intTypePromotion=1
ADSENSE

ĐỀ TÀI : ứng dụng của phương pháp trao đổi ion trong nước

Chia sẻ: Chip Bia Chip | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:43

467
lượt xem
111
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: ĐỀ TÀI : ứng dụng của phương pháp trao đổi ion trong nước

  1. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN KHCN & QLMT ---------------- MÔN : KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CÂP ́ ĐỀ TÀI : Thành phố Hồ Chí Minh,thang7, năm 2010 ́ 1
  2. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga MỤC LỤC I. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION…...2 I.1 Giới thiệu………………………………………………………. 2 I.2 Cơ sở của phương pháp trao đổi ion I.3 Vật liệu trao đổi ion………………………………………...2 I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ………………………………….3 I.3.2 Vật liệu trao đổi ion trên than………………………...........4 I.4 Nhựa trao đổi ion……………………………………………… 6 I.4.1 Nguyên tắc chế tạo…………………………………………8 I.4.2 Cationit……………………………………………………..9 I.4.3 Anionit…………………………………………………….10 I.4.4 Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion………………….11 I.5 Thứ tự ưu tiên khi trao đổi……………………………………..11 I.6 Cơ chế trao đổi ion…………………………………………….12 I.7 Cân bằng trao đổi ion………………………………………….13 I.8 Thiết kế cột trao đổi ion……………………………………….16 I.9 Tái sinh các ionit………………………………………………17 I.10 Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion…………………………...17 II. XỬ LÝ CÁC CHẤT ĐỘC HẠI TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION. II.1 Xử lý amoni ( NH4+) trong nước ngầm…………………………19 II.2 Khử sắt trong nước ngầm……………………………………….20 II.2.1 Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng……………...20 II.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình khử sắt…………………...23 2
  3. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga II.2.3 Áp dụng quá trình khử sắt vào việc xử lý nước ngầm để cấp nước cho cộng đồng dân cư nông thôn……………………………………………25 II.2.4 Khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion……………………28 II.3 Xử lý arsen………………………………………………………28 II.3.1 Vai trò arsen và nguồn gốc arsen do hoạt động phát triển...28 II.3.2 Phương pháp xử lý…………………………………………29 II.4 Làm mềm nước…………………………………………………..30 II.5 Xừ lý nitrat……………………………………………………….31 III. QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION……………………………………………….32 III.1 Một số giai đoạn về công nghệ khử nitrat trong nước cấp……….32 III.2 Phương pháp khử nitrat…………………………………………..33 III.3 Nguyên lý trao đổi ion cột tháp…………………………………..35 III.4 Qúa trình hoàn nguyên…………………………………………...37 III.5 Qui trình công nghệ xử lý………………………………………..38. IV. KẾT LUẬN…………………………………………………………..38 3
  4. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga І. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION I.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. I. 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 . 4
  5. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga 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. I.3 . Vật liệu trao đổi ion. Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ, Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao dổi dược với bên ngoài, Chất trao đổi ion ở đây là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện: của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được. Cấy trúc của chúng có thể được mô tả: Dạng Mạng Điện tích Ion chất trao đổi chất rắn nhóm chức linhđộng Cationit Vô cơ, hữu cơ Dương Âm Anionit Vô cơ, hữu cơ Dương Âm Lưỡngt Vô cơ, hữu cơ Âm,dương Âm,dương ính Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với cationit và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu không nhóm chức của chúng tồn tại ở thái không phân li, điện tích tỏng của nhóm chức bằng không. Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở thái trung hòa tại điểm đẳng điện. Phân loại vật liệu trao đổi ion: A. Loại cationit a.Vô cơ 5
  6. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga -tự nhiên (zeolit, khoáng sét). -tổng hợp(zeolit tổng hợp, permutit, silicat tỗng hợp). b. Hữu cơ -Tự nhiên (than bùn, ligin). -than sunfon hóa. -Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản úng trùng ngưng. Polymer hóa). B. Loại anionit a.Vô cơ -Tự nhiên (dolomite, apatit,hydroxyl apatit). -Tổng hợp (silicat của kim loại nặng). b. Hữu cơ -Tổng hợp (nhựa trao đổi ion). I.3.1 Vật liệu trao đổi ion vô cơ. Chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên chủ yếu là alumosilicat tinh thể, các loại zeolit tự nhiên và khoáng sét cấu trúc lớp. Các loại zeolit tự nhiên như analcite, chabazite, harmotome…Các loại zeolit này có hệ mao quản rộng thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Các ion có thể trao đổi linh động, chuyển dịch khá tự do trong các gốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+, Ca2+, K+, Mg2+. Dung lương trao đổi của chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit, độ sạch của sẩn phẫm. Khoáng sét cấu trúc lớp như montmorilonit, vermiculite cũng có tính năng trao đổi ion. Các ion này nằm giữa các lớp của cấu trúc mạng, quá trình hydrat hóa các ion này gây ra tính trương nở của khoáng sét. Dung lượng trao đổi của khoáng sét thấp hơn so với zeoli, nằm trong khoảng trên dưới 1mdl/g. Glauconite là khoáng sắt (П) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi được là kali. Cấu trúc mạng của nó khá chặt nên quá trình trao đổi ion chỉ 6
  7. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga diễn ra ở bề mặt bên ngoài, tuy nhiên nếu ở trạng thái phân tán cao, dạng keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể. Một số vật liệu trong tự nhiên có tính năng trao anion như dolomite, silicat kim loại nặng. Tuy vậy chỉ có apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyl apatit [Ca5(PO4)3]OH là có ứng dụng trọng thực tiễn. Zeolit là loại khoáng vật khá mềm, độ chịu mài mòn thấp, hệ mao quản nhỏ, độ dẻo thấp. Khả năng trương nở thấp và hệ mao quản nhỏ nên các ion trao đổi trong đó có độ linh động không cao, Khoáng sét cấu trúc lớp có khả năng trương nở cao, quá trình trao đổi ion dễ dàng hơn nhưng loại vật liệu này có độ bền cơ học tháp, kích thước nhỏ khó sử dụng trong thực tiễn. Tất cả vật liệu trao9 đổi ion vô cơ ( tự nhiên và tổng hợp) đều kém bền về mặt hóa học, bị axit và kiềm phá hủy, điều đó hạn chế ứng dụng trong thực tiễn, tức là chỉ sử dụng chúng trong khoảng pH hẹp. Nhiều loại cũng không bền trong dung dịch một số muối. Giai đoạn tỏng hợp các loại zeolit, ngoài khả năng hấp phụ các phân tử trung hòa, zeolit tổng hợp có dung lượng trao đổi cao hơn nhiều so với zeolit yu75 nhiên. Một số loại oxit kim loại: Fe2O3,Al2O3, MnO2, Cr2O3, Tio2, ZrO2, ThO2, SnO2 là chất lưỡng tính axit- bazo, chúng có khả năng trao đổi cation nếu pH của môi trường cao hơn điểm đẳng điện, chúng được sử dụng cho một số trường hợp đặc thù như hấp phụ flo, asen trên nhôm oxit. I. 3. 2 Vật liệu trao đổi ion trên than. 7
  8. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga Rất nhiều loại than có khả năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề mặt than như COOH, OH là các axit1 yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp. Tuy vậy các vật liệu này dễ bị kiềm phá hủy và có xu hướng petit hóa. Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được ổn định thong qua các biện pháp xử lí. I.4- 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 Chất trao đổi ion thông 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 8
  9. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga - 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. 9
  10. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga 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→Thí dụ : 2HR + Ca 2+ đổi) 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. I.4.1. Nguyên tắc chế tạo Nhựa trao đổi ion bắt buộc phải bao gồm: mạng hidrocacbon ba chiều và các nhóm chức phân li gắn trên mạng đó. Có nhiều phương àn để đật được mục tiêu trên: monome là các chất điện li hữu cơ được tạo thành các polymer có liên kết ngang tạo cấu trúc không gian ba chiều, monomer 10
  11. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga là các phân tử trung hòa, các nhóm chức phân li được gắn vào mạng khi đã tạo thành mạng polymer, hình thành các nhóm chức điện li đồng thời và sự hình thành polymer. Polyme không được tan nhưng cần phải có độ trương nở nhất định, điều đó có thể thực hiện thông qua việc điều chỉnh chất lượng khâu mạch. Polymeco1 mang nhóm chức mạch thẳng tan trong nước (các chất trợ keo tụ), polymer có mức có mức đọ liên kết ngang cao, tạo ra mạng ba chiều đặc sẽ không có độ trương nở, khi đó các ion bị “nhốt” trong đó không trao đổi được. Vì vậy cần phải kiểm soát mức độ liên kết ngang của mạng. Để tạo ra mạng polymer ba chiều cần có monomer thích hợp và chất khâu mạch. Phản úng trùng ngưng và polymer hóa cho phép đạt được mục tiêu đó. I.4.2 Cationit. Sản phẩm trùng ngưng của phenol và fomaldehyd hoặc các loại polyphenol với các aldehyd khác là các cationit được chế tạo sớm nhất. Các sản phẩm này chỉ chứa nhóm OH có cường độ axit rất thấp. Ngưới ta gắn các nhóm axit mạnh qua phản ứng sufon hóa với axit sunfuric trước khi tiến hành phản ứng trùng ngưng. Sản phẩm tạo thành chứa hai loại nhóm chức (-SO3H và OH). Loại cationit mạnh thông dụng là loại copolymer trùng hợp từ styren và divinyl benzene với hàm lượng divinyl benzene thường nằm trong khoảng 8- 20%, quá trình sulfon hóa được tiến hành sau phản ứng polymer hóa. Sản phẩm loại này có độ bền nhiệt và bền hóa cao hơn loại sản phẩm trùng ngưng. Cationit yếu chứa nhóm hoạt động COOH điều 11
  12. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga chế qua phản ứng copolymer hóa của axit hữu cơ hoặc axit anhidrid với chất khâu mạch divinyl benzene. Sản phẩm thông dụng được điều chế từ axit acrylic hoặc methacrylic với divinyl benzene. Do có tính axit yếu, mức độ phân ly của chúng phụ thuộc vào pH. Các nhóm chức này phần lớn ở dạng trung hòa khi pH < 3, độ phân li tăng dần khi pH tăng và phân li hoàn toàn ở Ph = 10. Nhựa trao đổi chứa hai loại nhóm chức SO3H và COOH có thể chế tạo thông qua sulfon hóa polymer acrylic hay methacrylic. Cationit đặc thù là loại có độ chọn lọc cao đối với một loại cationit nào đó. Loại đặc thù dựa trên nguyên tắc là các ion tạo phức bền hay kết tủa (tạo hợp chất không tan) với các nhóm chức của nhựa. Cationit yếu chứa nhóm COOH có độ chon lọc cao với proton vì nó tạo thành axit yếu khó phân li. Nhựa trao đổi chứa nhóm chức dipicryl amin có độ chọn lọc cao đối với K+, nhóm axit anthranilic tạo phức vòng với kẽm và các kim loại chuyễn tiếp. Thông thường các catioint có độ chọn lọc cao thì có tốc độ trao đổi chậm. Mặt khác, quá trình tái sinh các ion đặc hiệu khá khó khăn, đôi khi khong tái sinh được. Vì vậy, việc chọn lựa vật liệu trao đổi cho một mục tiêu nào đó cần phải cân nhắc lĩ để tìm được sự hài hòa giữa độ chọn lọc, tốc độ trao đổi và khả năng tái sinh. I.4.3 Anionit. Anionit đang được sử dụng là loại hữu cơ tổng hợp. Nhóm chức trong anionit là các amin. Nhóm amin bậc một (-NH2), bậc hai (-NHR), bậc ba (-NR2) là các nhóm bazo yếu, amin bậc bốn (-N+R3OH-) là loại bazo mạnh. 12
  13. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga Anionit bân đầu được chế tạo là sản phẩm polymer trùng ngưng, và nó bị thay thế bởi các polymer trùng hợp có độ bền cao hơn cũng giồng như trường hợp đối với cationit. Anionit có mùi tanh của amin ngay ở nhiệt độ thường, ở khoảng 60oC chúng bắt đầu phân hủy và nhả ra methanol và amin bậc 3. Anionit có khả năng phá hủy bởi các chất hữu cơ có kích thước lớn như axit humic, fulvic tồn tại trong nước thiên nhiên, loại có tính bền đối với các tác nhân trên được chế tạo với mạng polymer là polyacrylamide và chất khâu mạch là divinyl benzene. Trong khi các anionit mạng phân li ở mọi pH thì các anionit yếu chỉ hoạt động trong vùng pH < 7. Trong vùng pH cao các nhóm chức tồn tại ở trạng thái trung hòa, ở vùng pH thấp lien kết với proton tạo rat rung tâm mang điện tích dương. Anionit yếu bền nhiệt hơn loại mạnh, anionit yếu dạng polystyrene có thể hoạt động ở vùng 100oC. I.4.4 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. I.5 . Thứ tự ưu tiên khi trao đổi Đối với nhựa Cationit acid mạnh(SAC) , 13
  14. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga 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 . I.6. Cơ chế trao đổi ion. Qúa trình trao đổi ion có thể biểu diễn: R- -I+ + M+X ↔ R-M+ + I+X R+Y +M+X ↔ R+X +M+Y R-I+ là cationit vì nó có ion dương I+ có thể trao đổi được với ion M+ trong dung dịch, R+Y là anionit có khả năng trao đổi với các ion âm X- trong dung dịch. R- , R-+ là mạng chất không tan của chất trao đổi ion, với các loại nhựa trao đổi ion nó gồm mạng polymer ba chiều của liên kết hidrocacbon và các nhóm chức tích điện âm như SO, COO- ( đối với cationit) và nhóm chức tích điện dương –NR+ (đối với anionit). Với các cationit, I+ thường là H+ hay Na+, tương ứng nó được gọi là cationit dạng H+ hay Na+. Anionit cũng thường tồn tại ở hai dạng là Cl- vá OH. 14
  15. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga 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: 15
  16. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga - 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 .  I .7. Cân bằng trao đổi ion. Cân bằng trao đối ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với một dung dịch chất điện ly, ion trao đổi của dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khác nhau. Gỉa sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B. Qúa trình trao đổi ion diễn ra: -R – A + B → -R – B + A - R là mạng polymer chứa nhóm chức. Trong trạng thái cân bằng các ion trao đổi A, B có mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion. Trao đổi ion là quá trình thuận nghịch và vì vậy rất khó phân biệt là cân bằng được tiệp cận từ phía nào, tức là A trao đổi với B hay ngược lại.Tuy nhiên sự phân bố cả A và B trong hai pha ở trạng thái cân bằng là như nhau đối với cả hai trường hợp miễn là tổng nồng độ của chúng trong hệ không thay đổi. Tỉ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau. Cân bằng trao đổi ion có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và về mặt lí thuyết. Quan hệ hàm số phụ thuộc ion trái dấu của chất trao đổi ionvao2 thành phần ion trái dấu của dung dịch ngoài ở nhiệt độ và áp suất không 16
  17. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga đổi gọi là đường đẳng nhiệt của trao đổi ion. Các đường đẳng nhiệt biểu thị bằng đồ thị ở hệ trục không thứ nguyên a i – ai, với : z i ci z i ci ai = ai = và n n ∑z c ∑z c ii i i i =1 i =1 a i và ai - phần tương đương của ion I trong chất trao đổi ion và dung dịch; c i – nồng độ ion I trong chất trao đổi ion khi hệ đạt cân bằng mol ion/g chất trao đổi ion; ci – nồng độ ion I trong dung dịch khi hệ đạt cân bằng; zi – điện tích của ion i. các đại lượng a i và ai thay đổi từ 0 đến 1, do đó trao đổi đẳng nhiệt a i = f(ai) sẽ được biểu thị trong biểu đồ hình vuông có cạnh bằng 1. ai - Tỷ số được gọi là hệ số phân bố của ion i khi hệ số hút là K PI ai . Hệ số này biểu thị mức làm giàu và làm nghèo của chất trao đổi ion bằng một chất; - khi K PI < 1: chất trao đổi ion bị làm nghèo; - khi K PI >1: chất trao đổi ion được làm giàu bởi cấu tử I so với dung dịch cân bằng. Nếu một dung dịch chứa một số ion, ví dụ như ion A và B thì tính chọn lọc của chất trao đổi ion được đánh giá bởi hệ số chọn lọc K A, B và bằng ti số giữa hệ số phân bố của các ion đó: K PA a A .a B C A .C B K A, B = = = K PB a A .a B C A .C B 17
  18. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga - khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion A; -khi , chất trao đổi ion lựa chọn ion B; , không lựa chọn ion nào cả. -khi Khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhỏ hơn 0,003 mol/l thì tốc độ trao đổi được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion qua màng chất lỏng. Khi nồng độ chất gây ô nhiễm bằng 0.1 mol/l tốc độ bởi quá trình được xác định bởi quá trình khuếch tán của các ion trong hạt. Trong vùng nồng độ từ 0,003 đên 0,1 mol/l tốc độ quá trình được xác định bởi hai quá trình khuếch tán. Số BIO được tính như sau: βr0 ( K H D ) = số BIO Bi = Trong đó: β – hệ số cấp khối: r0 - bán kính của hạt; K H - hằng số henri; D - hệ số dẫn khối. Hệ số khuếch tán của các ion trong nhựa trao đổi có giá trị trong khoảng 10-6 -10-9 cm2 /s , còn trong nước là 10-4 -10-5 cm2/s. Hệ số khuếch tán bị giảm khi tăng kích thước của các ion bị hidrat hóa trong dung dịch và tăng điện tích các ion trái dấu của nhựa trao đổi ion. I.8. Thiết kế cột trao đổi ion. 18
  19. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga Qúa trình trao đổi ion gồm các giai đoạn: di chuyển các ion trao đổiqua màng chất lỏng bao xung quanh hạt nhựa trao đổi: khuếch tán các ion trong mao quản của nhựa trao đổi và quá trình trao đổi. Trở lực của hai giai đoạn đầu có thể kết hợp trong hệ số chuyển khối tổng như trong hấp thụ. Khi đó có thể sử dụng phương trình tốc độ quá trình hấp phụ để tính tốc dộ trao đổi theo chiều cao chất trao đổi Dz: S.Dy = kt .a (Y-Y*) Dz Trong đó: S- lưu lượng dòng nước thải qua cột trao đổi; Kt – hệ số chuyển khối tổng; a-diện tích bề mặt ngoài của hạt rắn; Y* - nồng độ cân bằng Y- nồng độ làm việc Z- chiều cao lớp chất trao đổi ion Tổng số đơn vị chuyển khối của toàn bộ vùng trao đổi cũng có thể tính thoe công thức: Za YE Za dY Nt = ∫ =Sa *= YB Y − Y Ht Kt I.9. Tái sinh các ionit. Các cationit được tái sinh bằng dung dịch axit có nồng độ từ 2 đến 8% và chúng chuyển thành dạng –H+.Các dung dịch tái sinh chứa các cation. Sau khi nới lỏng và rửa, các cation sẽ nạp điện tích, ( ví dụ thành dạng –Na bằng cách cho dung dịch muối ăn đi quá chúng. Khi đó nhóm chức năng –H+ nhận được trong tái sinh các cationit bằng axit được thay 19
  20. Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga đổi ở nhóm –Na, còn dung dịch muối ăn được sử dụng để tích điện sẽ bị oxy hóa tới HCl). Người ta tái sinh các anionit đã được sử dụng trong trao đỗi ion bằng dung dịch kiềm. Khi đó các anionit chuyển sang dạng OH-. Các dung dịch tái sinh chứa các anion được tách ra từ nước thải ở dạng nồng độ cao. Khi cần thiết anionit được tái sinh từ dạng –OH- có thể chuyển thành dạng-Cl- bằng cách cho dung dịch NaCl đi qua. Trong dung dịch tích điện, NaOH được tích tụ lại. Các dung dịch tái sinh là các dịch axit hoặc kiềm. Sự trung hòa được tiến hành bằng trộn các dung dịch tái sinh axit và kiềm. I.10. Sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion. Sự loại khoáng hoàn toàn bao gồm: một cột trao đổi cation và một cột trao đổi anion kiềm yếu như ở hình 1. Cũng có thể sử dụng trao đổi ion hỗn hợp cả cation và anion theo sơ đồ làm việc gián đoạn như ở hình 2. 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2