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 CẤP
ĐỀ TÀI :
Thành phố Hồ Chí Minh,tháng7, năm 2010
1
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.

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
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,

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
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
+
,

4
)
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: Fe
2
O
3
,Al
2
O
3
, MnO
2
, Cr
2
O
3

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
- 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.
8
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
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

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 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.
10
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
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 (-
SO
3
H 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

2
), bậc hai (-NHR), bậc ba (-
NR
2
) là các nhóm bazo yếu, amin bậc bốn (-N
+
R
3
OH
-
) là loại bazo mạnh.
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 60
o
C chúng bắt đầu phân hủy và nhả ra methanol và amin
bậc 3.
12
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
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 100
o

+ 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
-

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 .
14
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
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:
- 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

i,
với :

i
a
=
∑
=
n
i
ii
ii
cz
cz
1
và
i
a
=
∑
=
n
i
ii
ii
cz
cz
1
a
i

) sẽ được biểu thị trong biểu đồ hình vuông có cạnh bằng 1.
- Tỷ số
i
i
a
a
được gọi là hệ số phân bố của ion i khi hệ số hút là
PI
K
.
Hệ số này biểu thị mức làm giàu và làm nghèo của chất trao đổi ion bằng
một chất;
- khi
PI
K
< 1: chất trao đổi ion bị làm nghèo;
- khi
PI
K
>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
BA
K
,
và bằng
ti số giữa hệ số phân bố của các ion đó:

BA

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:

i
B
=
( )
DK
r
H
0
β
= số BIO
Trong đó:

β
– hệ số cấp khối:

0
r
- bán kính của hạt;

H
K
- hằng số henri;

D

18
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
S- lưu lượng dòng nước thải qua cột trao đổi;
K
t
– 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:

t
N
=
∫
−
E
B
Y
Y
YY
dY
*
=
t
a

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.
19
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
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.
Hình 1
Chất trao
đổi dạng C
+
Chất trao
đổi dạng
D
+
Dòng
vào
A
+
B
-
C
+
D
-
20
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
Hình 2:

+
/l đến 50
mg NH
4

+
/l. Tốc độ dòng vào ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni của
nhựa cationit C100. Tuy nhiên, chiều cao tầng chuyển khối trong cột phụ
thuộc rất lớn vào tốc độ dòng chảy. Tốc độ dòng càng tăng thì chiều cao
tầng chuyển khối càng tăng. Độ cứng trong nước đầu vào ảnh hưởng rất lớn
đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit C100. Độ cứng tăng làm tăng
chiều cao tầng chuyển khối nhưng ít ảnh hưởng đến tổng dung lượng hoạt
động của nhựa. Nồng độ amoni đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử
lý amoni trong cột. Khi nồng độ amoni đầu vào tăng thì chiều cao tầng
chuyển khối tăng và dung lượng hoạt động tổng của nhựa đối với ion amoni
và ion canxi ít thay đổi (dao động trong khoảng 1,1 đl/l đến 1,14 đl/l). Độ
chọn lọc của nhựa cationit C100 đối với ion Ca
2+
cao hơn ion NH
4

+
, thể hiện
rất rõ trong tất cả đường làm việc của cột. Các thông số như nồng độ amoni
trong nước đầu vào và độ cứng trong nước đầu vào đều lựa chọn khoảng
khảo sát rất phù hợp với đặc thù nước ngầm ô nhiễm amoni trong nước
22
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
ngầm một số vùng của nước ta. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để thiết
kế cột trao đổi ion xử lý amoni trong nước ngầm phục vụ cấp nước.

tiếp xúc và bể lọc trong.`
II.2.1. Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng
• Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc
Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa trên bề mặt lọc, lỗ phun
có đường kính 5 đến 7 mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0,5
đến 0,6m. Lưu lượng phun vào khoảng 10m3 /m2.h.
• Làm thoáng trực tiếp trên bề mặt bể lọc
Nó chỉ nên áp dụng khi nước nguồn có hàm lượng sắt thấp và không
phải khử CO2.
• Tháp làm thoáng tự nhiên
Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu ôxy
kết hợpvới khử khí CO2. Do khả năng trao đổi của O2 lớn hơn CO2 nên
tháp được thiết kế cho trường hợp khử CO2. Giàn mưa cho khả năng thu
được lượng ôxy hoà tan bằng 55% lượng ôxy bão hoà và có khả năng khử
được 75-80% lượng CO2 còn lại sau khi làm thoáng không xuống thấp hơn
5-6mg/l.
• Tháp làm thoáng cưỡng bức
Cấu tạo của tháp làm thoáng cưỡng bức cũng gần giống như tháp làm
thoáng tự hiên, ở đây chỉ khác là không khí được đưa vào tháp cưỡng bức
bằng quạt gió. Không khí đi ng ược chiều với chiều rơi của các tia nước.
24
Tiểu luận kỹ thuật xử lý nước cấp GVHD:Cao Thị Thúy Nga
Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40 m3 /m2 .h. Lượng không khí cấp
vào từ 4 đến 6m3 cho 1m3 nước cần làm thoáng.
• Bể lắng tiếp xúc
Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước lại sau quá trình làm thoáng
trong một thời gian đã để quá trình ôxy hoá và thuỷ phân dắt diễn ra hoàn
toàn, đồng thời tách một phần cân nặng tr ước khi chuyển sang bể lọc. Trong
thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 đến 45 phút. Bể lắng tiếp
xúc có thể đ ược thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới giàn