Nhựa trao đổi ion là gì, các loại nhựa trao đổi ion, nhua trao doi ion

Nhựa trao đổi ion là các hạt nhựa được tạo thành từ một loại polymer có độ xốp cao, không hòa tan axit, bazo và nước. Các hạt nhỏ tạo nên các loại nhựa này có nguồn gốc từ hydrocacbon và có đường kính khoảng ½ milimet.

Tính chất vật lý của nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion thường nhỏ và có hình cầu, có kích thước bán kính chỉ 0,25 -1,25mm. Tùy thuộc vào ứng dụng và thiết kế hệ thống, các hạt nhựa có thể có kích thước hạt đồng nhất hoặc phân bố kích thước Gaussian.

Hầu hết các ứng dụng sử dụng hạt nhựa dạng gel có bề ngoài mờ và cung cấp công suất cao và đem lại hiệu quả hóa học. Các loại nhựa Macropious, có thể nhận biết được do bề ngoài màu trắng đục hoặc vàng, thường được dành riêng cho các điều kiện đòi hỏi khắt khe vì chúng có độ ổn định và kháng hóa chất tương đối cao hơn.

Nhựa trao đổi ion được làm bằng gì

Ma trận nhựa trao đổi ion được hình thành bởi các chuỗi hydrocacbon liên kết ngang với nhau trong một quá trình gọi là trùng hợp. Liên kết ngang tạo cho polymer nhựa có cấu trúc mạnh hơn, đàn hồi hơn và công suất lớn hơn (theo thể tích). Trong khi thành phần hóa học của hầu hết các loại hạt nhựa trao đổi ion là polystyrene, một số loại hạt nhựa trao đổi ion được sản xuất từ acrylic (có thể là acrylonitrile hoặc metyl acryat). Polyme nhựa sau đó trải qua một hoặc nhiều phương pháp xử lý hóa học để liên kết các nhóm chức với các vị trí trao đổi ion nằm trong toàn bộ ma trận. Các nhóm chức năng này mang lại cho hạt nhựa trao đổi ion khả năng phân tách và sẽ thay đổi đáng kể từ loại nhựa này sàng loại nhựa tiếp theo.

Bài viết tham khảo:

1. Tìm hiểu về cấu trúc nhựa trao đổi ion
2. Nước cấp cho hệ thống trao đổi ion cần quan tâm đến những chỉ tiêu nào

Các thành phần phổ biến nhất bao gồm:

• Nhựa trao đổi cation axit mạnh (SAC): Nhựa SAC bao gồm một ma trận polystyrene với nhóm chức sulphonate (SO32-) được tích điện bằng các ion natri (Na+) trong các ứng dụng làm mềm nước hoặc các ion hydro (H+) để khử khoáng
• Nhựa trao đổi cation axit yếu (WAC): Nhựa WAC được cấu tạo từ một loại polymer acrylic đã được thủy phân bằng axit sunfuric hoặc xút để tạo ra các nhóm chức axit cacboxylic. Do có ái lực cao với các ion hydro, nhựa WAC thường được sử dụng để loại bỏ có chọn lọc các cation liên quan đến độ kiềm.
• Phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion cation
• Nhựa cation là gì
• Nhựa trao đổi anion bazo mạnh (SBA): Nhựa SBA thường bao gồm một ma trận polystyrene đã trải qua quá trình clo hóa và khử amin để cố định các anion vào các vị trí trao đổi. Nhựa SBA loại 1 được sản xuất bằng ứng dụng trimethylamine, tạo ra các ion clorua, trong khi nhựa SBA loại 2 được sản xuất bằng ứng dụng dimethylethanolamine tạo ra các ion hydroxide (OH-)
• Nhựa trao đổi anion bazo yếu (WBA): Nhựa WBA thường bao gồm một ma trận polystyrene đã trải qua quá trình clo hóa, sau đó là quá trình khử amin với dimethylamine. Nhựa WBA là duy nhất ở chỗ chúng không có các ion trao đổi và do đó được sử dụng làm chất hấp thụ axit để loại bỏ các anion liên quan đến axit khoáng mạnh.
• Nhựa chelating: Nhựa chelating là loại nhựa đặc biệt phổ biến nhất được sử dụng để loại bỏ có chọn lọc một số kim loại và các chất khác. Phần lớn ma trận nhựa được cấu tạo từ polystyrene mặc dù nhiều loại chất được sử dụng cho các nhóm chức bao gồm thiol, triethylammonim và aminophosphonic.

Các loại nhựa trao đổi ion

Có 2 loại nhựa trao đổi ion chính là nhựa trao đổi cation và nhựa trao đổi anion, trong 2 loại này được phân loại thành 4 loại chính như đã phân tích ở trên là:

• Nhựa trao đổi cation axit mạnh SAC

Là loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng làm mềm nước và khử khoáng nước. Trong ứng dụng làm mềm nước, nhựa dược sử dụng ở dạng natri (tái sinh bằng dung dịch muối tinh khiết) và trong các ứng dụng khử khoáng nhựa được sử dụng ở dạng hydro (tái xinh bằng axit).

Nhựa trao đổi cation axit mạnh cũng có thể được sử dụng trong các thiết kế chia dòng với các tỷ lệ phần trăm khác nhau của liên kết chéo. Nhựa SAC phổ biến là 8% liên kết chéo. Tuy nhiên chúng cũng có sẵn ở cả cấp độ cao hơn và thấp hơn liên kết chéo.

Thường nhựa liên kết 10% sẽ được sử dụng trong các ứng dụng nơi nước có hàm lượng clo cao hơn hoặc nước có nhiệt độ cao. Clo cũng như oxy ở nhiệt độ cao sẽ tấn công liên kết ngang của nhựa. Mức độ liên kết ban đầu cao hơn sẽ cho phép kéo dài tuổi thọ của nhựa trao đổi ion.

Nhựa SAC có ít hơn 8% liên kết ngang có thể được sử dụng trong đánh bóng ngưng tụ trong các ứng dụng gỡ bỏ sản phẩm ăn mòn từ nước ngưng

• Nhựa trao đổi cation axit yếu WAC

Nhựa trao đổi ion cation axit yếu WAC có thể được sử dụng trong hệ thống khử khoáng nước. Nếu nhựa SAC loại bỏ tất cả các cation thì nhựa WAC chỉ loại bỏ các cation kết hợp với độ kiềm. Nhựa WAC có thể loại bỏ các ion đơn trị như Natri liên quan đến độ kiềm hydroxit, trong hầu hết các ứng dụng xử lý nước chúng được sử dụng để loại bỏ các ion hóa trị II như canxi liên quan với độ kiềm cacbonat. Khi nước có tỷ lệ độ cứng/độ kiềm là 1:1 hoặc cao hơn, chúng hoạt động rất hiệu quả với khả năng hoạt động rất cao lên đến 50kg/ft3.

• Nhựa trao đổi anion bazo mạnh SBA

Nhựa trao đổi ion anion bazo mạnh được sử dụng trong các ứng dụng khử khoáng nước. Chúng cũng được sử dụng trong khử kiềm nước, khử trùng và ứng dụng bẫy hữu cơ. Có 2 loại nhựa SBA, nhựa SBA loại I được sử dụng trong đó mức độ rò rỉ silica thấp là tiêu chí vận hành quan trọng. Nhựa SBA loại II có trao đổi về mặt hóa học yếu hơn nhựa loại I. Do đó chúng phải được tái sinh ở mức thấp hơn nhiệt độ 950F. Tuy nhiên nhựa SBA loại II có lợi thế về khả năng trao đổi ban đầu cao hơn, nó cũng là loại nhựa được lựa chọn trong ứng dụng khử kiềm nước tái sinh muối.

• Nhựa trao đổi anion là gì

• Nhựa trao đổi anion bazo yếu WBA

Nhựa trao đổi anion bazo yếu WBA thực sự là chất hấp thụ axit. Chúng loại bỏ các anion của axit mạnh (sunfat, clorua, nitrat) mà cho phép các ion cacbonat, bicacbonat và silica đi qua. Vì vậy nó không thể được sử dụng để khử khoáng nước mà không có cột nhựa SBA theo sau trong các ứng dụng để loại bỏ cacbonat, bicacbonat và silica.

Ưu điểm của việc sử dụng nhựa WBA là hiệu quả của nó, nó được tái sinh hoàn toàn chỉ với khoảng 120% cân bằng hóa học

Sự khác biệt giữa nhựa trao đổi cation và nhựa trao đổi anion là một loại tích điện âm (cation) và một loại tích điện dương (anion). Khi quyết định lựa chọn loại nhựa nào cần xem xét đến một số yếu tố như:

• Kích thước của hạt nhựa
• Lượng nước nhựa có thể giữ
• Lượng ion nhựa có thể lọc ra trước khi cần tái sinh
• Tốc độ mà nhựa trao đổi ion cho phép nước chảy qua nó
• Chất lượng mong muốn của nước
• Loại và lượng chất gây ô nhiễm trong nước nguồn.

Nhựa trao đổi ion hoạt động như thế nào

Để hiểu đầy đủ về cách thức hoạt động của nhựa trao đổi ion, điều quan trọng trước tiên là phải hiểu các nguyên tắc của phản ứng trao đổi ion. Một cách đơn giản nhất, trao đổi ion là sự trao đổi thuận nghịch của các hạt tích điện hoặc các ion có tính chất tương tự. Điều này xảy ra khi các ion có mặt trên ma trận nhựa trao đổi ion không hòa tan trao đổi hiệu quả các vị trí với các ion có điện tích tương tự có trong dung dịch.

Nhựa trao đổi ion hoạt động theo cách này vì các nhóm chức của nó, về cơ bản là các ion cố định được liên kết vĩnh viễn trong ma trận polymer của nhựa. Cac ion tích điện này sẽ dễ dàng liên kết với các ion của điện tích trái dấu. Những phản ứng này sẽ tiếp tục liên kết với các nhóm chức năng cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Trong chu kỳ trao đổi ion, dung dịch được xử lý sẽ được thêm vào lớp nhựa trao đổi ion và cho phép chảy qua các hạt nhựa trao đổi ion. Khi dung dịch di chuyển qua nhựa trao đổi ion, các nhóm chức của nhựa thu hút bất kỳ phản ứng nào có trong dung dịch. Nếu các nhóm chức có ái lực lớn hơn với các đối trọng mới so với các nhóm đã có thì các ion trong dung dịch sẽ đánh bật các ion hiện có và thay thế chúng, liên kết với các nhóm chức năng thông qua lực hút tĩnh điện chung. Nhìn chung, kích thước và/hoặc hóa trị của ion càng lớn thì ái lực sẽ càng lớn với các ion của điện tích trái dấu.

Nhựa trao đổi ion có khả năng loại bỏ những chất ô nhiễm nào

Nhựa trao đổi ion cation tích điện loại bỏ các chất gây ô nhiễm nước tích điện dương. Nhựa trao đổi ion cation bao gồm nhựa trao đổi cation mạnh (SAC) và nhựa trao đổi cation yếu (WAC)

Nhựa cation có thể loại bỏ các chất sau:

Loại bỏ độ cứng của nước: Nhựa SAC có hiệu quả làm mềm nước, loại bỏ các ion canxi, magie trong nước bằng cách trao đổi chúng với ion natri. Theo thời gian mức độ cứng giảm dần và mức natri tăng lên. Theo thời gian các trị trí trao đổi riêng lẻ trên hạt nhựa cuối cùng sẽ trở nên đầy đủ và không có khả năng trao đổi độ cứng hơn nữa, do đó nhựa phải được tái sinh lại. Vì các hạt nhựa SAC có ái lực với các ion canxi, magie cao hơn các ion natri nên dung dịch muối natriclorua (được pha từ muối tinh khiết) đậm đặc với nồng độ từ 8 -12% được sử dụng để đẩy các ion cứng tích lũy ra khỏi các hạt nhựa.

Làm mềm và khử kiềm nước

Nhựa cation axit yếu WAC có thể loại bỏ độ cứng và độ kiềm đồng thời. Nó cũng cung cấp một số mức độ loại bỏ tổng chất rắn hòa tan TDS. Nhìn chung nhựa WAC loại bỏ khoảng 80% độ cứng tạm thời (độ cứng liên quan đến khoáng chất bicacbonat hòa tan) . TDS giảm được khoảng 17,1 ppm cho mỗi hạt có độ cứng được loại bỏ. Vì nhựa WAC trao đổi các ion cứng và kiềm cho các ion hydro, nước được xử lý sẽ có tính axit (hoặc PH thấp hơn). Mức độ giảm TDS và giảm PH phần lớn phụ thuộc vào độ cứng của nước

Loại bỏ bari và radium: Bari và radium là 2 cation hóa trị II có thể được loại bỏ bằng nhựa SAC tiêu chuẩn. Tuy nhiên khi tái sinh nhựa, hiệu quả bị giảm do sự khuếch tán chậm của khối lượng nguyên tử lớn hơn của chúng vào sâu trong ma trận nhựa. Các loại nhựa SAC đặc biệt có đăc tính tăng cường giảm bari và radium.

Nhựa anion bazo mạnh

Nhựa anion bazo mạnh loại bỏ các chất ô nhiễm ion tích điện âm trong nước, cụ thể như sau:

Loại bỏ Nitrat: Nhựa SBA có thể loại bỏ Nitrat. Nếu tỷ lệ sulfate so với Nitrat cao nhựa phải được tái sinh sớm để tránh anion sulfate hoạt động như một chất tái sinh và thải Nitrat. Trong trường hợp nồng độ sulfate tăng cao, nhựa SBA chọn lọc cũng có thể được sử dụng.

Loại bỏ perchlorate (ClO4-): những loại nhựa này có thể được sử dụng một lần hoặc có thể tái sinh.

Loại bỏ Asen: Trong nước, Asen có liên quan đến arsenate, As(V) và arsenite As(III). Chỉ các anion Arsenate (HAsO42-) tích điện âm mới có thể được loại bỏ bằng nhựa SBA. Asenit thường trung tính trong dung dịch nước. Do đó quá trình oxy hóa trước là cần thiết để chuyển đổi anion As (III) thành As (V). Sau khi quá trình oxy hóa này hoàn tất, phần dư phải được loại bỏ trước khi tiếp xúc với nhựa SBA.

Loại bỏ TOC: Tổng lượng cacbon hữu cơ TOC hoặc chất hữu cơ tự nhiên có thể bị oxy hóa bằng cách khử trùng clo thứ cấp và tạo ra DBP chẳng hạn như THM và HAAs. Những DBP này là chất có khả năng gây ung thư và được quy định trong nước uống. Các nhà máy xử lý nước đôi khi loại bỏ TOC để hạn chế sự hình thành DBPs. TOC thường tích điện âm và loại bỏ bằng nhựa SBA.

Loại bỏ urani: Nhựa SBA có thể được sử dụng để loại bỏ urani thường tồn tại dưới dạng phức hợp anion uranyl cacbonat, sulfat.

Khử khoáng, khử ion: Nhựa SAC và SBA được sử dụng kết hợp hoặc riêng lẻ trộn lẫn với nhau có thể được sử dụng để giảm khoáng chất và TDS trong nước. Khoáng chất trong nước được trao đổi với các cation hydro và các anion hydroxit từ các hạt nhựa để tạo thành nước tinh khiết cao.

Khử trùng: Nhựa SBA được sử dụng để liên kết ion hóa như là một chất khử trùng kháng khuẩn và có sẵn trên thị trường để sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

Tham khảo các bài viết về trao đổi ion:

• Ứng dụng của trao đổi ion trong các ngành công nghiệp
• Phương pháp xử lý nước cứng làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion
• Phương pháp tính toán thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước
• Các quá trình trao đổi ion cơ bản trong xử lý nước
• Tìm hiểu các thông số hạt nhựa trao đổi ion cho biết điều gì
• Tái sinh nhựa trao đổi ion là gì – Các phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion – Nồng độ hóa chất tái sinh nhựa trao đổi ion
• Nhựa trao đổi ion hỗn hợp mixbed là gì