CATION- ANION

Cơ sở khoa học – nguyên lý trao đổi ion

Trao đổi ion là một chuỗi các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong nước (chất lỏng) và các ion tích hợp trong hat nhựa. Sự trao đổi này dựa theo tính chất mạnh – yếu của các ion kim loại, dựa theo tính chất hút – đẩy của các ion mang điện tích âm / dương.

Theo đó, các ion mang điện tích dương di chuyển tự do trong nước Ca2+, Mg2+ sẽ dễ dàng chiếm chỗ của các ion Cl-, Na+ tích trữ trong các hạt nhựa, đẩy các ion yếu hơn/ trái dấu ra.

Cấu tạo và tính chất chung của nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationic

Loại có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit. Các hạt có thể cùng lúc hấp thu cation và anion được gọi là hạt ionit lưỡng tính .

Tính chất vật lý

Màu sắc: vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa, màu sắc của nhựa mất hiệu lực thường thâm hơn một chút.

Hình thái: nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn.

Độ nở: khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến đổi lớn

Tính chịu nhiệt: các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, vượt quá giới hạn nhựa bị nhiệt phân giải, mất tác dụng. Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50oC.

Tính dẩn điện: chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion.

Kích thước hạt: có dạng hình cầu d= 0,04-1,00 mm.

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 năng thực dụng của nó.

Chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ);

Tính chất hoá học:

Dung lượng trao đổi biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion. Có 2 cách biểu thị dung lượng trao đổi.Theo thể tích đlg/m3; theo khối lượng mgđl/g.

Tổng dung lượng trao đổi : chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi

Dung lượng trao đổi cân bằng : biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch nào đó đã định ,nên không phải là hằng số;

Dung lượng trao đổi làm việc : Dung lượng trao đổi được xác định dưới điều kiện vận hành thực tế.

Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:

Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch. Dựa trên tính chất này người ta có thể hoàn nguyên, tái nạp ion cho nhóm trao đổi, khôi phục lại năng lực trao đổi của nó.

2HR + Ca 2+ +> CaR 2 + 2H + (nhựa trao đổi)

CaR 2 + 2H+ => 2HR + Ca 2+ (hoàn nguyên)

Tính acid, kiềm : tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH ,giống chất điện giải acid, kiềm.

Tính trung hoà và thuỷ phân : tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường.

Tính chọn lựa của chất trao đổi ion;- Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch, nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng.

Thứ tự ưu tiên khi trao đổi ion

Đối với nhựa Cationit acid mạnh (SAC): Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K+> H+ > Li+

Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC): H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+

Đối với nhựa anionit kiềm yếu (WBA); 

– Ở hàm lượng ion thấp, nhiệt độ bình thường và những ion cùng hoá trị, khả năng trao đổi tăng khi số điện tử của ion trao đổi lớn (bán kính hydrat hoá lớn); 

– Ở hàm lượng ion cao, khả năng trao đổi của các ion không khác nhau nhiều lắm .

Tốc dộ trao đổi ion

Tốc độ trao đổi ion tuỳ thuộc trên tốc độ của các quá trình cấu thành 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 dịch .

Điều kiện hoạt động của nhựa trao đổi ion

Nhựa chỉ sử dụng để trao đổi ion chứ không dùng để lọc lọc nước như nhiều người lầm tưởng. Sự có mặt các tạp chất trong nước, đặc biệt là chlorine, ozone có thể phá huỷ hoặc rút ngắn tuổi thọ của nhựa. Sự tồn tại của các chất khí hoà tan trong nước cũng có thể gây nhiễu loạn hoạt động trao đổi ion.

khi được sử dụng trong hệ thống làm mềm nước sẽ xảy ra các phản ứng sau:

2RNa + Ca (HCO3)2 ↔R2Ca + 2 NaHCO3

2 RNa + Mg(HCO3)2 ↔ R2Mg + 2 NaHCO3

2RNa + CaCl2 ↔ R2Ca + 2NaCl

2 RNa + CA(HCO3)2 ↔ R2Ca + 2NaHCO3

2 RNa + CaSO4 ↔ R2Ca + Na2SO4

2RNa + MgSO4↔ R2Mg +   Na2SO4        

Nhựa cation axit mạnh loại bỏ các  ion gây ra độ cứng nước là Ca2+, Mg2+ và thay thế chúng bằng ion Na+. Khi tất cả các ion Na+ đã bị thay thế bằng ion canxi và magie là lúc cần tiến hành tái sinh nhựa trao đổi cation axit mạnh bằng dung dịch muối tinh khiết.

Phản ứng điển hình của quá trình hoàn nguyên:

R2Ca + 2 NaCl ↔ 2RNa + CaCl2