MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1
KẾT LUẬN.................................................................................................................27
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................28
MỞ ĐẦU
Thẩm tách khuếch tán (DD) là một quá trình tách màng trao đổi ion (IEM) được
thúc đẩy bởi gradient nồng độ và còn được gọi là thẩm tách nồng độ hoặc thẩm tách tự
nhiên. Khái niệm thẩm tách lần đầu tiên được Graham đề xuất vào năm 1861, như một
cách tách các phân tử tương đối nhỏ khỏi các phân tử lớn bằng màng bán thấm. Vì
động lực cho quá trình tách chủ yếu là gradient nồng độ, nên thẩm tách được gọi là
1 | P a g e
quá trình tách tự phát. Cụ thể, nếu IEM (cũng là một loại màng bán thấm) được sử
dụng để thẩm tách, thì quá trình này được định nghĩa là thẩm tách khuếch tán (DD).
Là một quá trình tự phát, quá trình DD làm tăng entropy và giảm năng lượng tự
do Gibbs, do đó, về mặt nhiệt động lực học, nó có lợi. So với một số quy trình thông
thường, DD thể hiện sự vượt trội đáng kể: (1) Hiệu quả cao hơn trong việc làm sạch
nước thải; cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm, (2) Tiêu thụ năng lượng thấp
(DD chạy dưới áp suất bình thường và không thay đổi trạng thái trong quá trình, do đó
không cần điện để chạy DD), (3) Chi phí lắp đặt và vận hành thấp; ổn định, đáng tin
cậy và dễ vận hành, (4) Không gây ô nhiễm môi trường. Cho đến nay, DD đã được
ứng dụng thành công để thu hồi axit và kiềm từ chất thải từ sản xuất thép, tinh luyện
kim loại, mạ điện, tái sinh nhựa trao đổi cation, luyện kim loại màu, khắc nhôm và
luyện quặng vonfram.
Tuy nhiên, DD cũng có những hạn chế, chẳng hạn như khả năng xử lý và hiệu
quả tương đối thấp. Và nồng độ dung dịch thu hồi bị giới hạn bởi trạng thái cân bằng.
Do đó, DD được coi là ít quan trọng hơn một số quy trình tách màng khác, chẳng hạn
như điện phân và thẩm thấu ngược. Tuy nhiên, những lợi thế độc đáo của DD, đặc biệt
là tính thân thiện với môi trường và mức tiêu thụ năng lượng thấp, có thể khiến DD trở
nên cạnh tranh hơn khi ô nhiễm môi trường và tình trạng thiếu năng lượng trở nên
nghiêm trọng hơn. Hơn nữa, với sự cải tiến của IEM và máy thẩm phân khuếch tán,
khả năng xử lý và hiệu quả tách của DD có thể được cải thiện đáng kể và DD có thể
được phát triển thành một kỹ thuật tách thực tế trong tương lai gần.
Tiểu luận này sẽ cung cấp tổng quan về DD, bao gồm các nguyên tắc chung,
màng được sử dụng cho DD, các ứng dụng của DD trong việc thu hồi axit vô cơ/axit
hữu cơ/kiềm và sự tích hợp của DD với các quy trình màng khác.
I. MÔ TẢ CHUNG VỀ THẨM TÁCH KHUẾCH TÁN
1.1. Nguyên lý thẩm tách khuếch tán
Trong quá trình DD, quá trình vận chuyển ion chủ yếu được thúc đẩy bởi
gradient nồng độ. Quá trình tách HCl và NaOH khỏi dung dịch cấp của chúng được
minh họa trong Hình 1 và 2 để mô tả nguyên lý thẩm tách khuếch tán (DD).
2 | P a g e
Hình 1. Minh họa nguyên lý thẩm tách khuếch tán thông qua quá trình tách HCl ra
khỏi dung dịch đầu vào.
Hình 2. Minh họa nguyên lý thẩm tách khuếch tán qua quá trình tách NaOH ra khỏi
dung dịch Na2WO4.
Như thể hiện trong Hình 1, HCl và các muối kim loại của nó trong dung dịch
cấp có xu hướng vận chuyển về phía nước do sự chênh lệch nồng độ qua màng. Do sự
hiện diện của AEM, các ion Cl- (hoặc SO42-, NO3-, PO43-, v.v.) được phép đi qua, trong
khi các kim loại trong dung dịch thải ít có khả năng đi qua hơn nhiều. Các ion H+, mặc
dù mang điện tích dương, có khả năng cạnh tranh cao hơn trong quá trình khuếch tán
so với các ion kim loại vì kích thước nhỏ hơn, trạng thái hóa trị thấp hơn và tính di
động cao hơn. Do đó, chúng có thể khuếch tán cùng với Các ion Cl- (hoặc SO42-, NO3-,
PO43-, v.v.) để đáp ứng yêu cầu về tính trung hòa điện. Vận chuyển H+ là chìa khóa cho
quá trình DD. Các đặc tính thích hợp của AEM cũng cần thiết, bao gồm tính ổn định
trong dung dịch axit, độ thấm H+ cao, khả năng loại bỏ mạnh các ion kim loại khác,
khả năng hấp thụ nước (WR) tương đối cao và độ thấm nước kém.
3 | P a g e
Quá trình tách NaOH khỏi dung dịch cấp liệu (ví dụ Na2WO4) được minh họa
trong Hình 2. NaOH và Na2WO4 có xu hướng vận chuyển sang phía nước do sự chênh
lệch nồng độ qua màng. Do sự hiện diện của CEM, Na* trong nguồn cấp liệu được
phép đi qua, trong khi các ion WO42- ít có khả năng đi qua màng hơn nhiều. Tương tự
như H+ qua AEM, các ion hydroxyl (OH-) có tính cạnh tranh cao hơn trong quá trình
khuếch tán so với các ion WO42- và có thể khuếch tán cùng với các ion Na+ để đáp ứng
yêu cầu về tính trung hòa điện. Vận chuyển OH- cũng là chìa khóa của quá trình, và
CEM có độ ổn định cao trong dung dịch kiềm, độ thấm OH- cao, khả năng loại bỏ
mạnh đối với các anion khác, WR tương đối cao nhưng độ thấm nước kém cũng là
những yêu cầu bắt buộc.
1.2. Các mô hình cho quá trình thẩm tách khuếch tán
Cho đến nay, có hai mô hình được sử dụng để mô tả quá trình thẩm tách DD.
Mô hình đầu tiên là mô hình dung dịch-khuếch tán, được đưa ra cách đây 20 năm và
được chấp nhận chủ yếu để giải thích quá trình vận chuyển trong thẩm tách, thẩm thấu
ngược, thẩm thấu khí và thẩm thấu bay hơi. Mô hình này cũng có thể được áp dụng
trong quá trình tách DD của axit mạnh và kiềm. Theo mô hình này, các thành phần hòa
tan trong pha màng và sau đó khuếch tán qua màng theo một gradient nồng độ. Quá
trình tách đạt được do sự khác biệt về độ hòa tan và tốc độ khuếch tán của chúng. Mô
hình này cho quá trình DD axit hữu cơ có thể kém chính xác hơn vì mức độ phân ly
của axit hữu cơ thấp và cơ chế vận chuyển DD của chúng bên trong màng có thể rất
phức tạp.
Mô hình khác phổ biến hơn là mô hình màng ba pha, trong đó màng được chia
thành ba pha, tức là một polyme kỵ nước, một vùng hoạt động (bao gồm các vị trí cố
định trao đổi và các ion đối kháng) và một vùng xen kẽ. Nước, thành phần không thể
thiếu cho quá trình di chuyển của các ion, chủ yếu tồn tại ở các vùng hoạt động và xen
kẽ. Các ion có thể vận chuyển qua hai vùng này thông qua các cơ chế khác nhau: các
anion trong vùng hoạt động có thể di chuyển theo cơ chế nhảy, chuyển từ vị trí trao đổi
này sang vị trí trao đổi khác; trong khi các proton ngậm nước và các cation khác thích
cơ chế "kéo" (khuếch tán hạn chế) trong vùng xen kẽ, vì không có lực đẩy nghiêm
trọng nào trong vùng này. Từ sự kết hợp của mô hình màng ba pha với nguyên lý DD,
chúng ta có thể suy ra sơ bộ rằng quá trình DD để tách axit-muối được thực hiện như
sau: dưới ảnh hưởng của gradient nồng độ, các anion axit có ưu tiên đi qua vùng hoạt
động của màng thông qua cơ chế nhảy, dẫn đến yêu cầu về tính trung hòa về điện ở
phía nước. Để đáp ứng yêu cầu về tính trung hòa điện, các cation (hydro ngậm nước)
rò rỉ qua vùng kẽ của màng. Các quá trình vận chuyển trên khiến quá trình tách diễn ra
liên tục. Đối với hệ thống có CEM để thu hồi kiềm, nguyên lý tương tự như axit.
4 | P a g e
1.3. Thiết lập thử nghiệm
Quá trình DD có thể được thực hiện thông qua hai loại chạy: một là thẩm tách
theo mẻ và một là thẩm tách liên tục như thể hiện trong Hình 3(a) và (b):
Trong thẩm tách theo mẻ (Hình 3(a)), một ô hai ngăn có thể tích bằng nhau
được tách ra bằng một IEM. Hai ngăn được đổ đầy dung dịch cấp và nước tương ứng,
và khuấy với tốc độ giống hệt nhau để giảm thiểu sự phân cực nồng độ. Các đặc tính
vận chuyển được xác định từ sự phụ thuộc thời gian của nồng độ thành phần trong cả
hai ngăn. Thẩm tách theo mẻ chủ yếu được sử dụng cho nghiên cứu thử nghiệm trong
phòng thí nghiệm, chẳng hạn như xác định độ khuếch tán axit và hệ số tách, và có thể
được coi là cơ sở của thẩm tách liên tục.
Trong quá trình thẩm phân liên tục, hãy lấy quy trình thu hồi axit làm ví dụ
(Hình 3(b)), bộ thẩm phân khuếch tán được tách ra bằng một số IEM thành các ô thẩm
phân và các ô khuếch tán, qua đó nước cấp và nước tách lần lượt đi qua theo hướng
ngược dòng. Các đặc tính vận chuyển được tính toán từ nồng độ và lưu lượng chất
lỏng theo thể tích (hoặc khối lượng) của các luồng chất lỏng đi vào và ra khỏi bộ thẩm
phân ở trạng thái ổn định. Dữ liệu thu được trong quá trình thẩm phân liên tục có thể
có giá trị hơn để tham khảo thực tế, vì các điều kiện thử nghiệm giống với các điều
kiện trong đơn vị thẩm phân thực tế hơn.
5 | P a g e