Tiểu luận Quá trình công nghệ môi trường: Quá trình trao đổi Ion

Chia sẻ: Nguyễn Quang Minh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

414
lượt xem 104
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiểu luận Quá trình công nghệ môi trường: Quá trình trao đổi Ion giới thiệu về phương pháp trao đổi ion, cơ chế trao đổi ion, tái sinh, ứng dụng và kết luận. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận Quá trình công nghệ môi trường: Quá trình trao đổi Ion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG & BẢO HỘ LAO ĐỘNG Quá Trình Công Nghệ Môi Trường CHUYÊN ĐỀ Quá Trình Trao Đổi Ion GVHD: TS. Phạm Anh Đức Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Huỳnh Thảo Uyên 91002262 Trần Quốc Việt 91202266 Hồng Văn Từ 91202259 Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 11 năm 2014 1
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION..............3 1.1 Định nghĩa................................................................................................3 1.2. Cơ Sở Phương Pháp Trao đổi ion........................................................4 1.3.Vật liệu trao đổi ion................................................................................5 1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên.........................................................8 1.3.1.1.Sản phẩm hữu cơ tự nhiên.....................................................8 1.3.1.2 Sản phẩm vô cơ tự nhiên........................................................8 1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi ion........................................................9 1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo........................................................9 1.3.3.1. Ion trao đổi hữu cơ nhân tạo.................................................9 1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo....................................14 1.4. Nhựa trao đổi ion ................................................................................18 1.4.1 Về cấu tạo......................................................................................19 1.4.2 Tính chất vật lý..............................................................................20 1.4.3 Tính chất hoá học..........................................................................22 1.4.4 Phân loại ........................................................................................24 1.4.4.1 Trao đổi cation........................................................................25 1.4.4.2 Trao đổi anion.........................................................................27 1.4.5. Điều kiện sử dụng của nhựa trao đổi ion.................................30 CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ TRAO ĐỔI ION........................................................30 2.1 .Thứ tự trao đổi một số cation thông thường....................................32 2.2 Cơ chế....................................................................................................32 2.3 Cân bằng trao đổi ion............................................................................36 2.4 Thiết kế cột trao đổi ion......................................................................37 CHƯƠNG 3: TÁI SINH...................................................................................41 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG...............................................................................41 4.1 Làm mềm nước cứng............................................................................45 4.2 Khử khoáng............................................................................................49 4.3 Ứng dụng khác.......................................................................................53 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHÃO.................................................................................57 2
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION 1.1 Định nghĩa Trao đổi ion là một phản ứng hóa học thuận nghịch trong đó có ion (một nguyên tử hay phân tử đã bị mất hoặc được một electron và do đó có đ ược một điện tích) từ dung dịch được trao đổi cho một ion tích điện tương tự như gắn liền với một hạt rắn bất động. Những hạt trao đổi ion vững chắc hoặc là tự nhiên zeolit vô cơ hoặc hữu cơ được sản xuất ra nhựa tổng hợp. Các loại nhựa tổng hợp hữu cơ là loại chủ yếu được sử dụng ngày hôm nay vì đ ặc tính c ủa chúng có thể được thiết kế cho các ứng dụng cụ thểtrong đó không có sự thay đổi vĩnh viễn trong cấu trúc của chất rắn.Việc trao đổi phải có một cấu trúc mạng mở, hoặc hữu cơ hoặc vô cơ, có thể mang theo các ion và cho phép các ion đi qua nó. Trao đổi ion được sử dụng trong điều trị và cũng cung cấp một ph ương pháp tách trong nhiều quá trình. Nó có ích đặc biệt trong tổng hợp hóa học, nghiên cứu y học, chế biến thực phẩm, khai khoáng, nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Trao đổi ion là một chất không tan trong nước có thể trao đổi một s ố ion của nó đối với các ion tích điện tương tự chứa trong một môi trường mà nó tiếp xúc; định nghĩa này là tất cả các bao quát. Đề cập đến một "chất" hơn là một hợp chất bao gồm nhiều trao đổi, một số trong số đó là sản phẩm tự nhiên mà không có một thành phần được xác định rõ. Thuật ngữ "trung bình" thừa nhận rằng trao đổi ion có thể xảy ra ở cả hai dung dịch dung dịch nước và nonaqueous, trong muối nóng chảy, hoặc thậm chí tiếp xúc với hơi. Định nghĩa này không giới hạn các chất rắn, vì một số dung môi hữu cơ là không thể trộn lộn với nước có thể tách các ion từ dung dịch nước bằng một cơ chế trao đổi ion . Định nghĩa cũng chỉ ra một cái gì đó về quá trình trao đổi ion. Về cơ bản nó bao gồm sự tiếp xúc giữa các trao đổi và môi trường, trong đó việc trao đổi diễn ra. Đây thường là một trao đổi ion rắn và một dung dịch nước. Thực tế là các ion được trao đổi có nghĩa là trao đổi phải được ion hóa, nhưng chỉ một trong số các ion trong trao đổi là hòa tan. Đó ion có thể trao đổi, trong khi người kia, là không hòa tan, có thể không làm như vậy. Các tiện ích của trao đổi ion thuộc về khả năng sử dụng và tái sử dụng các vật liệu trao đổi ion. Ví dụ, trong làm mềm nước: 2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2na+ Trao đổi ion R ở dạng ion natri có thể trao đổi canxi và do đó, đ ể loại bỏ canxi từ nước cứng và thay thế nó bằng một số l ượng tương đương với natri. Sau đó, nhựa canxi có thể được điều chỉnh bằng dung dịch natri clorua, phục hồi nó trở lại mẫu natri, do đó, nó đã sẵn sàng cho một chu kỳ. Các phản ứng tái sinh 3
có thể đảo ngược; trao đổi ion là không thay đổi vĩnh viễn. Hàng triệu lít nước có thể được làm mềm trong một mét khối nhựa trong suốt một thời gian hoạt động trong nhiều năm. 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. Trao đổi ion xảy ra trong một loạt các chất và nó đã được sử dụng trên cơ sở công nghiệp từ khoảng năm 1910 với việc giới thiệu sử dụng làm mềm nước tự nhiên và sau đó tổng hợp zeolit. Than gỗ hoạt tính, được phát triển để xử lý nước công nghiệp, là nguyên liệu trao đổi ion đầu tiên đã ổn định ở mức pH thấp. Sự ra đời của nhựa trao đổi ion hữu cơ tổng hợp vào năm 1935 là kết quả của sự tổng hợp các sản phẩm ngưng tụ phenolic có chứa một trong hai nhóm sulfonic hoặc amin có thể được sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược của các cation hoặc anion. • Ưu điểm: - Rất triệt để và xử lí có chọn lựa đối tượng - Nhựa ion có thời gian sử dụng lâu dài, tái sinh được nhiều lần với chi phí thấp, năng lượng tiêu tốn nhỏ. - Phương pháp xử lý nước thân thiện với môi trường vì nó chỉ hấp thu các chất sẵn có trong nước. • Hạn chế : - Nếu trong nước tồn tại các hợp chất hữu cơ hay ion Fe 3+, chúng sẽ bám dính vào các hạt nhựa ion, làm giảm khả năng trao đổi ion của nhựa. - 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 xử lý cao • So sánh với hấp thụ: Trao đổi ion giống như hấp thụ bởi vì cả hai đều là hiện tượng bề mặt, và trong cả hai trường hợp rắn chiếm một chất hòa tan trong dung dịch. Sự khác biệt đặc trưng giữa hai hiện tượng này là hiện tượng cân bằng hóa học của trao đổi ion. Mỗi ion loại bỏ khỏi các ion trong dung dịch được thay thế bởi một s ố lượng tương đương có trên hạt nhựa. Trong hấp thụ mặt khác một chất tan thường được đưa lên bề mặt mà không có hiện tượng được thay thế.. 1.2. Cơ Sở Phương Pháp Trao đổi ion 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 4
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 . • 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 ; - 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. 1.3.Vật liệu trao đổi ion: Vật liệu trao đổi ion là những chất không hòa tan có chứa các ion mà có thể được trao đổi với các ion khác trong dung dịch khi tiếp xúc với nó. Nh ững trao đổi này diễn ra mà không có bất kỳ thay đổi vật lý của vật liệu trao đổi ion. Trao đổi ion giữa dung dịch acid hoặc base tạo muối không hòa tan, và điều này cho phép chúng trao đổi. Ngoài ra còn có các ion mang điện tích dương (trao đ ổi cation) hoặc những ion mang điện tích âm (trao đổi anion) trao đổi với các ion cùng dấu trong môi trường lỏng. Hình 1: a và b là ví dụ đặc trưng cho trao đổi ion. Các phản ứng trên được xem xét 5
Vật liệu trao đổi cation có chứa nhóm điện tích âm như sunfat, carboxylate, phosphate, benzoate, vv được cố định vào trục vật chất và cho phép thông qua các cation nhưng từ chối anion, trong khi vật liệu trao đổi anion có chứa nhóm mang điện dương như nhóm amino, alkyl được thế phosphine , alkyl được thế sulfua , vv được cố định vào các trục vật liệu và cho phép thông qua các anion nhưng từ chối cation. Ngoài ra còn có trao đổi lưỡng tính có thể trao đổi cả cation và anion cùng một lúc. Tuy nhiên, việc trao đổi đồng thời của các cation và anion có thể được thực hiện hiệu quả hơn trên cột hỗn hợp có chứa một hỗn hợp của anion và nhựa trao đổi cation hoặc đi qua các dung dịch xử lý thông qua vật liệu trao đổi ion khác nhau. Có một cấp khác của bộ trao đổi ion được gọi là trao đổi ion chất tạo phức. Nhiều ion chấp nhận cặp electron từ các ligand thi ết lập kết cộng hóa trị như liên kết. Tùy thuộc vào số liên kết điều phối, ligand được gọi là monodentate, bidentate, hoặc polydentate. Tương tác phối hợp là rất cụ thể. Một ví dụ về một hợp chất phối hợp là sự phối hợp của một ion kim loại với ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) . Hình 2: Sự phối hợp của một ion kim loại với ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) Cấu trúc hữu cơ của các nhóm chức năng thường có chứa nitơ, oxy, và các nguyên tử lưu huỳnh, đó là những yếu tố của electron (Hình 3). 6
Hình 3: Các nhóm chức năng chứa oxy như cung cấp electron Nhiều chất tự nhiên như protein, cellulose, các tế bào sống và các hạt đất có đặc tính trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong các quá trình trong tự nhiên. Vật liệu trao đổi ion tổng hợp dựa vào than đá và nhựa phenolic đầu tiên đã được giới thiệu để sử dụng trong công nghiệp 1930. Một vài năm sau bao gồm nhựa polystyrene với nhóm sulphonate để tạo trao đổi cation hoặc các nhóm amin để tạo thành bộ trao đổi anion được phát triển. Hai loại nhựa vẫn là nhựa thông dụng nhất hiện nay. Sự ra đời của nhựa trao đổi ion hữu cơ tổng hợp vào năm 1935 là kết quả của sự tổng hợp các sản phẩm ng ưng tụ phenolic có chứa một trong hai nhóm sulfonic hoặc amin có thể được sử dụng cho việc trao đổi đảo ngược của các cation hoặc anion. Một loạt các nhóm chức năng đã được thêm vào sự ngưng tụ, bổ sung polyme được sử dụng như các cấu trúc xương sống. Độ xốp và kích thước hạt đã được kiểm soát bởi điều kiện trùng hợp và thống nhất công nghệ sản xuất kích thước hạt. Ổn định vật lý và hóa học đã được điều chỉnh và cải thiện Theo kết quả của những tiến bộ, những trao đổi vô cơ (khoáng sản, greensand và zeolit ) đã được gần như hoàn toàn thay thế bằng các loại nhựa ngoại trừ một số ứng dụng phân tích và chuyên ngành. Tổng hợp Zeolit vẫn còn được sử dụng như sàng phân tử. • Phân loại vật liệu trao đổi ion 7
Hình 4: phân loại vật liệu trao đổi ion Gồm có 3 loại chính : - Vật liệu trao đổi ion tự nhiên: vật liệu trao đổi ion hữu cơ tự nhiên, vật liệu trao đổi ion vô cơ tự nhiên. - Vật liệu trao đổi ion biến đổi tự nhiên - Vật liệu trao đổi ion nhân tạo: vật liệu trao đổi ion hữu cơ nhân tạo, vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo 1.3.1 Vật liệu trao đổi ion tự nhiên 1.3.1.1.Sản phẩm hữu cơ tự nhiên Một số vật liệu hữu cơ tự nhiên có tính chất trao đổi ion hoặc có thể được trao cho nó bằng cách xử lý hóa học đơn giản. Tế bào thực vật và động vật hoạt động như trao đổi ion nhờ sự hiện diện của nhóm carboxyl protein l ưỡng tính. Những nhóm carboxyl, (-CO2H), và các nhóm phenolic, (-OH), là yếu tính axit và sẽ trao đổi các ion hydro của nó cho các cation khác trong điều kiện trung tính hoặc kiềm. Các humins và axit humic được tìm thấy trong tự nhiên đất "mùn" là những ví dụ của trao đổi lớp này; các sản phẩm thực vật một phần bị hư hỏng và bị oxy hóa chứa các nhóm axit. Một số sản phẩm hữu cơ được bán trên thị trường là dựa trên xử lý cellulose, hoặc ở dạng sợi để sử dụng trong cột 8
trao đổi ion hoặc giấy lọc cho sự phân ly trao đổi ion trên giấy. Nhiều trao đổi ion đã được làm từ vật liệu tự nhiên khác như gỗ, sợi, than bùn và than bằng quá trình oxy hóa với axit nitric hoặc tốt hơn nữa, với axít sulfuric đậm đặc khi nhóm axit mạnh sulphonic acid, (-SO3H) được đưa vào vật liệu. Quá trình thứ hai đặc biệt thành công hơn với than sulfonat hóa. Đây có thể trao đ ổi trong dung dịch axit, bởi vì nhóm trao đổi chính nó bị ion hóa dưới những điều kiện này, trong khi các nhóm carboxylic và phenolic yếu là không. Tất cả các tài liệu này có nhược điểm nhất định; Tuy nhiên, có xu hướng màu sắc thì đã có các giải pháp đó được xử lý, và thuộc tính của nó khó khăn để tái tạo vì khó khăn trong vi ệc ki ểm soát xử lý mà nó được đưa ra. 1.3.1.2 Sản phẩm vô cơ tự nhiên Nhiều hợp chất khoáng thiên nhiên, chẳng hạn như đất sét (ví dụ, bentonite, kaolinite, và illit), cát, và zeolit (ví dụ, analcite, chabazite, sodalite, và clinoptilolite) thuộc tính trao đổi ion triển lãm. Zeolit tự nhiên là những vật liệu đầu tiên được sử dụng trong quá trình trao đổi ion. Vật liệu đất sét thường được sử dụng làm vật liệu lấp hoặc đệm vật liệu cho các nơi xử lý chất thải phóng xạ vì tính chất trao đổi ion của nó, độ thẩm thấu thấp, và dễ tính khả thi. Đất sét cũng có thể được sử dụng trong hàng loạt quá trình trao đổi ion nhưng thường không phù hợp với hoạt động cột vì các tính chất vật lý của nó hạn chế dòng chảy thông qua cột. 1.3.2 Biến đổi tự nhiên trao đổi Ion Để cải thiện khả năng trao đổi và chọn lọc, một số trao đổi ion hữu cơ tự nhiên được thay đổi; ví dụ, cellulose dựa trên trao đổi cation có thể thay đổi thành phosphate, carbonic, hoặc các nhóm chức năng có tính axit khác. Các thông số hấp thụ của vật liệu tự nhiên có thể được sửa đ ổi bởi một chất hóa học hoặc xử lý nhiệt; ví dụ, bằng cách xử lý clinoptilolite với một dung dịch loãng của axit hoặc một số muối, một hình thức có chọn lọc các chất hấp thụ có thể được phát triển thành một hạt nhân phóng xạ đặc biệt. Tại Nhật Bản khoáng chất tự nhiên được xử lý bằng dung dịch kiềm trong điều kiện thủy nhiệt đã được đưa ra cho hấp thụ của cesium và strontium từ dung dịch. Những phương pháp điều trị đã cung cấp tài liệu với hệ số phân phối 1000 đến 10000. Kết quả tốt hơn đã được báo cáo từ việc loại bỏ các cesium và strontium thay đổi bằng đất sét neoline với acid phosphoric 9
1.3.3 Vật liệu trao đổi ion nhân tạo 1.3.3.1. Ion trao đổi hữu cơ nhân tạo Năm 1935, hai nhà hóa học Adams và Holmes tại Phòng thí nghiệm hóa học quốc gia ở Teddington, chứng minh rằng nhiều loại nhựa trao đổi ion hữu cơ có thể được tổng hợp trong một cách tương tự như loại nhựa cũng được xác đ ịnh "Bakelite", được chuẩn bị bởi Baekeland vào năm 1909. "Bakelite" là một khó khăn, không hòa tan nhựa polymer ngưng tụ và có thể được dễ dàng thực hiện bằng cách nung nóng cùng phenol và formaldehyde, trong sự hiện diện của axit hoặc base với việc loại bỏ nước. Về cơ bản các phản ứng xảy ra trong hai giai đoạn Hình 5: Cơ chế hình thành của Bakelite Việc lặp lại các phản ứng thấm nước sẽ tạo ra một cấu trúc ba chiều có chứa -OH phenol axit yếu hoặc OR nhóm (hình 6). 10
Hình 6: polymer Cross-liên kết của phenol và formaldehyde. Adams và Holmes đã chỉ ra rằng những trao đổi ion hydro trong dung dịch kiềm; họ cũng chuẩn bị trao đổi cation làm việc trong dung dịch axit bằng cách đưa các nhóm axit sulphonic axit mạnh, -SO3H, vào cấu trúc. Điều này đã được thực hiện bằng cách sulphonation sản phẩm cuối cùng hoặc bằng cách sử dụng như nguyên liệu đầu không phải là một phenol mà là một axit phenolsulphonic, trong đó nhóm axit sulphonic đã hiện diện. Bằng một sự sửa đổi phù hợp tổng hợp của họ, họ cũng đã có thể giới thiệu các nhóm cơ bản xuất phát từ amin và để chuẩn bị trao đổi anion tổng hợp. Lần đầu tiên người ta có thể tạo vật liệu có thề kiểm soát cả hai nhựa trao đổi cation và anion , hành vi và sự ổn định trong số đó là đáng kể trước các vật liệu khác. Cho đến khi sự phát triển của kỹ thuật hiện đại của hóa học polymer cao, nhựa ngưng tụ đã được sử dụng thành công. Năm 1944 d'Alelio, tại Hoa Kỳ, sản xuất vật liệu cao cấp. Nhựa D'Alelio, cũng như hầu hết các con cháu của họ, dựa trên một mạng lưới ba chiều thường xuyên hình thành bởi trùng hợp benzen styrene phái sinh (xem hình 7). Hình 7: Styrene 11
Các liên kết đôi trong chuỗi bên có thể được mở và các đơn vị liên kết styrene từ đầu đến cuối để cung cấp cho các chuỗi polymer (Hình 8). Hình 8: Polystyrene Ở đây, các đơn vị lặp đi lặp lại dựa trên các phân tử styrene xảy ra hàng triệu lần. Styrene cũng có thể được coi là một dẫn xuất của ethylene, trong đó một nguyên tử hydro đã được thay thế bởi một nhóm phenyl, -C 6H6. Cũng như ethylene có thể được polymer hóa để thành polyethylene (polythene), styrene sẵn sàng polymer hoá để thành polystyrene. Các chuỗi có thể được liên kết với nhau thành những cấu trúc hai và ba chiều nếu styrene được trộn với một tỷ lệ nhỏ divinyl benzen (hình 9) mà giống như styrene trong thuộc tính của nó có hai chuỗi bên không bão hòa thông qua đó nó có thể polymer hóa. Hình 9: Divinyl benzene các polymer hình thành từ một hỗn hợp của styrene và divinyl benzen bao gồm chuỗi như đã đề cập trước đây, liên quan đến một chuỗi mọi lúc mọi nơi các đơn vị là một phân tử divinyl benzen thay vì styrene (Hình 10). 12
Hình 10: polymer của divinyl benzen Ở các khu vực được bao bọc bởi các đường dây bị hỏng chuỗi liên kết với nhau, và nếu chúng ta tưởng tượng xảy ra trong ba chiều nó rất dễ dàng để thấy rằng polymer kết quả sẽ tạo thành một mạng lưới khá thường xuyên (Hình 10). Các liên kết giữa các chuỗi được gọi là "liên kết chéo", và nhựa thông thường đ ược đặc trưng bởi tỷ lệ divinylbenzene (DVB) được sử dụng trong chuẩn bị của nó; do đó, 2 phần trăm nhựa liên kết ngang chứa 2 phần trăm của DVB và 98 phần trăm của styrene. D'Alelio chuẩn bị nhựa như vậy bằng cách trùng hợp nhũ tương, sử dụng chất nhũ hoá phù hợp, từ đó lắng như hạt nhựa hình cầu. Các polymer tự nó không làm việc như trao đổi ion, mà nó có thể được sunfonat hoá chỉ như thể các loại nhựa ngưng tụ, giới thiệu các nhóm axit mạnh, như –SO 3H, vào vòng benzen của polymer. Các ion hydro của nhóm này sẽ trao đổi với các cation khác trong dung dịch. Luôn nhớ rằng một vòng benzen được lặp đi lặp lại nhiều lần trong suốt polymer, những bước cơ bản trong giới thiệu của các nhóm trao đổi (hoặc nhóm "chức năng" như họ thường được gọi là) được thể hiện trong trao đổi hình cation (a) và trao đổi anion (b ) (Hình 11). 13
Hình 11: (a) trao đổi cation; (b) trao đổi anion Thứ hai của những phản ứng này cho một muối amoni bậc bốn, được ion hóa mạnh mẽ, và được dễ dàng chuyển đổi để các cơ sở tương ứng. Các anion sẵn sàng trao đổi với các anion khác ở tất cả các giá trị pH. Các cation là một phần của một chuỗi polymer hòa tan hoặc mạng lưới, do đó trao đổi nói chung không hòa tan trong nước. Các trao đổi ion tổng hợp như nhựa polystyrene nêu trên, tạo thành nền tảng của hầu hết các loại nhựa hiện nay với mục đích thương mại, có nhiều lợi thế hơn trao đổi hữu cơ tự nhiên trước đó: - Phương pháp tổng hợp được hơn kiểm soát, và sản phẩm cuối cùng là thống nhất hơn trong kích thước hạt, mức độ liên kết ngang, và nội dung của các nhóm chức năng; - Bằng cách biến đổi các yếu tố thích hợp một loạt nhiều loại sản phẩm khác nhau có thể được chuẩn bị; - Các sản phẩm có hình cầu, không giống như các hạt không đều hình thành khi khối rắn nhựa ngưng tụ được nghiền và sàng lọc. Điều này giảm thiểu chất thải; Ngoài ra, hạt hình cầu đóng gói thống nhất hơn vào cột hơn so với các h ạt hình dạng bất thường. Điều này ảnh hưởng đến các kiểu dòng chảy của các các giải pháp thông qua các cột và làm cho nó dễ dàng hơn để kiểm soát hành vi của mình; 14
- Sự ổn định vật lý và hóa học của các loại nhựa được cấp trên như c ủa lo ại nhựa ngưng tụ. 1.3.3.2 Vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo: Một vài ứng dụng quan trọng của những trao đổi ion vô cơ là: - Ly thân các ion kim loại - Ly các hợp chất hữu - Loại bỏ các chất thải và ô nhiễm không khí - Chuẩn bị các điện cực chọn lọc ion - Chuẩn bị thận nhân tạo máy - Chuẩn bị các tế bào nhiên liệu Tầm quan trọng của phân tích trao đổi ion vô cơ tổng hợp hiện nay được thiết lặp chặt chẽ. Việc xem xét các trao đổi ion trong hóa phân tích cho năm 1970 bao gồm báo cáo kết quả quan trọng; những tiến bộ rõ ràng trong hai năm qua là trong lĩnh vực trao đổi ion vô cơ. Thậm chí ngày nay tuyên bố này là gần đúng như vậy. Trao đổi ion tổng hợp có thể được phân loại trong các loại sau: - zeolit nhân tạo - muối axit Polybasic - oxit ngậm nước - Kim loại ferrocynides - Vật liệu trao đổi ion hòa tan - Hetropolyacids • Zeolit nhân tạo Zeolit là các vật liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng cho việc loại bỏ các chất nước thải với quy mô lớn. Zeolit là tinh thể alumin silicat vật liệu và có thể được chuẩn bị như vi tinh thể dạng bột, viên hoặc các hạt. Ưu điểm chính của zeolit tổng hợp khi so sánh với zeolit tự nhiên được điều đó, nó có thể được thiết 15
kế rộng Mu . Naushad: Ion Exchange Letters 2 (2009) ngày 01 ngày 14 tháng 3 nhiều tính chất hóa học và kích thước lỗ rỗng, và nó được ổn định ở nhiệt độ cao nhưng có một số hạn chế. Những hạn chế chính của zeolit nhân tạo là: - Chi phí tương đối cao so với zeolit tự nhiên - Ổn định hóa học giới hạn ở phạm vi pH cực đoan (cao hoặc thấp) - Ion đặc trưng là dễ bị can thiệp từ các ion kích thước tương tự Công suất xử lý thực tế thu được với các zeolit là thấp hơn so với công suất tối đa của nó kể từ khi cột được thay đổi trong giai đoạn đầu của mang tính đột phá và bởi vì các dòng thải thường chứa các ion khác sẽ chiếm một số vị trí trao đ ổi và do đó làm giảm khả năng xử lý. Trao đổi ion dựa trên silica tổng hợp đ ược sản xuất cho mục đích kỹ thuật bằng cách nung chảy soda, kali cacbonat, fenspat và kaolinit (Schmaltz permutite) và sau đó dùng dung dịch sunfat nhôm có chứa natri silicat kết tủa với dung dịch natri hydroxit (Gel permutite). Kể từ đó, zeolit tinh thể nhân tạo cũng đã được tổng hợp thành công. Các đặc tính có lợi của bộ trao đổi ion tinh thể silicat dựa trên trao đổi ion nhựa tổng hợp hiện đại như sau: - Ít nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn - Cấu trúc Cứng và đồng đều - Có chọn lọc hơn và phù hợp để tách các ion trên cơ sở của họ kích cỡ khác nhau Một số trong số đó bây giờ cũng được sử dụng như sàng phân tử hoặc ion. Tại Ấn Độ, một cuộc điều tra có hệ thống đã được thực hiện để đánh giá hiệu suất của zeolit tổng hợp có sẵn tại địa phương cho việc loại bỏ các cesium, strontium và thorium từ giải pháp. Các zeolit sau khi trao đổi với cesium, strontium hoặc thorium,đã được xử lý nhiệt để sửa chữa các ion thành công trong cùng một ma trận. • Muối axit polybasic Muối axit của kim loại đa hóa trị được hình thành bằng cách trộn oxit axit kim loại thuộc IV, V và VI nhóm của bảng tuần hoàn. Muối axit của kim loại hóa 16
trị bốn được nhóm của lớp này nghiên cứu nhiều nhất. họ là cực kỳ không hòa tan. Thành phần của chúng là không stochiometric và phụ thuộc vào các điều kiện theo đó họ được kết tủa. Các tài liệu đã được tổng hợp cho đ ến nay bao gồm phốt phát, asenat, molybdat, tungstat, antimonates, silicat, vanadate, và tellurates của zirconium, titan, thori, thiếc, xeri, crom, sắt, niobi, tantali, vv.. • Oxit ngậm nước Các oxit ngậm nước của một số ion kim loại cũng đã được các vật liệu được thiết lập cho mục đích trao đổi ion. Oxit kim loại hóa trị ba kết tủa rất hiệu quả trong lĩnh vực này, ví dụ như oxit sắt ngậm nước và sắt hydroxit d ễ dàng hấp thụ các cation kiềm thổ theo luật tác dụng khối lượng, các cation hóa tr ị hai khác được hấp thụ trên pH 7. Trong quá trình này, các kim loại kiềm và đất kiềm được hấp phụ trên bề mặt và được dễ dàng tách rửa trong khi các cation tích điện cao hơn Ce (III), Y (III), Pm (III), Ru (IV) số lượng lớn và chỉ tách rửa với khi khó khăn . Các trao đổi ion của lớp này cho thấy một hành vi l ưỡng tính ph ụ thuộc vào pH của dung dịch. Quá trình này có thể được mô tả bởi các điểm cân bằng sau đây. Oxit kẽm cũng cho thấy tính chất trao đổi lưỡng tính. Oxit pha trộn có thể sẵn sàng trong đó cation thứ hai cao hơn so với các cation mẹ được đưa vào cấu trúc. Kết quả là lưới điện tích dương được cân bằng hiện diện của các anion khác hơn là oxit và hydroxit. Ví dụ như vật liệu bao gồm Zn(OH) 2 trong đó Zn2+ là một phần thay thế bằng Al3+ và Al(OH)3 có chứa Si4+, Ti+ hoặc Zr2+. Các công thức chung Znn-a AL(OH)2Xn và ALn-1 Mn(OH)3 Xn-1, nơi M4+ là một oxit tetravalent và X là một anion đơn trị. Oxit kim loại hóa trị bốn cũng thường đ ược s ử dụng nh ư trao đổi ion vô cơ như SnO2, SiO2, ThO2 và ZrO2. Trên thực tế các tài liệu này không có công thức oxit đơn giản như nêu trên trừ khi chúng được đốt cháy ở nhiệt độ cao. Chúng được phát hiện có chứa lượng nước khác nhau, mà không phải là có mặt như là nước hydrat hóa từ về sưởi ấm, nó bị mất liên tục trên một phạm vi nhiệt độ. Do đó các ôxit này thường được mô tả như oxit ngậm nước. • Kiêm loaị Ferrocyanides Ferrocyanides kim loại không hòa tan cũng có thể được sử dụng như trao đổi ion vô cơ. Họ cũng được biết đến như người nhặt rác cho kim loại kiềm. Nó có thể dễ dàng sẵn sàng và hữu ích trong việc tách các chất thải phóng xạ và các vật liệu phân rã hạt nhân với ít thiệt hại cho bức xạ hơn các bộ phận hữu cơ của họ truy cập. Baetsley et al. Nghiên cứu molybdate ferrocyanide và xác định cấu 17
trúc của nó bởi các nghiên cứu X-ray. Nó cũng sử dụng molypden và vonfram ferrocyanides cho việc tách Cs-137 và Sr-90 từ các sản phẩm phân hạch trong môi trường axit. Amine kim loại dựa ferrocyanides cũng đã nhận được sự chú ý. Họ lần đầu tiên được giới thiệu bởi Hahn và Clein, người chuẩn bị một ferrocyanide coban amin. ferrichydroxit cũng đã nhanh chóng phát triển các ứng dụng trong việc tách các ion kim loại và nó đã được sử dụng như một vật liệu hấp phụ đ ể loại bỏ asen từ nước tự nhiên. • Vật liệu không hòa tan ion trao đổi Vật liệu trao đổi ion không hòa tan khác nhau. Một số lượng lớn các hợp chất như vậy đã được xây dựng. Những vật liệu này đã được xây dựng bằng cách kết tủa từ dung dịch muối kim loại với Na 2S hoặc H2S. Các tính chất trao đổi ion của sulfua không hòa tan (ví dụ Ag2S, SNS, cus, PBS, FeS, NiS, As2S3, Sb2S3) đã được nghiên cứu. Sulfua được chọn lọc đối với các cation tạo thành sulfua không hòa tan. Các phản ứng trao đổi xảy ra thông qua phản ứng metathetical trong đó kim loại của sunfua được thay thế bởi ion thích hợp từ dung dịch. Hấp thụ lượng của TI +, Ni2+, Co2+, Mn2+, Cu2+ và Pb2 đã được ghi nhận về ZnS, CdS và PBS, Uranium trên PBS, tách Cu2+ từ Zn2+ và Cd2+ về SnS và kim loại quý về CuS. • Acid Teropoy Muối heteropolyaxit có thể được sử dụng như trao đổi ion vô cơ. Nhóm này rao đổi có nguồn gốc từ 12 heteropolyacids của HnXY12O40.nH2O công thức chung trong đó X có thể P, As, Si, B hoặc Ce và Y có th ể là một cá y ếu t ố như Mo, W hoặc V. Các hợp chất heteropoly đặc biệt là các hợp chất 12- molybdo là tác nhân oxy hóa khá mạnh. Các trao đổi của loại này là ổn định trong axit vừa phải tập trung. Tuy nhiên, họ hòa tan trong dung dịch kiềm. Các heteropolyacids thể hiện ái lực cao với kim loại nặng kiềm, thori và bạc. Kích thước của các ion univalent của những yếu tố này là phù hợp để duy trì với nó trong mạng tinh thể của heteropolyacids. Ngoài các muối heteropolyaxit, nhiều chất khác như muối hỗn hợp cũng đã được tổng hợp và nghiên cứu chi tiết cho các thuộc tính trao đổi ion. Nó đã được tìm thấy rằng muối kép hoặc muối hỗn hợp của các ion kim loại có tính chất trao đổi ion khác với muối đơn giản. Thông thường, thấy ưu thế hơn muối đơn giản chủ yếu ở ba khía cạnh: nhiệt tốt hơn và ổn định về mặt hóa học, thứ hai được chọn lọc trong tự nhiên và khả năng trao đổi ion là cao hơn so với muối đơn giản của nó. Đó là với quan điểm này, sự chú ý đã được đưa ra để tổng hợp và nghiên cứu các tính chất trao đổi ion c ủa 18
các lớp trao đổi ion. Để mô tả một chất mới như là một trao đ ổi ion vô c ơ, ti ện ích của nó trong các lĩnh vực khác nhau và giới hạn của nó, các thuộc tính sau đây có thể được nghiên cứu theo thứ tự nhất định ưu tiên. - Khả năng trao đổi Ion - Hóa chất và ổn định nhiệt - Thành phần - Chuẩn độ pH - Các nghiên cứu cấu - Chọn lọc - Ứng dụng phân tích Bên cạnh các ứng dụng, ion vô cơ trao đổi có một số hạn chế: - Khả năng trao đổi tương đối thấp - Độ bền cơ học tương đối thấp - Kích thước lỗ rỗng không thể kiểm soát được - Clay khoáng sản có xu hướng peptize (nghĩa là chuyển đổi mẫu keo) - Zeolit rất khó để kích thước cơ học - Phân hủy một phần trong axit hoặc kiềm - Hạn chế hóa chất ổn định trong nhiều các giải pháp - Cần một chất hóa học hoặc xử lý sơ bộ trước (đặc biệt là những có hàm lượng muối rất thấp) 1.4. Nhựa trao đổi ion Là các polyme có khả năng trao đổi ion đặc biệt bên trong polymer với các ion trong dung dịch được truyền qua chúng. Khả năng này cũng được nhìn thấy trong các hệ thống tự nhiên khác nhau nh ư đất và các tế bào sống nhau.Là một loại polymer có khả năng trao đổi những ion cụ thể của nó với các ion khác hiện diện trong dung dịch chảy qua cột phản ứng. Vật liệu trao đổi ion tổng hợp được sử dụng phổ biến là nhựa polystyrene với nhóm sulphonate có khả năng 19
trao đổi ion dương và nhóm amine trao đổi ion âm. Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu để tinh sạch nước, ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác bao gồm việc phân tách các yếu tố lẫn trong dung dịch. Hình 12: Hạt nhựa ion 1.4.1 Về cấu tạo: Hạt nhựa này có cấu trúc dị thể gồm hai pha: vùng đồng chứa mạng polymer và nước (hình cầu nhỏ) và vùng không gian chứa nước giữa các hạt cầu nhỏ. Các ion khuếch tán trong nhựa dạng xốp lớn trước hết trong khoảng không gian giữa các hạt cầu nhỏ và vì vậy trở lực tổng thể của chúng nhỏ hơn nhiều so với khuếch tán trong dạng gel. Mật độ nhóm chức trong một đơn vị thể tích của loại mô quan lớn thấp hơn so với dạng gel và vì vậy lượng hóa chất dùng tái sinh cũng lớn hơn. Một cấu trúc khác thông dụng của vật liệu trao đổi ion là màng trao đổi ion. Với các chất kết dính thích hợp người ta chế tạo ra các cấu hình khác nhau: dạng 20