO3 Na + CO2 + H2O
ROH + HCl ↔ RCl + H
2
O
2ROH + H2SO4 ↔ R2SO4 + H
2
O
Khi lôùp nhöïa cation maát hieäu löïc ngöôùi ta taùi sinh baèng dung dòch acid HCl vaø dung
dòch suùt NaOH nhö sau:
RSO3 Na + HCl ↔ RSO3H + NaCl
RCl + NaOH ↔ ROH + NaCl
2.2.1. Caân baèng trao ñoåi Ion.
Phaûn öùng trao doåi ion laø phaûn öùng thuaän nghòch, gioáng phaûn öùng hoaù hoïc thoâng thöôøng, cho
neân ngöôøi ta thöôøng duøng ñònh luaät taùc duïng khoái löôïng ñeå nghieân cöùu caân baèng trao ñoåi ion.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 9
Döôùi ñaây laø ví duï chaát cation tính axit maïnh HR tieánhaønh trao ñoåi NaR trong nöôùc phaûn öùng
nhö sau:
HR + Na+ ↔ NaR + H+
Theo ñònh luaät khoái löôïng taùc duïng, khi cho phaûn öùng trao ñoåi ñaït ñeán caân baèng
[
]
[]
[
]
[]
+
+
=Na
H
HR
NaR
KNa
H
Trong ñoù :
ü KH Na :Haèng soá caân baèng.
ü [NaR] :Khi phaûn öùng caân baèng, noàng ñoä Na+ trong chaát trao ñoåi ôû pha raén
(chính xaùc goïi laø caùc noàng ñoä trong coâng thöùc treân ñeàu laø hoaït ñoä) ion/l.
ü [RH] :Khi phaûn öùng caân baèng, noàng ñoä H+ trong chaát trao ñoåi pha raén, ion/l.
ü [H+] :Khi phaûn öùng caân baèng, noàng ñoä H+ trong dung dòch, ion/l.
ü [Na+] :Khi phaûn öùng caân baèng, noàng ñoä Na+ trong dung dòch, ion/l.
Möùc ñoä lôùn nhoû cuûa haèng soá caân baèng KH Na theå hieän ra möùc ñoä khoù deã cuûa H+ treân chaát trao
ñoåi ion trao ñoåi thaønh Na+, nhö KH Na > 1 bieåu thò chaát trao ñoåi ion haáp phuï Na+ deã hôn H+.
Trò soá KH Na caøng lôùn naêng löïc haáp thuï Na+ caøng maïnh. Haèng soá naøy coù theå bieåu thò möùc ñoä
lôùn nhoû tính löïa choïn trao ñoåi ion, neân goïi laø heä soá löïa choïn hay heä soá phaân phoái.
Cuõng nhö vaäy, khi ion hoaù trò 2 vaø ion hoaù trò 1 tieán haønh trao ñoåi, nhö phaûn öùng sau:
NaR + Ca+ ↔ CaR2 + 2Na+
[
]
[]
[
]
[]
+
+
=2
2
2
2
Ca
Na
NaR
CaR
KCa
Na
Trong ñoù :
ü KNaCa : Haèng soá caân baèng.
ü [CaR2] : Khi phaûn öùng caân baèng, Ca2+ trong chaát trao ñoåi pha raén, ion/l.
ü [Ca2+] : Khi phaûn öùng caân baèng,noàng ñoä Ca2+ trong dung dòch, ion/l.
ü Caùc kyù hieäu khaùc nhö treân .
Haèng soá caân baèng cuûa chaát trao ñoåi vôùi caùc loaïi ion, coù theå qua thöïc nghieäm tìm thaáy, trong
baûng laø haèng soá caân baèng cuûa nhöïa Cationit tính axit maïnh daïng HR ñoái vôùi maáy loaïi cation
trong nöôùc ( ñaây laø loaïi nhöïa amberlit IR –120).
Loaïi cation Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Mg+ Ca++
Haèng soá caân baèng 0.8 1.0 2.0 3.0 3.0 26 42
Töø trong baûng teân ta thaáy söï khaùc bieät veà naêng löïc haáp phuï cuûa caùc loaïi ion, töùc laø quan heä
tính löïa choïn lôùn hay nhoû .
Quan heä caân baèng trao ñoåi ion trong coâng ngheä xöû lyù nöôùc ñoùng vai troø quan troïng nhö ñaõ
trình baøy ôû treân.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 10
Ñeå hoaù meàm nöôùc ngöôøi ta ñem nöôùc cöùng coù chöùa Ca2+, hay Mg2+ lieân tuïc daãn vaøo chaát trao
ñoåi ion NaR haáp phuï Ca2+ trong nöôùc ñoàng thôøi phaân ly ra Na laøm cho phaûn öùng trao ñoåi ion
(5-14) chuyeån dòch veà phía phaûi, nhö vaäy ñaõ khöû ñi Ca2+trong nöôùc. Vì haèng soá caân baèng
cuûa phaûn öùng ion lôùn hôn 1 cho neân phaûn öùng naøy tieán haønh töông ñoái deã daøng. Khi haøm
löôïng Ca2+ trong nöôùc ra baét ñaàu taêng leân, bieåu thò lôùp nhöïa ñaõ maát hieäu löïc.
Ñeå laøm cho nhöïa phuïc hoài laïi naêng löïc rao ñoåi vôùi Ca2+ phaûi ñem nhöïa daïng CaR taùi sinh
thaønh daïng NaR thoâng thöôøng dung dòch NaCl tieán haønh taùi sinh. Khi ñoù do KNaCa lôùn hôn 1,
taùi sinh nhöïa khoâng thuaän lôïi, nhöng caàn laøm cho noàng ñoä NaCl trong dung dòch taùi sinh
töông ñoái lôùn, noàng ñoä Ca2+ raát nhoû phaûn öùng (5-14) chuyeån dòch veà phía traùi, laøm cho nhöïa
ñöôïc taùi sinh. Trong quaù trình xöû lyù nöôùc, ngöôøi ta öùng duïng chuyeån dòch caân baèng trao ñoåi
ion ñöôïc laëp ñi laëp laïi nhö vaäy ñeå khöû ñi caùc ion coù haïi trong nöôùc.
2.2. 2. Dung löôïng trao ñoåi.
Dung löôïng trao ñoåi laø bieåu thò möùc ñoä nhieàu ít cuûa löôïng ion coù theå trao ñoåi trong moät loaïi
chaát trao ñoåi ion, ñoù laø moät chæ tieâu kyõ thuaät quan troïng cuûa chaát trao ñoåi ion. Coù hai phöông
phaùp bieåu thò dung löôïng trao ñoåi :moät laø phöông phaùp bieåu thò khoái löôïng, töùc laø naêng löïc
huùt baùm cuûa moät ñôn vò khoái löôïng chaát caàn trao ñoåi ion, thoâng thöôøng bieåu thò baèng soá
mgñl/g. Hai laø phöông phaùp bieåu thò theå tích ( theå tích ñoùng cuûa chaát trao ñoåi ion ôû traïng thaùi
aåm ), töùc laø naêng löôïng huùt baùm cuûa moät ñôn vò theå tích chaát trao ñoåi ion, thoâng thöôøng duøng
ñlg/m3 bieåu thò.
Do hình thaùi cuûa chaát trao ñoåi ion khaùc nhau, khoái löôïng vaø theå tích cuõng khaùc nhau, khi bieåu
thò dung löôïng trao ñoåi ion, ñeå thoáng nhaát, noùi chung duøng cationit daïng HR vaø anionit daïng
RCl laøm chuaån, khi caàn thieát, phaûi ghi roõ traïng thaùi naøo. Dung löôïng trao ñoåi thöôøng duøng coù
maáy loaïi sau :
ü Toång dung löôïng trao ñoåi (E) : Sau khi ñem toaøn boä goác hoaït tính trong chaát trao
ñoåi, taùi sinh thaønh ion, coù theå trao ñoåi, xaùc ñònh toaøn boä dung löôïng trao ñoåi cuûa noù
goïi laø toång dung löôïng trao ñoåi. Chæ tieâu naøy bieåu tò löôïng goác hoaït tính coù trong chaát
trao ñoåi. Ñoái vôùi cuøng moät loaïi chaát trao ñoåi ion, noù laø moät haèng soá. Dung löôïng trao
ñoåi naøy chuû yeáu ñeå nghieân cöùu chaát trao ñoåi ion .
ü Dung löôïng trao ñoåi caân baèng (B): Sau khi taùi sinh hoaøn toaøn chaát trao ñoåi, tìm dung
löôïng trao ñoåi cuûa noù, taùc duïng vôùi dung dòch nöôùc coù thaønh phaàn nhaát ñònh ñeán traïng
thaùi caân baèng goïi laø dung löôïng trao ñoåi caân baèng. Chæ tieâu naøy bieåu thò dung löôïng
trao ñoåi lôùn nhaát cuûa chaát trao ñoåi ion trong moät loaïi dung dòch naøo ñoù ñaõ ñònh, neân
khoâng phaûi laø haèng soá, coù quan heä ñeán thaønh phaàn hôïp thaønh dung dòch caân baèng cuûa
noù.
Dung löôïng trao ñoåi caân baèng coù quan heä vôùi toång dung löôïng trao ñoåi. Toång dung löôïng trao
ñoåi laø cöïc haïn lôùn nhaát cuûa dung löôïng trao ñoåi caân baèng. Giaû thieát raèng moät loaïi chaát trao
ñoåi HR taùc duïng vôùi dung dòch NaR, khi ñaït ñeán caân baèng löôïng Na+ chöùa trong chaát trao ñoåi
laø BNa mgñl/g , thì dung löôïng trao ñoåi caân baèng laø BNa, neáu khi naøy daïng HR coøn dö laïi
trong chaát trao ñoåi BH mgñl/g , thì toång BNa vaø BH baèng toång dung löôïng trao ñoåi cuûa chaát
trao ñoåi ion naøy, coù nghóa laø E = BNa + BH .
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Tröôøng Ñaïi Hoïc Kyõ Thuaät Coâng Ngheä TP.Hoà Chí Minh – Khoa Moâi Tröôøng vaø CNCH
Th.S. Laâm Vónh Sôn Trang 11
Khi haøm löôïng Na+ trong dung dòch raát nhieàu laøm cho daïng HR coøn dö laïi trong chaát trao ñoåi
khi caân baèng BH≈0 , thì E ≈BNa.
Dung löôïng trao ñoåi laøm vieäc: dung löôïng trao ñoåi xaùc ñònh ñöôïc döôùi ñieàu kieän vaän haønh
thöïc teá xöû lyù nöôùc vôùi quy moâ trong phoøng thí nghieäm. Tieán haønh thí nghieäm, ñem chaát trao
ñoåi ion cho vaøo trong oáng trao ñoåi traïng thaùi ñoäng, cho nöôùc caàn xöû lyù thoâng qua ñeán khi loïc
ra ion caàn trao ñoåi coù trong dung dòch loïc ra thì döøng laïi. Khi ñoù dung löôïng trao ñoåi bieåu
hieän ra cuûa chaát trao ñoåi, goïi laø dung löôïng trao doåi laøm vieäc. Coù raát nhieàu nhaân toá aûnh
höôûng ñeán dung löïông trao ñoåi laøm vieäc nhö : noàng ñoä ion trong nöôùc vaøo, chæ tieâu khoáng cheá
ñieåm trao ñoåi cuoái cuøng, ñoä cao cuûa lôùp nhöïa, toác ñoä cuûa doøng nöôùc ……..dung löôïng trao ñoåi
laøm vieäc thöôøng duøng theå tích bieåu thò, töùc laø ñlg/m3 hoaëc mgñl/l.
Möùc ñoä taùi sinh cuûa chaát trao ñoåi ion, ñoái vôùi dung löôïng trao ñoåi cuûa noù aûnh höôûng raát lôùn.
Neáu taùi sinh ñaày ñuû (taùi sinh no) coù theå thu ñöôïc dung löôïng trao ñoåi laøm vieäc lôùn nhaát.
Trong vaän haønh thöïc teá, muoán laøm cho chaát taùi sinh caàn thieát nhieàu, nhöng khoâng kinh teá vì
taùi sinh caøng hoaøn toaøn löôïng duøng chaát taùi sinh taêng leân caøng nhieàu. Vì vaäy, löôïng chaát taùi
sinh duøng thöïc teá, caàn ñaït ñeán ñeå taùi sinh chaát trao ñoåi thu ñöôïc töông ñoái toát, chaát taùi sinh laïi
khoâng tieâu hao quaù löôïng, töùc laø löïa choïn laáy löôïng chaát taùi sinh toái öu. Dung löôïng trao ñoåi
naøy phaûi caên cöù vaøo tình traïng thieát bò, chaát nöôùc cuûa nöôùc nguoàn, yeâu caàu chaát löôïng nöôùc
ñoái vôùi nöôùc ra thoâng qua thí nghieäm ñeå xaùc ñònh.
2.3. CAÙC BÖÔÙC TIEÁN HAØNH.
Nöôùc caáp ñöôïc bôm qua heä trao ñoåi ion. Ghi nhaän giaù trò pH cuûa nöôùc ra khoûi coät cation vaø
coät anion trong suoát quaù trình trao ñoåi ion .
Xaùc ñònh noàng ñoä caùc ion Ca2+, Mg2+, SO4, Cl- trong caùc maãu nöôùc laáy ôû caùc ñoä cao khaùc
nhau cuûa caû hai coät sau khi quaù trình trao ñoåi ion chaïy ñöôïc 1 giôø 2 giôø 3 giôø.
Keát thuùc sau 3 giôø chaïy, xaùc ñònh noàng ñoä caùc ion Ca2+, Mg2+, SO4, Cl- trong maãu nöôùc ra
khoûi coät ation.
2.4. KEÁT QUAÛ.
Giaûi thích söï cheânh leäch giaù trò pH giöõa caùc coät vaø söï thay ñoåi pH trong quaù trình trao ñoåi ion.
Nhaän xeùt aùi löïc trao ñoåi cuûa caùc ion.
Xaùc ñònh dung löôïng trao ñoåi laøm vieäc cuûa heä thoáng trao doåi ion sau 3 giôø chaïy.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com