TR NG Đ I H C TÔN Đ C TH NGƯỜ Ạ Ọ Ứ Ắ
KHOA MÔI TR NG & B O H LAO Đ NGƯỜ Ả Ộ Ộ
Quá Trình Công Ngh Môi Tr ngệ ườ
CHUYÊN ĐỀ
Quá Trình Trao Đ i Ionổ
GVHD: TS. Ph m Anh Đ cạ ứ
Nhóm sinh viên th c hi n:ự ệ
Nguy n Huỳnh Th o Uyên ễ ả
Tr n Qu c Vi t ầ ố ệ
H ng Văn Tồ ừ
91002262
91202266
91202259
Tp H Chí Minh, ngày ồ12 tháng 11 năm 2014
1
M C L CỤ Ụ
CH NG 1: GI I THI U V PH NG PHÁP TRAO Đ I IONƯƠ Ớ Ệ Ề ƯƠ Ổ ..............3
1.1 Đ nh nghĩaị................................................................................................3
1.2. C S Ph ng Pháp Trao đ i ionơ ở ươ ổ ........................................................4
1.3.V t li u trao đ i ionậ ệ ổ ................................................................................5
1.3.1 V t li u trao đ i ion t nhiênậ ệ ổ ự .........................................................8
1.3.1.1.S n ph m h u c t nhiênả ẩ ữ ơ ự .....................................................8
1.3.1.2 S n ph m vô c t nhiênả ẩ ơ ự ........................................................8
1.3.2 Bi n đ i t nhiên trao đ i ế ổ ự ổ ion........................................................9
1.3.3 V t li u trao đ i ion nhân t oậ ệ ổ ạ ........................................................9
1.3.3.1. Ion trao đ i h u c nhân t oổ ữ ơ ạ .................................................9
1.3.3.2 V t li u trao đ i ion vô c nhân t oậ ệ ổ ơ ạ ....................................14
1.4. Nh a trao đ i ion ự ổ ................................................................................18
1.4.1 V c u t oề ấ ạ ......................................................................................19
1.4.2 Tính ch t v t lýấ ậ ..............................................................................20
1.4.3 Tính ch t hoá h cấ ọ ..........................................................................22
1.4.4 Phân lo i ạ........................................................................................24
1.4.4.1 Trao đ i cationổ........................................................................25
1.4.4.2 Trao đ i anionổ.........................................................................27
1.4.5. Đi u ki n s d ng c a nh a trao đ i ionề ệ ử ụ ủ ự ổ .................................30
CH NG 2: C CH TRAO Đ I IONƯƠ Ơ Ế Ổ ........................................................30
2.1 .Th t trao đ i m t s cation thông th ngứ ự ổ ộ ố ườ ....................................32
2.2 C chơ ế....................................................................................................32
2.3 Cân b ng trao đ i ionằ ổ ............................................................................36
2.4 Thi t k c t trao đ i ionế ế ộ ổ ......................................................................37
CH NG 3: TÁI SINHƯƠ ...................................................................................41
CH NG 4: NG D NGƯƠ Ứ Ụ ...............................................................................41
4.1 Làm m m n c c ngề ướ ứ ............................................................................45
4.2 Kh khoángử............................................................................................49
4.3 ng d ng khácỨ ụ .......................................................................................53
CH NG 5: K T LU NƯƠ Ế Ậ ................................................................................56
TÀI LI U THAM KHÃOỆ.................................................................................57
2
CH NG 1: GI I THI U V PH NG PHÁP TRAO Đ I IONƯƠ Ớ Ệ Ề ƯƠ Ổ
1.1 Đ nh nghĩaị
Trao đ i ion là m t ph n ng hóa h c thu n ngh ch trong đó có ion (m tổ ộ ả ứ ọ ậ ị ộ
nguyên t hay phân t đã b m t ho c đ c m t electron và do đó có đ c m tử ử ị ấ ặ ượ ộ ượ ộ
đi n tích) t dung d ch đ c trao đ i cho m t ion tích đi n t ng t nh g nệ ừ ị ượ ổ ộ ệ ươ ự ư ắ
li n v i m t h t r n b t đ ng. Nh ng h t trao đ i ion v ng ch c ho c là tề ớ ộ ạ ắ ấ ộ ữ ạ ổ ữ ắ ặ ự
nhiên zeolit vô c ho c h u c đ c s n xu t ra nh a t ng h p. Các lo i nh aơ ặ ữ ơ ượ ả ấ ự ổ ợ ạ ự
t ng h p h u c là lo i ch y u đ c s d ng ngày hôm nay vì đ c tính c aổ ợ ữ ơ ạ ủ ế ượ ử ụ ặ ủ
chúng có th đ c thi t k cho các ng d ng c th trong đó không có s thayể ượ ế ế ứ ụ ụ ể ự
đ i vĩnh vi n trong c u trúc c a ch t r n.Vi c trao đ i ph i có m t c u trúcổ ễ ấ ủ ấ ắ ệ ổ ả ộ ấ
m ng m , ho c h u c ho c vô c , có th mang theo các ion và cho phép các ionạ ở ặ ữ ơ ặ ơ ể
đi qua nó.
Trao đ i ion đ c s d ng trong đi u tr và cũng cung c p m t phổ ượ ử ụ ề ị ấ ộ ngươ
pháp tách trong nhi u quá trềình. Nó có ích đ c bi t trong t ng h p hóa h c,ặ ệ ổ ợ ọ
nghiên c u y h c, ch bi n th c ph m, khai khoáng, nông nghi p và nhi u lĩnhứ ọ ế ế ự ẩ ệ ề
v c khác. ự
Trao đ i ion là m t ch t không tan trong n c có th trao đ i m t s ionổ ộ ấ ướ ể ổ ộ ố
c a nó đ i v i các ion tích đi n t ng t ch a trong m t môi tr ng mà nó ti pủ ố ớ ệ ươ ự ứ ộ ườ ế
xúc; đ nh nghĩa này là t t c các bao quát. Đ c p đ n m t "ch t" h n là m tị ấ ả ề ậ ế ộ ấ ơ ộ
h p ch t bao g m nhi u trao đ i, m t s trong s đó là s n ph m t nhiên màợ ấ ồ ề ổ ộ ố ố ả ẩ ự
không có m t thành ph n đ c xác đ nh rõ. Thu t ng "trung bình" th a nh nộ ầ ượ ị ậ ữ ừ ậ
r ng trao đ i ion có th x y ra c hai dung d ch dung d ch n c và nonaqueous,ằ ổ ể ả ở ả ị ị ướ
trong mu i nóng ch y, ho c th m chí ti p xúc v i h i. Đ nh nghĩa này không gi iố ả ặ ậ ế ớ ơ ị ớ
h n các ch t r n, vì m t s dung môi h u c là không th tr n l n v i n c cóạ ấ ắ ộ ố ữ ơ ể ộ ộ ớ ướ
th tách các ion t dung d ch n c b ng m t c ch trao đ i ion .ể ừ ị ướ ằ ộ ơ ế ổ
Đ nh nghĩa cũng ch ra m t cái gì đó v quá trình trao đ i ion. V c b n nó baoị ỉ ộ ề ổ ề ơ ả
g m s ti p xúc gi a các trao đ i và môi tr ng, trong đó vi c trao đ i di n ra.ồ ự ế ữ ổ ườ ệ ổ ễ
Đây th ng là m t trao đ i ion r n và m t dung d ch n c. Th c t là các ionườ ộ ổ ắ ộ ị ướ ự ế
đ c trao đ i có nghĩa là trao đ i ph i đ c ion hóa, nh ng ch m t trong s cácượ ổ ổ ả ượ ư ỉ ộ ố
ion trong trao đ i là hòa tan. Đó ion có th trao đ i, trong khi ng i kia, là khôngổ ể ổ ườ
hòa tan, có th không làm nh v y.ể ư ậ
Các ti n ích c a trao đ i ion thu c v kh năng s d ng và tái s d ngệ ủ ổ ộ ề ả ử ụ ử ụ
các v t li u trao đ i ion. Ví d , trong làm m m nậ ệ ổ ụ ề c: ướ
2RNa+ + Ca2+ ↔ R2Ca2+ + 2na+
Trao đ i ion R d ng ion natri có th trao đ i canxi và do đó, đ lo i bổ ở ạ ể ổ ể ạ ỏ
canxi t n c c ng và thay th nó b ng m t s lừ ướ ứ ế ằ ộ ố ng t ng đ ng v i natri.ượ ươ ươ ớ
Sau đó, nh a canxi có th đ c đi u ch nh b ng dung d ch natri clorua, ph c h iự ể ượ ề ỉ ằ ị ụ ồ
nó tr l i m u natri, do đó, nó đã s n sàng cho m t chu kỳ. Các ph n ng tái sinhở ạ ẫ ẵ ộ ả ứ
3
có th đ o ng c; trao đ i ion là không thay đ i vĩnh vi n. Hàng tri u lít n cể ả ượ ổ ổ ễ ệ ướ
có th đ c làm m m trong m t mét kh i nh a trong su t m t th i gian ho tể ượ ề ộ ố ự ố ộ ờ ạ
đ ng trong nhi u năm. ộ ề
Trong x lý n c c p, ph ng pháp trao đ i ion th ng đ c s d ng đử ướ ấ ươ ổ ườ ượ ử ụ ể
kh các mu i, kh c ng, kh khoáng, kh nitrat, kh màu, kh kim lo i và cácử ố ử ứ ử ử ử ử ạ
ion kim lo i n ng và các ion kim lo i khác có trong n c.ạ ặ ạ ướ
Trong x lý n c th i, ph ng pháp trao đ i ion đ c s d ng đ lo i raử ướ ả ươ ổ ượ ử ụ ể ạ
kh i n c các kim lo i (k m, đ ng, crom, nikel, chì, thu ngân, cadimi, vanadi,ỏ ướ ạ ẽ ồ ỷ
mangan,…), các h p ch t c a asen, photpho, xianua và các ch t phóng x .ợ ấ ủ ấ ạ
Ph ng pháp này cho phép thu h i các ch t có giá tr v i đ làm s ch n c caoươ ồ ấ ị ớ ộ ạ ướ .
Trao đ i ion x y ra trong m t lo t các ch t và nó đã đ c s d ng trên cổ ả ộ ạ ấ ượ ử ụ ơ
s công nghi p t kho ng năm 1910 v i vi c gi i thi u s d ng làm m m n cở ệ ừ ả ớ ệ ớ ệ ử ụ ề ướ
t nhiên và sau đó ựt ng h p zeolit. Than g ho t tính, đ c phát tri n đ x lýổ ợ ỗ ạ ượ ể ể ử
n c công nghi p, là nguyên li u trao đ i ion đ u tiên đã n đ nh m c pHướ ệ ệ ổ ầ ổ ị ở ứ
th p. S ra đ i c a nh a trao đ i ion h u c t ng h p vào năm 1935 là k t quấ ự ờ ủ ự ổ ữ ơ ổ ợ ế ả
c a s t ng h p các s n ph m ng ng t phenolic có ch a m t trong hai nhómủ ự ổ ợ ả ẩ ư ụ ứ ộ
sulfonic ho c amin có th đ c s d ng cho vi c trao đ i đ o ng c c a cácặ ể ượ ử ụ ệ ổ ả ượ ủ
cation ho c anion.ặ
•u đi mƯ ể :
- R t tri t ấ ệ để và x lí có ch n l a ử ọ ự đ iố t ngượ
- Nh a ion có ựth i gian sờ ử d ng lâu dài, tái sinh đ c nhi u l n v i chi phí th p,ụ ượ ề ầ ớ ấ
năng l ng tiêu t n nhượ ố ỏ.
- Ph ng pháp x lý n c thân thi n v i môi tr ng vì nó ch h p thu các ch tươ ử ướ ệ ớ ườ ỉ ấ ấ
s n có trong n c.ẵ ướ
•H n chạ ế :
- N u trong n c t n t i các h p ch t h u c hay ion Feế ướ ồ ạ ợ ấ ữ ơ 3+, chúng s bám dínhẽ
vào các h t nh a ion, làm gi m kh năng trao đ i ion c a nh a. ạ ự ả ả ổ ủ ự
- Chi phí đ uầ tư và v n hành khá cao nên ít ậđ cượ s d ng cho các công trình l nử ụ ớ
và th ngườ s d ng cho các trử ụ ngườ h p ợđòi h i x lý caoỏ ử
•So sánh v i h p thớ ấ ụ:
Trao đ i ion gi ng nh h p th b i vì c hai đ u là hi n t ng b m t, vàổ ố ư ấ ụ ở ả ề ệ ượ ề ặ
trong c hai tr ng h p r n chi m m t ch t hòa tan trong dung d ch. S khácả ườ ợ ắ ế ộ ấ ị ự
bi t đ c tr ng gi a hai hi n t ng này là hi n t ng cân b ng hóa h c c a traoệ ặ ư ữ ệ ượ ệ ượ ằ ọ ủ
đ i ion. M i ion lo i b kh i các ion trong dung d ch đ c thay th b i m t sổ ỗ ạ ỏ ỏ ị ượ ế ở ộ ố
l ng t ng đ ng có trên h t nh a. Trong h p th m t khác m t ch t tanượ ươ ươ ạ ự ấ ụ ặ ộ ấ
th ng đ c đ a lên b m t mà không có hi n t ng đ c thay th ..ườ ượ ư ề ặ ệ ượ ượ ế
1.2. C S Ph ng Pháp Trao đ i ionơ ở ươ ổ
Là quá trình trao đ i ion d a trên s t ng tác hoá h c gi a ion trong phaổ ự ự ươ ọ ữ
l ng và ion trong pha r n .Trao đ i ion là m t quá trình g m các ph n ng hoáỏ ắ ổ ộ ồ ả ứ
4
h c đ i ch (ph n ng th ) gi a các ion trong pha l ng và các ion trong pha r nọ ổ ỗ ả ứ ế ữ ỏ ắ
(là nh a trao đ i). S u tiên h p thu c a nh a trao đ i dành cho các ion trongự ổ ự ư ấ ủ ự ổ
pha l ng nh đó các ion trong pha l ng d dàng th ch các ion có trên khungỏ ờ ỏ ễ ế ổ
mang c a nh a trao đ i. Quá trình này ph thu c vào t ng lo i nh a trao đ i vàủ ự ổ ụ ộ ừ ạ ự ổ
các lo i ion khác nhau .ạ
•Có hai ph ng pháp s d ng trao đ i ion làươ ử ụ ổ :
- Trao đ i ion v i l p nh a chuy n đ ng , v n hành và tái sinh liên t c ; ổ ớ ớ ự ể ộ ậ ụ
- Trao đ i ion v i l p nh a trao đ i đ ng yên ,v n hành và tái sinh giánổ ớ ớ ự ổ ứ ậ
đo n. ạ
Trong đó trao đ i ion v i l p nh a tĩnh là ph bi n.ổ ớ ớ ự ổ ế
1.3.V t li u trao đ i ion:ậ ệ ổ
V t li u trao đ i ion là nh ng ch t không hòa tan có ch a các ion mà cóậ ệ ổ ữ ấ ứ
th đ c trao đ i v i các ion khác trong dung d ch khi ti p xúc v i nó. Nh ngể ượ ổ ớ ị ế ớ ữ
trao đ i này di n ra mà không có b t kỳ thay đ i v t lý c a v t li u trao đ i ion.ổ ễ ấ ổ ậ ủ ậ ệ ổ
Trao đ i ioổn gi aữ dung d ch acid ho c base ị ặ t oạ mu i không hòa tan, và đi u nàyố ề
cho phép chúng trao đ i. Ngoài ra còn có các ion mang đi n tích d ng (trao đ iổ ệ ươ ổ
cation) ho c nh ng iặ ữ on mang đi n tích âm (trao đ i anion) trao đ i v i các ionệ ổ ổ ớ
cùng d u trong môi tr ng l ng.ấ ườ ỏ
Hình 1: a và b là ví d đ c tr ng cho trao đ i ion. Các ph n ng trênụ ặ ư ổ ả ứ
đ c xem xétượ
5