1

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
Trần Quốc Việt
Hồng Văn Từ

91002262
91202266

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
3

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 được 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

2+
↔ R
2
Ca
2+
+ 2na
+
Trao đổi ion R ở dạng ion natri có thể trao đổi canxi và do đó, để loại bỏ
canxi từ nước cứng và thay thế nó bằng một số lượng 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 có thể
đảo ngược; trao đổi ion là không thay đổi vĩnh viễn. Hàng triệu lít nước có thể
4

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.

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. Những 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 đổi
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
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
6

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

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
8 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 lưỡng tính.
Những nhóm carboxyl, (-CO
2
H), 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 trao đổi ion hoặc
9

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

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
10

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 định
"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).
11 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, -SO
3
H, 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,


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).
13 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 được 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
3
H, 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).
14
- 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 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.
16

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 đổi và do
đó làm giảm khả năng xử lý. Trao đổi ion dựa trên silica tổng hợp được sản xuất

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 lưỡng tính phụ 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 Zn
2+
là một phần
thay thế bằng Al
3+
và Al(OH)
3
có chứa Si
4+
, Ti
+
hoặc Zr
2+
. Các công thức chung
Zn
n-a
AL(OH)
2
X

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 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
18

việc tách các ion kim loại và nó đã được sử dụng như một vật liệu hấp phụ để 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
2
S hoặc H
2
S. Các tính chất trao đổi ion
của sulfua không hòa tan (ví dụ Ag
2
S, SNS, cus, PBS, FeS, NiS, As
2
S
3
, Sb
2
S
3
) đã

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 của các lớp trao đổi ion. Để mô tả một
chất mới như là một trao đổi ion vô cơ, tiện 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
19

- 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

tính ưa nước. Nhựa trao đổi ion không tan nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó
cũng không tan hầu hết trong các dung môi. Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và trương
nở khi ngậm dung môi, nó có độ xốp khá lớn. Lỗ của nó có kích thước không đều