Ô NHIỄM AMONI VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ - Pdf 97

Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
LỜI MỞ ĐẦU
Khoảng 71% với 361 triệu km
2
bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước. Nước là
dạng vật chất rất cần cho tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất. Nước có nhiệt hoá hơi,
đóng băng và ngưng kết tương đối gần nhau, vì vậy nước tồn tại trên Trái Đất ở cả ba
dạng: rắn, lỏng và hơi.
Người ta đã phát hiện thấy khoảng 80% loại bệnh tật của con người có liên quan
đến chất lượng của nguồn nước dùng cho sinh hoạt. Vì vậy chất lượng nước có vai trò
hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng.
Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử lý
hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần
và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng
vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ. Ngày nay, với sự phát
triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn
nước tự nhiên ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm.
Hoạt động nông nghiệp sử dụng gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng.
Các loại nước công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm cho
nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni.
Amoni không gây độc trực tiếp cho con người nhưng sản phẩm chuyển hoá từ
amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Các hợp chất nitrit và nitrat hình thành do quá
trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trử và chuyển tải nước đến người
tiêu dùng. Vì vậy việc xử lý amoni trong nước là đối tượng rất đáng quan tâm.
Với mục đích áp dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý amoni trong nước ngầm
trên vật liệu trao đổi ion là nhựa cationit, đồ án này em tập trung nghiên cứu các yếu tố
ảnh hưởng đến quá trình trao đổi amoni trên nhựa cationit như: nồng độ amoni trong
nước, tốc dộ dòng chảy, độ cứng trong nước. Để phục vụ mục tiêu thiết kế cột trao đổi
ion nhằm loại amoni ra khỏi nước ngầm.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
1

-
) tồn tại trong điều kiện
đặc biệt, còn amoniac (NH
3
) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni hòa tan
trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH
4
OH) và sẽ phân ly thành ion amoni
(NH
4
+
) và ion hydroxit (OH
-
). Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng Nitơ vô cơ
thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng nitơ.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
2
Các prôtêin
(động vật và thực vật)
Quá trình cố định nitơ
Quá trình denitrat hoá
NO
3
-
(Nitorat tan trong nước)
NO
2
-
(Nitorit tan trong nước)
NH

tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô cơ trong nước đi vào hệ sinh vật rồi
cuối cùng chuyển hoá về dạng Nitơ vô cơ.
Các ion NO
3
-
trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽ kích
thích sự phát triển của động vật thuỷ sinh. Sau khi chết xát của chúng sẽ gây ô nhiễm
nguồn nước. Nitơ và Photpho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nước ngọt.
Nếu nồng độ NO
3
-
tăng lên nhưng Photpho không tăng, hoặc nồng độ Photpho tăng lên
nhưng nồng độ Nitơ không tăng thì sẽ không làm cho thực vật phát triển.
Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nghiên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni trong
nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phân bón sử
dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao.
1.1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Có nhiều nghiên nhân dẫn đến trình trạng nhiễm bẩn amoni và các chất hữu cơ
trong nước ngầm nhưng một trong những nghiên nhân chính là do việc sử dụng quá mức
lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất, thực vật đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các chất trên càng
làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm. Ngoài ra mức độ ô nhiễm còn
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
3
Hình 1.2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực. Riêng đối với khu vực Hà Nội, nhất
là khu vực phía nam, bị nhiễm amoni có thể giải thích theo khía cạnh địa chất như sau
[4]:
i. Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng

Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
4
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Khi chiều dày đới thông khí (hay chiều dày đường thấm) càng nhỏ khả năng xâm
nhập các chất bẩn vào tầng chứa nước càng nhiều. Nhưng riêng đối với hợp chất nitrat
và nitrit thì chiều dày đới thông khí lớn, quá trình nitrat hoá diễn ra thuận lợi, còn chiều
dày đới thông khí nhỏ quá trình nitrat hoá yếu hơn.
Đối với thực tế trong điều kiện đới thông khí càng dày khi đó hàm lượng oxy xâm
nhập từ khí quyển và các nguồn khác trên mặt đất vào đới thông khí sẽ lớn, thúc đẩy các
điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí. Khi đó quá trình nitrat hoá
xảy ra và làm tăng hàm lượng NO
2
-
và NO
3
-
.
iv. Do độ dốc thuỷ lực lớn
Những nơi có cường độ dòng chảy mạnh làm tăng khả năng xâm nhập của các chất
ô nhiễm vào nước ngầm. Điều này có thể lý giải một phần tại sao khu vực phía nam Hà
Nội lại ô nhiễn amoni cao như vậy. Những khu vực nằm dưới độ dốc cao thường có hàm
lượng ô nhiễm nặng hơn những vùng có độ dốc thấp. Điều này phù hợp với qui luật vận
động tự nhiên của vật chất.
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì trình trạng ô nhiễm
amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước. Chẳng hạn như
tại thành phố Hồ Chí Minh: ”Theo chi cục bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh
(TP Hồ Chí Minh), kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấy lượng nước
ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm
Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm

+
tối đa cho phép là 1,5 mg/l)
Bảng 1.1 Chất lượng nước tại một số huyện thuộc tỉnh Hà Nam [9]
STT Tên các huyện
Số lượng
mẫu lấy
[N-NH
4
+
] theo giá
trị điển hình (mg/
l)
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế
(mg NH
4
+
/l)
1 Bình Lục 20 58.8
2 Thanh Liêm 20 >50
3 Kim Bảng 5 >50
4 Lý Nhân 5 111,8
5 Duy Tiên 6 93,8
6
Thị Trấn Vĩnh
Trụ
- 77,63
≤1,5
Riêng đối với khu vực Hà Nội là nơi duy nhất của cả nước sử dụng 100% nước
ngầm làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt. Mặc dù qui định hàm lượng các chất Nitơ
trong nước là rất nghiêm ngoặt song nước ngầm Hà Nội đang bị ô nhiễm nghiêm trọng,

-Ngô Sĩ Liên
Cao
Thấp
Trung bình
8,0
6,2
6,7
13,3
0
1,5
10,6
0
0,7
16,7
0,4
3,1
88
20
48
13
1
9
2,3
0
1,0
0,1
0
0,7
-Lương Yên
Cao

8
6,3
6,8
30
2,6
10,4
5
0
0,3
27,4
4,4
10,3
105
6
27
11
3
7
1,5
0
0,3
12,8
0,2
2,9
-Hạ Đình
Cao
Thấp
Trung bình
7,6
6,5

6,6
19,7
3
0
0,2
12
3,8
8,1
31
9
22
11
5
8
0,9
0
0,1
14,2
2,9
6,3
-Mai Dịch
Cao
Thấp
Trung bình
8
6
6,6
1,3
0
0,2

0,9
4,7
0,1
1,6
57
14
37
14
4
9
2,4
0
1,1
2,6
0
0,5
-Yên Phụ
Cao
Thấp
Trung bình
8,2
6,2
7,2
20
0
2,8
5
0
0,2
11,6

+
tại đầu ra của một số nhà máy nước ở Hà Nội[4]
STT Tên nhà máy nước
[NH
4
+
](mg/l) theo
giá trị trung bình
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế
1329/2002 (mg/l)
1 Mai Dịch 0,85
2 Yên Phụ 1,45
3 Ngọc Hà 1,80
4 Ngô Sỹ Liên 0,60
5 Lương Yên 1,54
6 Tương Mai 8,09
7 Hạ Đình 15-20
8 Pháp Vân 23,20
1,5
1.2 AMONI VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG
Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người, nhưng
trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý…Amôni được chuyển hoá thành nitrit (NO
2
-
)
và nitrat (NO
3
-
) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể chuyển hoá
thành Nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người. Chính vì vậy qui định nồng

-
trên 45 mg/l nếu
người dân dùng thường xuyên nguồn nước này sẽ mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực
quản và bệnh tiểu đường [9].
Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrit và nitrat cao cũng rất đáng lo ngại. Mối
quan hệ giữa nước giếng nhiễm nitrat và hội chứng BBS (Bady Blue Syndrome) lần đầu
tiên được Hunter Comly, bác sỹ ở Iowa tìm thấy hồi thập niên 40 khi ông điều trị cho hai
đứa trẻ mắc chứng da xanh [4].
Bên cạnh đó hàm lượng NH
4
+
trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như sau:
● Nó có thể kết hợp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả khử
trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc.
● Nó là nguồn Nitơ thứ cấp sinh ra nitrit trong nước, một chất có tiềm năng gây
ung thư.
● NH
4
+
là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong
đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan.
Mặc dù bằng chứng về nhiễm độc của các hợp chất Nitơ trong nước chưa đầy đủ
nhưng có thể khẳng định rằng nó rất độc với trẻ em vì nguy cơ gây bệnh mất sắc tố máu,
xanh da, hôn mê,…và có thể gây ung thư đối với người lớn. Để đề phòng sự nhiễm độc
do các hợp chất Nitơ gây ra thì một số quốc gia và tổ chức trên thế giới đưa ra tiêu chuẩn
về các hợp chất Nitơ sau đây.
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn một số quốc gia về các hợp chất Nitơ trong nước cấp[6]
Chỉ tiêu Hoa Kỳ
Châu Âu
80/778/EEC

sơ sinh (nhất là trẻ dưới sáu tháng tuổi)
Được xem là nguồn gốc gây bệnh ung thư
NH
4
+
trong
nước cấp
- NH
4
+
kết hợp với Clo tạo ra các hợp chất cơ Clo
trong quá trình khử trùng, một chất có tiềm năng gây
ung thư.
- NH
4
+
có thể kết hợp với Clo tạo Cloramin là chất
làm giảm hiệu suất khử trùng.
- NH
4
+
là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển,
vi sinh vật tái phát triển trong đường ống gây ăn
mòn, rò rỉ và mất mỹ quan…
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI
Amoniac (NH
3
) là chất khí và ở dạng bazơ yếu, độ tan trong nước rất cao: tại
20

hóa kết hợp với khử nitrat; Công nghệ Annamox, Sharon/Annamox (nitrit hóa một phần
amoni, sau đó amoni còn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành là chất nhận điện tử,
được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí; Phương pháp điện hóa, điện
thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; v.v...
1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến
Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxi hoá amoni/amoniac ở nhiệt độ
phòng thành N
2
. Khi hoà tan Clo trong nước tuỳ theo PH của nước mà Clo có thể nằm
dạng HClO hay ion ClO
-
do có phản ứng theo phương trình:
Cl
2
+ H
2
O HCl + HClO (PH<7) (1.1)
HClO H
+
+ ClO
-
(PH>8) (1.2)
Khi trong nước có NH
4
+
sẽ xảy ra các phản ứng sau:
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
10
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
HClO + NH

Lúc này lượng Clo dư trong nước sẻ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản
ứng phân huỷ Cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến.
Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12]
Theo lý thuyết để xử lý NH
4
+
phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song trên thực tế phải
dùng 8:1 hoặc hơn để oxi hoá NH
3
. Do xảy ra các phản ứng đã nêu, quá trình Clo hoá
thực tế xảy ra theo một đường cong có dạng đặc biệt, có “điểm đột biến” như ở hình1.3.
Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của Clo với các hợp chất hữu cơ
bằng một nửa so với phản ứng với amoni[12]. Khi amoni phản ứng gần hết, Clo dư sẽ
phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều chất cơ Clo có mùi
đặc trưng khó chịu. Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-trihalometan và
HAA-axit axêtic halogen đều là các chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế nồng độ
nghiêm ngoặc.
Ngoài ra với lượng Clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải quyết
đối với các nhà máy lớn. Đây là những lý do khiến phương pháp Clo hoá mặc dù đơn
giản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế và xây dựng cơ bản nhưng rất khó áp dụng.
1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping)
Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH
4
+
NH
3 (khí hoà tan)
+ H
+

C
D
Lượng Clo cho
vào dư
Lượng Clo dư
mg/l
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
tạo thành NH
3
. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH
3
sẽ bay hơi
theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:
NH
4
+
+ OH
-
NH
3
+ H
2
O (1.8)
Trong thực tế PH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH
3
ở mức 1600
m
3
không khí/ m
3

+ O
3
+ H
+
= HBrO + O
2
(1.9)
Phản ứng oxy hoá NH
4
+
được thực hiện bởi ion BrO
-
giống như của ion ClO
-
:
NH
3
+ HBrO = NH
2
Br + H
2
O (1.10)
NH
2
Br + HBrO = NHBr
2
+ H
2
O (1.11)
NH

+ 1,5O
2
→ NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1.13)
NO
2
-
+ 0,5O
2
→ NO
3
-
(1.14)
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
12
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Phương trình tổng:
NH
4
+
+ 2O
2
→ NO
3

tạo ra phản ứng
với độ kiềm HCO
3
-
, như vậy 1gN-NH
4
+
tiêu thụ 7,14g độ kiềm (qui về CaCO
3
). Các
phương trình (1.19 và 1.20) không tính đến quá trình sinh tổng hợp sinh khối (vi khuẩn)
[2].Ta có:
1,02NH
4
+
+ 1,82O
2
+ 2,02HCO
3
-
→
0,021C
5
H
7
O
2
N + NO
3
-

NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử) chúng có thể là chất hữu cơ
(phổ biến là axit axetic), H
2
và S. Khi có mặt đồng thời NO
3
-
và các chất cho điện tử,
chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO
3
-
nhận điện tử và khử về N
2
.
Vi khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm:Bacilus, Pseudômnas,
Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, …Chỉ có Thiobaciluc denifrifcans là
sử dụng nguồn điện tử S nghiên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO
2
và
HCO
3

chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX. Trong đó R là gốc hữu cơ phức
tạp, có thể là: COOH
-
, Cl
-
,…Phản ứng trao đổi cation giữa chất trao đổi và cation có
trong dung dịch.
R-H(Na) + NH
4
+
R-NH
4
+ H
+
(Na
+
) (1.26)
2R-H + Ca
2+
R
2
Ca + 2H
+
(1.27)
Chất trao đổi ion có thể có sẳn trong tự nhiên như các loại khoáng sét, trong đó
quan trọng nhất là zeolit, các loại sợi,…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp
(aluminosilicat, aluminophotphat,…) hoặc hữu cơ (nhựa trao đổi ion). Trong thực tế
nhựa trao đổi ion được sản xuất và ứng dụng rộng rải nhất. Trong nước ngầm ngoài ion
amoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với các cation khác) còn tồn tại các cation hoá trị I và
hoá trị II như Ca

+
>NH
4
+
>Ba
2+
>Na
+
>Ca
2+
>Fe
2+
>Al
3+
Mg
2+
>Li
+
.
Từ dãy chọn lọc này cho thấy hầu hết các cation có mặt trong nước tự nhiên như:
Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+
đều có tính chọn lọc kém hơn so với amoni và tính chọn lọc của amoni
gần ngang với Kali.
Chabazit là một loại Zeolit có độ chọn lọc khá cao đối với ion amoni. Dung lượng
trao đổi của Clinoptilolit được nhiều tác giả xác định, nằm trong khoảng từ 1-2,7 đl/kg,

3
/ngày.đêm , (2002) – công ty tư vấn thoát nước và môi trường Việt Nam.
(VIWASE Vietnam Water Supply and Environment).
-Các đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ của viện khoa học và công nghệ Việt Nam bằng
phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị.
-Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu Zeolit,
chủ trì Nguyễn Hưu Phú- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
-Xử lý nitrat, báo cáo của Lâm Minh Triết và cộng tác viên, Đại học quốc gia
thành phố Hồ Chí Minh.
-Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR), chủ trì đề
tài Nguyễn Thị Hà, đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã số QT.05.36,2005.
-Xây dựng công nghệ khả thi xử lý amoni và asen trong nước sinh hoạt, Viện Công
nghệ Môi trường….
Phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý tốt amoni trong nước ngầm
cũng như trong nước thải. Đối với qui mô vừa và nhỏ thì phương pháp trao đổi ion được
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
15
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
các nhà khoa học đề xuất là thích hợp nhất. Các đề tài đều khẳng định phương pháp sinh
học là định hướng chính cho qui mô lớn.
Vấn đề xử lý amoni trong nước cấp, đặc biệt ở mức cao cỡ 15-25 mg/l là một
trong những vấn đề còn khá mới mẻ ở nước ta và trên thế giới. Trước năm 2002 các tiêu
chuẩn Việt Nam đều giới hạn nồng độ amoni ở mức ≤ 3mg/l thì từ năm 2002 với quyết
định 1329/2002 QĐ-BYT của Bộ Y Tế, giới hạn nồng độ amoni của Việt Nam đã ở mức
qui định của tổ chức thế giới WTO là 1,5mg/l trong khi ở Châu âu là 0,5mg/l. Điều này
thúc đẩy nhiều nghiên cứu ở Việt Nam trong lĩnh vực xử lý amoni trong nước cấp.
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN
Như đã trình bày ở những phần trên, thì hiện nay trình trạng ô nhiễm amoni trong
nước ngầm ngày càng phổ biến. Hàm lượng amoni trong nước ngầm ngày càng cao và
vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần. Nó đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ

TRAO ĐỔI ION
Khái niệm quá trình trao đổi ion
Trao đổi ion là một phương pháp mà trong một số điều kiện, một chất không tan
(nhựa) hút một ion dương hay âm của một dung dịch và nhả ra một ion khác cùng dấu.
Hiện tượng này dựa trên phản ứng hoá học tổng quát sau[15]:
n(R
-
A
+
) + B
n+
R
n
-
B
n+
+ nA
+
(2.1)
Ở đây:
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
17
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
R
-
gốc hút anion của nhựa trao đổi ion;
A
+
các ion trao đổi của nhựa;
B

Sự trao đổi ion tuân theo qui luật tỉ lượng, tức là qui luật trao đổi 1-1 theo hoá trị.
Trường hợp trao đổi không theo quy luật trên mà do các quá trình hấp phụ tạo phức góp
phần thì gọi là chất trao đổi tạo phức.
Ion có khả năng trao đổi nằm trong mạng chất rắn thường là Na
+
hoặc H
+
đối với
cationit và OH
-
hoặc Cl
-
đối với anionit.
Một chất trao đổi ion sau khi sử dụng trở nên bảo hoà, có thể sử dụng lại bằng cánh
tái sinh, tức là đưa nó về dạng Na
+
hoặc OH
-
ban đầu bằng cánh cho tiếp xúc lại với
dung dịch NaCl Hoặc NaOH. Quá trình đó được gọi là tái sinh.
Khả năng trao đổi của chất trao đổi ion tính theo khối lượng hoặc thể tích của nó
gọi là dung lượng trao đổi, thường tính theo đơn vị đương lượng trên 1g hoặc 1cm
3
chất
trao đổi ion.
Trong một hỗn hợp nhiều ion kim loại, đối với một chất trao đổi nào đó, ion này
trao đổi tốt hơn ion khác được thể hiện qua độ chọn lọc.
2.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION[13]
Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc
vô cơ hay hữu cơ. Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi được

+ Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản ứng trùng ngưng, polime hoá)
b) Loại anionit
L Vô cơ
+ Tự nhiên (dolomit, apatit, hydroxy apatit)
+ Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)
+ Hữu cơ
+ Tổng hợp (nhựa trao đổi ion
2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion
Các khoáng vật có tính năng trao đổi ion phần lớn thuộc họ alumosilicat có cấu trúc
tinh thể hoặc lớp như: zeolit, vermiculit, bentonit, beidellit, glauconit. Những chất này có
khả năng trao đổi do mạng SiO
4
(nghiên thuỷ) được thay thế bởi (AlO
4
-
), do điện tích
của Nhôm thấp hơn Silic nên cả mạng tích điện âm. Để trung hoà điện tích âm, các ion
(kiềm, kiềm thổ) phân bố trong đó. Các ion này có khả năng trao đổi và các alumosilicat
đóng vai trò cationit. Ngoài ra các loại zeolit tự nhiên phần lớn có hệ mao quản khá
rộng, rất thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Các ion có thể trao đổi linh động, chuyển
dịch khá tự do trong các hốc zeolit, thường là nhiều loại như: Na
+
, Ca
2+
, K
+
, Mg
2+
. Tuy
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN

Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể chế tạo thành loại cationit bằng cách
hoạt hoá với axit sunfurit đặc gắn vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO
3
-
, đồng thời
tăng cường mật độ nhóm cacboxylic qua quá trình oxy hoá. Tác nhân hoạt hoá ngoài axit
sunfuric còn có thể sử dụng dẫn xuất như oleum (axit sunfurit đặc 120-140%), axit
pyrosunfuric, kali bisunfat, axit closulfonic.
Quá trình hoạt hoá toả nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình tương nở than gây ra
vở vụn, hiệu suất thu hồi sản phẩm rất thấp. Một trong các biện pháp nhằm cải thiện
trình trạng trên là hoạt hoá hai giai đoạn: ban đầu với axit loãng, sau đó với axit đặc.
Về một số phương diện than sulfon hoá giống với nhựa trao đổi ion: có các nhóm
chức và cấu trúc gel, tuy nhiên có thành phần hoá học không ổn định, độ bền cơ và hoá
kém hơn, đặc biệt dễ bị kiềm phá huỷ.
2.2.4 Nhựa trao đổi ion
Vật liệu trao đổi ion quan trọng nhất là nhựa trao đổi ion, nó là dạng gel, không tan
trong nước do cấu trúc mạng không gian ba chiều của polime mạch carbon.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
20
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trong mạng polime có chứa các nhóm chức -SO
3
-
, -COO
-
, PO
3
-
, AsO
3

thước mao quản vượt trên 100 A
0
. Nhựa có liên kết ngang cao bền cơ học, cứng và ít bị
mài mòn.
Tính bền cơ và hoá của nhựa cũng chỉ có giới hạn. Nghiên nhân gây hỏng nhựa
thông thường là yếu tố hoá học và nhiệt như oxy hoá mạng, phá huỷ các nhóm chức do
thuỷ phân nhiệt. Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các dung môi thông dụng trừ
trường hợp trong các dung môi có tính oxi hoá khử cao, thường chịu được tới 100
0
C.
Riêng anionit mạnh bắt đầu phân huỷ ở 60
0
C.
Tính năng trao đổi ion của nhựa chủ yếu được quyết định bởi các nhóm chức. Mật
độ nhóm chức xác định dung lượng trao đổi ion của nhựa. Bản chất nhóm chức ảnh
hưởng lên cân bằng của quá trình trao đổi ion. Bản chất nhóm chức trước hết thể hiện ở
cường độ axit hoặc bazơ của nó. Nhóm axit yếu COO
-
chỉ phân ly ở pH cao, ở vùng pH
thấp nó liên kết với H
+
và trở nên trung hoà COOH và mất đi khả năng trao đổi. Ngược
lại, nhóm axit mạnh –SO
3
-
phân li ở mội vùng pH và vì vậy nó luôn có tác dụng trao đổi
ion.
Bản chất nhóm chức trong mạng cũng ảnh hưởng đến tính chọn lọc trao đổi: các
ion trao đổi ưa các nhóm chức mà chúng có khả năng tạo phức hay cặp ion. Ví dụ nhóm
sulfonic –SO

2
O
3
, chúng dễ dàng tạo
thành các tập hợp lớn, lắng nhanh như các hạt nhựa thông dụng, các hạt nhựa này cũng
dễ dàng bị phá huỷ khi khuấy trộn. Chúng khắc phục được những khó khăn nêu trên.
2.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHỰA TRAO ĐỔI ION
2.3.1 Dung lượng trao đổi
Dung lượng trao đổi ion là một thông số đặc trưng quan trọng cho một chất trao
đổi, tức là thể hiện về mặt chất lượng sản phẩm. Nó là thông số quan trọng dùng để tính
toán, thiết kế quá trình trao đổi ion kỹ thuật. Trong một chừng mực nào đó, dung lượng
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
22
R
-
R
-
R
-
R
-
R
-
R
-
R
-
R
H
+

chất trao đổi ion do quá trình hấp phụ, tạo phức cùng với quá trình trao đổi thật sự. Dung
lượng hấp phụ đôi khi cao hơn dung lượng tổng.
Dung lượng động: thường dùng trong trường hợp cột trao đổi ion hoạt động liên
tục trong dòng chảy dưới điều kiện dòng chảy qua cột, ví dụ trong dòng nước chứa ion
Ca
2+
có nồng độ C
o
khi cho qua cột cationit dạng Na
+
. Khi chảy qua cột xảy qua quá trình
trao đổi giữa Na
+
của chất trao đổi ion với Ca
2+
của nước và kết quả là nước đầu ra chỉ
chứa Na
+
. Sau một thời gian hoạt động cột bắt đầu bảo hoà và nồng độ Ca
2+
tăng dần
(theo thời gian) ở đầu ra và đạt tới nồng độ C
o
. Cột phải dừng hoạt động trước khi nồng
độ ở đầu ra đạt giá trị C
o
, trong thực tiễn thường là 0,05 C
o
mặc dù tiềm năng trao đổi
ion của cột chưa cạn kiệt, vì vậy dung lượng trao đổi của khối chất trao đổi ion bị hao

có khả năng tăng độ trương nở nhiều hơn do vỏ hydrat của chúng lớn hơn. Với các nhựa
có độ liên kết ngang thấp, chất lỏng trong nhựa chủ yếu nằm ở trạng thái tự do thì hoá trị
của ion trao đổi đóng vai trò quan trọng. Các ion có hoá trị cao làm giảm độ trương nở
do một ion đối hoá trị cao có thể chiếm chỗ hai hay nhiều hoặc nhiều ion của mạng.
Khả năng tạo cặp ion: nếu ion trao đổi có khả năng tạo cặp ion bền hoặc tạo phức
với nhóm chức thì độ trương nở của nhựa giảm do quá trình hydrat hoá và giảm áp suất
thẩm thấu.
Nồng độ ion trong dung dịch: trong trạng thái cân bằng trao đổi ion với dung dịch,
nhựa có độ trương nở cao khi dung dịch càng loãng vì khả năng trao đổi trong hạt nhựa tăng.
Tóm lại khả năng trao đổi của nhựa ảnh hưởng bởi các yếu tố:
- Dung môi phân cực.
- Độ liên kết ngang của nhựa thấp.
- Nhựa có dung lượng trao đổi cao.
- Khuynh hướng tạo lớp vỏ cao của nhóm chức.
- Các ion trao đổi có kích thướt lớn và khả năng tạo vỏ lớn.
- Các ion trao đổi có hoá trị thấp.
- Khả năng phân li cao của các nhóm chức.
- Nồng độ ion ngoài dung dịch thấp.
2.3.3 Cân bằng trao đổi ion
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
24
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Cân bằng trao đổi ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với một dung dịch
chất điện ly, ion trao đổi trong dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khác nhau.
Giả sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B.
Quá trình trao đổi diễn ra:
–R-A + B –R-B + A (2.20)
–R là dạng polyme chứa nhóm chức. Trong trạng thái cân bằng các ion A, B có
mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion. Trao đổi ion là quá trình thuận nghịch
và vì vậy rất khó phân biệt cân bằng là tiệm cận phía nào, tức là A trao đổi với B hay

.
(2.22)
A, B,…i là các ion trao đổi Z
A
, Z
B
, Z
i
là hoá trị tương ứng của A, B, i. m
A
, m
B
, m
i
là
mol phần của A, B, i.
Biểu thức (2.22) là biểu thức tổng quát cho một hệ có i cấu tử. Đường đồ thị đẳng
nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của mol phần tương đương của ion trao đổi A trong nhựa.
Trong một hệ mà chất trao đổi ion có độ chọn lọc của ion A và B là như nhau thì mol
phần của A có cùng giá trị ở cả hai pha, khi đó đẳng nhiệt là đường thẳng đi qua góc toạ
độ. Nếu độ chọn lọc đối với A cao hơn thì đường đẳng nhiệt nằm trên đường thẳng, còn
nếu A ít chọn lọc hơn B thì đường đẳng nhiệt nằm phía dưới (hình 2.2).
Các đường đẳng nhiệt đều xuất phát từ điểm gốc và kết thúc ở góc phải của hình
vuông, vì trong trạng thái cân bằng sự vắng mặt của một loại ion trao đổi trong dung
dịch thì đồng thời ion đó cũng không có mặt trong chất trao đổi ion. Mặt khác khi một
hệ có tính chọn lọc thì đường đẳng nhiệt không trùng hợp với đường chéo.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
25

Trích đoạn Quá trình trao đổi ion trong cột[13] Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion trong cột Tính toán thiết kế cột trao đổi ion[13]

Nhờ tải bản gốc

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Ô NHIỄM AMONI VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ - Pdf 97

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Học thêm