CÁC LOẠI VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION

0
1148

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 ion và có thể trao đổi được với bên ngoài. Chất trao đổi ion để cập ở đây là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được. cấu trúc chúng có thể mô tả như sau.

Bảng 1. Cấu trúc của chất trao đổi ion

Dạng chất trao đổi Mạng chất rắn Điện tích nhóm chức Ion linh động
CationitAnionitLưỡng tính Vô cơ, hữu cơVô cơ, hữu cơVô cơ, hữu cơ ÂmDươngÂm, dương DươngÂmÂm,dương

 

Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm pH cao đối với cationit và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu không có cả hai nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái không phân li, điện tích tổng hợp của nhóm chức năng 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 trạng thái trung hòa tại điểm đẳng điện.

Có thể phân loại vật liệu ion như sau:

Đọc Thêm :   Các loại bể xử lý nước thải

Loại cationit

  • Vô cơ
  • Tự nhiên (zeolit, khoáng sét)
  • Tổng hợp (zeolit tổng hợp, permutit, silicat tổng hợp)
  • Hữu cơ
  • Tự nhiên (than bùn,lignin)
  • Than sulfon hóa
  • Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên co sở phần ứng trùng ngưng, polime hóa)

Loại anionit

  • Vô cơ
  • Tự nhiên (dolomit, apatit,hydroxyl apatit)
  • Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)
  • Hữu cơ
  • Tổng hợp (nhựa trao đổi ion)

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 cầu trúc lớp. Các loại zeolit tự nhiên như annalcite, chabazite, hardmotome, heulandite, natrorolit, clinoptilolite là những đại diện của họ chất này. Các loại zeolit này có hệ mao quản khá rộng thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Các ion này có thể trao đổi linh động, chuyển dịch khá tự do trong các hốc zeolit, thường là nhiều loại như Na+, Ca2+, K+, Mg2+. Dung lượng trao đổi của chúng phụ thuộc vào cấu trúc zeolit (tỷ lệ SiO4/ AlO4), độ sạch của sản phẩm, nhìn chung ít ổn định.

Khoáng sét cấu trúc lớp như montmorilonit, vermiculite cũng có tính năng trao đổi ion. Các ion này nằm giữa các lớp của cấu trúc mạng, quá trình hdro hóa các ion này gây ra tính trương nở của khoáng sét. Dung lượng trao đổi ion của khoáng sét thấp hơn so với zeolit, nằm trong khoảng trên dưới 1 mdl/g.

Hình 1: Khoáng sét.

Glauconite là khoáng sắt (II) alumosilicat chứa ion có thể trao đổi được là kali. Cấu trúc mạng của nó khá chặt chẽ nên quá trình trao đổi ion chỉ diễn ra trên bề mặt bên ngoài. Tuy nhiên ở trạng thái phân tán cao, dạng keo, khả năng trao đổi ion cũng rất đáng kể.

silicat

Hình 2: Silicate

Một số vật liệu trong tự nhiên có tính năng trao đổi anion như dolomite, silicat kim loại nặng. Tuy vậy, chỉ có apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyl apatit [Ca(PO4)2]OH là có ứng dụng trong thực tiễn.

Zeolit là loại khoáng vật khá mềm, độ chịu mài mòn thấp, hệ mao quản nhỏ (3 – 9 A0), độ dẻo thấp. Khả năng trương nở thấp và hệ mao quản nhỏ nên trao đổi ion trong đó có độ linh động không cao.

zeolit

Hình 3: Zeolite

Khoáng sét cấu trúc lớp có khả năng trưng nở cao, quá trình trao đổi ion dễ dàng hơn nhưng loại vật liệu này có độ bền cơ học thấp, kích thước nhỏ khó sử dụng trong thực tiễn. Tất cả các vật liệu trao đổi ion đều kms bền về mặt hóa học, bị axit kiềm, phá hủy,điều đó hạn chế ứng dụng trong thực tiễn, tức là chỉ có thể sử dụng chúng trong khoảng pH hẹp. Nhiều loại cũng không bền trong môi trường dung dịch một số muối.

Đọc Thêm :   Vận hành hệ thống xử lý nước thải: Những vấn đề thường gặp và cách khắc phục

Một số loại axit kim loại : Fe2O3, AL2O3, MnO2, Cr2O3, TiO2, ZrO2, ThO2, SnO2, MoO3, WO3 là chất lưỡng tính axit-bazơ chúng có khả năng trao đổi ion cation nếu pH của môi trường cao hơn điểm đẳng điện, chúng được sử dụng cho một số trường hợp đặc thù như hấp thụ flo. arsen, trên nhôm oxit.

Hợp chất trao đổi ion có tính năng khá nổi bật thuộc tổng hợp của oxit thuộc nhóm IV với các oxit có tính axit mạnh hơn thuộc nhóm V và IV. Ví dụ zirconium photphat với tỉ lệ , ZrO2: P2O5 khác nhau có thể chế tạo được bằng cách kết của zirconyl colorua với photphat kiềm ngay với axit photphorit

Chất trao đổi ion dạng này có dung lượng đạt tới 12.mdl/g, tốc độ trao đổi ion lớn, bền nhiệt và bền phóng xạ. Tuy nhiên các nhóm chức bị thủy phân tại vùng pH cao.

Vật liệu tương tự cũng có thể tổng hợp bằng cách sử dụng axit arsenic, molybdic, vonpharmic thay axit photphotic và titan, thiếc, thori thay zirconium.

Do rất nhiều hạn chế, vật liệu trao đổi ion vô cơ ít được sử dụng và được thay thế bởi các loại nhựa tổng hợp.

2. Vật liệu trao đổi ion trên than.

Hình 4: Than hoạt tính

Rất nhiều loại than có tính năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề mặt than như COOH, OH là các axit yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp. Tuy vậy các vật liệu này dễ bị kiềm phá hủy và có xu hướng peptit hóa. Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được “ổn định” thông qua các biện pháp xử lí.

Than non, than lignin có thể xử lí với dung dịch muối đồng, muối crôm hay muối nhôm. Một số loại than đá, than có độ cứng nhất định xử lí với xút hay axit clohydic, sản phẩm tạo thành có độ bền hóa tốt hơn.

Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể tạo thành loại cationit bằng cách hoạt hóa với axit sunfuric đặc, “gắn” vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO3, đồng thời tăng cường mật độ nhóm carbonxilic qua quá trình oxy hóa. Tác nhân hoạt hóa ngoài axit sunfaric còn có thể sử dụng dẫn xuất như oleum (axit sunfaric 120-140%), axit pyrosunfuric, kali bisunfat, axit closulfonic.

Quá trình hoạt hóa tỏa nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình trương nở gây ra vỡ vụn, hiệu suất thu hồi sản phẩm rất thấp. Một trong các giải pháp cải thiện tình trạng trên là hoạy hóa hai giai đoạn: ban đầu với axit loãng và axit đặc.

Về một số phương diện than sulfon hóa giống với nhựa trao đổi ion: có các nhóm chức và cấu trúc gel, tuy nhiên có thành phần hóa học không ổn định, độ bền cơ học hóa kém hơn, đặc biệt dễ bị kiềm phá hủy.

3. Nhựa trao đổi ion.

Hình 5: Nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion ở dạng gel, không tan trong nước do cấu trúc mạng không gian ba chiều của polyme mạch carbon.

Trong mạng polyme có chứa các nhóm chức: – SO3-, – COO-, – PO3-, – AsO32- đối với các cationit và các nhóm: – NH3+, – RNH2+, NR2H+, – NR3+ (amin bậc 4), amin bậc 3, amin bậc 2, ≡ S+ đối với anionit.

Đọc Thêm :   Tổng hợp các công nghệ xử lý nước thải mới nhất

Mạng polyme có tính kị nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng lại có 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 như zeolit. Tuy vậy người ta vẫn coi nó có cấu trúc đồng nhất theo thể tích xốp. Độ bền hóa học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa phụ thuộc vào cấu trúc và mức độ liên kết ngang của mạng cũng như vào bản chất và mật độ của các nhóm chức. Mức độ liên kết ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độ trương nở và khả năng trao đổi ion và độ dẫn điện của nhựa. Nhựa có liên kết ngang cao độ bền cơ học, cứng và ít bị mài mòn. 

Tính bền và hóa của nhựa cũng chỉ có giới hạn. Nguyên nhân gây hỏng nhựa thông thường là yếu tố hóa học và nhiệt như oxy hóa mạnh, phá hủy các nhóm chức do thủy phân nhiệt. Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các loại dung môi thông dụng trừ trường hợp trong các dung dịch có tính oxy hóa khử cao, thường chịu được tới 100. Riêng anionit mạnh bắt đầu phân hủy ở 6000C.

Tính chất trao đổi của nhựa trao đổi ion được quyết định bởi các nhóm đặc trưng trong sườn (khung) cao phân tử của nhựa và các ion linh động. Các nhóm này mang điện tích âm hoặc dương tạo cho nhựa có tính kiềm hoặc acid. Các nhóm đặc trưng trong ionit nối với các ion linh động có dấu ngược lại bằng liên kết ion. Các ion linh động này có khả năng trao đổi với các ion khác trong dung dịch.

Ví dụ nhóm chức sulfonit – SO3 ưa Ag+, nhựa có nhóm chức COO- ưa các ion kiềm thổ.

Phân loại 

Nhựa trao đổi cation (cationit)

Là những chất có đặc trưng acid. Trong cấu tạo mạng lưới của nhựa có mang điện tích âm (nhóm đặc trưng mang điện tích âm) kèm theo nhóm đặc trưng có một cation linh động có khả năng trao đổi với các cation khác trong dung dịch.

Các ion linh động của cationit thường là H, thường được gọi là nhựa TĐ cation dạng H. Nếu thay H bằng Na, nhựa được gọi là Na-cationit

Các nhóm đặc trưng của cationit: -SO3H, -COOH, -OH (của phenol), H2PO3-

Các nhóm đặc trưng càng nhiều, khả năng trao đổi càng tăng, đồng thời, độ hoà tan trong nước của nhựa cũng tăng. Nếu tăng độ nối ngang trong cấu trúc của nhựa ionit thì khả năng trao đổi, độ hoà tan giảm nhưng độ trương sẽ tăng. Có hai loại cationit:

 o Cationit acid mạnh: nhóm đặc trưng là -SO3H, -PO3H

o Cationit acid yếu: nhóm đặc trưng -COOH, -OH

 Nhựa trao đổi anion (anioit) 

Các nhóm hoạt động mang điện tích dương, tạo cho anionit có tính kiềm, các anion linh động có thể trao đổi với các anion khác trong dung dịch. Nhóm đặc trưng: kiềm amin bậc 1, 2, 3, 4. Các anion linh động thường là OH-, Cl-…

 o Anionit kiềm mạnh: Nhóm đặc trưng là kiềm amin bậc 4.

 o Anionit kiềm yếu: Nhóm đặc trưng là kiềm amin bậc 1 –NH2, bậc 2 =NH và bậc N≡. Anionit kiềm yếu chỉ phân ly trong môi trường kiềm yếu.

Rất nhiều nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất, chúng không chỉ khác nhau về bản chất hóa học và mật độ nhóm chức mà còn khác nhau về thành phần hóa học và độ liên kết ngang của mạch polymer nhằm tương thích với điều kiện sử dụng.

Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lí khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn, dạng xốp đều, dạng bột mịn và dạng từ tính.

Nhựa dạng gel là loại được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố đồng đều trong cả dạng polymer. Nhựa bị trương nở trong điều kiện nhất định và chính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polymer.

Độ trương nở phụ thuộc vào mức độ liên kết ngang và độ liên kết ngang này không đều trong toàn bộ mạng, hạt nhựa càng lớn sự phân bố càng ít đồng đều. Do sự phân bố không đều, độ trương nở của từng vùng khác nhau dẫn đến những hạn chế trong khi sử dụng và tái sinh.

Đọc Thêm :   CÁC MỨC PHẠT KHI VI PHẠM XẢ THẢI NƯỚC THẢI

Nhìn chung, quá trình khuếch tán của các ion bị ngăn trở bởi mạng polyme, độ liên kết ngang càng lớn thì lực khuếch tán càng cao. Mặt khác khi độ liên kết ngang thấp thì độ bền cơ và hóa thấp.

Để khắc phục hai yếu tố ngược chiều nêu trên người ta chế tạo loại nhựa có cấu trúc mao quản lớn (dạng xốp lớn). Bằng phương pháp chế tạo thích hợp, polymer hóa với sự góp mặt của dung môi, chuỗi polymer hình thành kết tủa thành các hình cầu nhỏ, các hình cầu nhỏ kết tụ lại với nhau thành hạt nhựa có kích thước lớn giống quá trình chế tạo silicagel.

Hạt nhựa này có cấu trúc dị thể gồm hai pha: vùng đồng chứa mạng polymer và nước (hình cầu nhỏ) và vùng không gian chứa nước giữa các hạt cầu nhỏ. Các ion khuếch tán trong nhựa dạng xốp lớn trước hết trong khoảng không gian giữa các hạt cầu nhỏ và vì vậy trở lực tổng thể của chúng nhỏ hơn nhiều so với khuếch tán trong dạng gel.

Mật độ nhóm chức trong một đơn vị thể tích của loại mô quan lớn thấp hơn so với dạng gel và vì vậy lượng hóa chất dùng tái sinh cũng lớn hơn.

Một cấu trúc khác thông dụng của vật liệu trao đổi ion là màng trao đổi ion. Với các chất kết dính thích hợp người ta chế tạo ra các cấu hình khác nhau: dạng phẳng, dạng cuốn. Chúng được ứng dụng trong việc tách các ion, tách các phân tử trung hòa, ứng dụng trong kĩ thuật điện thẩm tách làm nước ngọt.

Mọi thắc mắc cần hỗ trợ xin hãy liên hệ ngay với chúng tôi:

Công Ty TNHH Công Nghệ Kỹ Thuật SACOTEC
Địa chỉ: Số 25, Đường số 7, Phường 7, KDC Cityland , Gò Vấp, TP. HCM
MST: 0314671217 E-mail: tan.hoang.sacotec@gmail.com
Điện thoại: 0862.712.299 – 0862.722.299
Hotline: 0974.285.153

Website: http://sacotec.vn

 

Ghi rõ nguồn môi trường SACOTEC khi sử dụng bài viết này

SACOTEC – VÌ MÀU XANH TƯƠNG LAI