Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 7: Trao đổi ion - Lê Nguyễn Kim Cương

Nội dung text: Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 7: Trao đổi ion - Lê Nguyễn Kim Cương

1. Mục tiêu TÊN MÔN HỌC: v Hiểu đượccơsởcácquátrìnhtrao đổiion. HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG v Vậndụnglựachọncácquitrìnhxửlýchất thảibằngphươngpháptrao đổiion. CHƯƠNG 7: TRAO ĐỔI ION Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương ThS Nguyễn Văn PhươLOngGO Chương 7: TRAO ĐỔI ION 7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN v Chấttrao đổiionthôngthường đượchiểulà vậtliệurắnkhôngtantrongnước,gắntrên 7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION mìnhnólàcáccationhayanioncóthể trao đổi 7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION được. 7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION Ø Cationitlàloạitrao đổication(+). Ø Anionitlàloạitrao đổianion(-). v Chấttrao đổiionlưỡngtínhlàloạitrao đổi cả iondươngvàâm. 1
2. v Trao đổiionlàsựthaythế củamộtion v Dunglượngtrao đổiionlàkhả năngtrao đổi tínhbằngmolhay đươnglượngcủamộtchất (cationhayanion)từdungdịchvớimộtion b1 cùngdấuđượccốđịnhbởilựctĩnh điệntrên trao đổitrênmộtđơnvịkhốilượng. mộtchấtrắnkhôngtan v dunglượng động ≤ dunglượngtĩnh ≤ mật độ nhómchức. Cơ chế trao đổi ion có thể biểu diễn: v Quátrìnhtrao đổidựatrênsựcạnhtranh R- I+ + M+X- ⇌ R- M+ + I+X- lựctươngtáctĩnh điệngiữabịiontrao đổivà R+Y- + M+X- ⇌ R+X- + M+Y- iontrao đổi. v Quátrìnhtrao đổituânthủ theoquitắccân - ’ - ’ - R như R -SO3 , R -COO (đối với cationit) bằng điệntích. + ’ + R như R –NH3 (đối với anionit). I+ thường H + ; Na+. Y- thường Cl- ; OH-. 2
3. Slide 5 b1 thi nha bebe, 09-Oct-10
4. 7.2. VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION Bảng 7.1. Cấu trúc củ a chất trao đổi ion v Chấttrao đổiion để cập ởđâylàdạngrắn khôngtantrongnướcvàhầuhếttrongcác Dạng chất Mạng chất Điện tích Ion linh trao đổi rắn nhóm chức động dungmôihữucơ. Cationit Vôcơ,hữucơ Âm Dương v Chứacácnhómchứccókhả năngtrao đổi. Anionit Vôcơ,hữucơ Dương Âm Lưỡngtính Vôcơ,hữucơ Âm, dương Âm, dương Mã Thiết bị: CATION AXIT MẠNH SYN 07 Công dụng: Hạt nhựa trao đổi ion trong nước v Cácchấttrao đổiionyếuphụ thuộcvào Nhóm chức năng : Sulfonic acid Mạch cao phân tử : Dvb/styrene pH. Hìnhdạng bên ngoài : Màu vàng, trong Dạng ion : Na+. v Chấttrao đổiionlưỡngtínhthìkhác, ở vùngpHnhất địnhchúngthể hiệnkhả năng Mã Thiết bị: NHỰA CATION 220NA trao đổianionhaycation,chỉ tồntạiởtrạngthái Indion220Nalàloạinhựatrao đổicationgốcaxítmạnh, trunghòatạiđiểmđẳng điện. dạnghạtkeo, đượcsảnxuấttừquátrìnhsunfonhoáhợpchất caophântửtrùnghợptừpolystyrene. Côngdụng: đượcdùng để làmmềmnước,khử chấtô nhiễmamônihoặckhử khoáng. - + Nhóm chức năng :-SO3 Na Dạng ion : Na+. 3
5. 7.2.1. Vật liệu trao đổi ion vô cơ Mã Thiết bị: NHỰA ANION GS300 IndionGS300làloạinhựatrao đổianiongốcbazơ mạnh– v Chủ yếulàalumosilicattinhthể,cácloạizeolit dạng1(tínhkiềmmạnhnhất),dạnghạtkeo, đượcsảnxuất tự nhiênvàkhoángsétcấutrúclớp. từ polystyrenecopolymervới4nhómchứcNH4. Côngdụng:khử aniontrongcácthiếtbịkhử khoáng. v Dunglượngtrao đổicủachúngphụ thuộcvào Gốcion:Cl-• cấutrúczeolit(tỷ lệ SiO4/AlO4), độ sạchcủasản phẩm,nhìnchungít ổn định. v Khoángsétcấutrúclớp:khả năngtrươngnở cao,quátrìnhtrao đổiiondễdànghơnnhưngcó độ bêncơhọcthấp,kíchthướcnhỏ khósửdụng trongthựctiễn. 7.2.2. Vật liệu trao đổi ion trên than 7.2.3. Nhựa trao đổi ion vĐọc tài liệu v Nhựatrao đổiion ở dạnggel,khôngtantrongnướcdo cấutrúcmạngkhônggianbachiềucủapolymemạch carbon. v Trongmạngpolymecóchứa: - - - 2- Ø Cácnhómchức–SO3 ,–COO ,–PO3 ,–AsO3 đối vớicáccationit. + + + + Ø Cácnhóm: –NH3 ,–RNH2 ,–NR2H ,-NR3 (amin bậc4),aminbậc3,aminbậc2, ≡ S+ đốivớianionit. Mạngpolymecótínhkỵnước,cácnhómchứctrong mạngcótính ưanước. 4
6. 7.3. CÂN BẰNG TRONG HỆ TRAO ĐỔI ION v Liênkếtngang:quyết định độ xốp,trương 7.3.1. Hiện tượng trương nở nở,linh độngion, Độ dẫn điện, Độ bềnnhiệt, vVậtliệucókhả năngthuhútdungmôi,khi đó Độ bềncơ,Độ bềnhóahọc. vậtliệunàylớnlênvềthể tíchvớimứcđộ nhất định, đólàhiệntượngtrươngnở. v Nhómchứcquyết địnhtínhnăngtrao đổi vTrongvậtliệutrao đổiionthìtrươngnởlàquá thôngquamậtđộ nhómchứcvàbảnchất trìnhcótínhcânbằng: nhómchức. ØXuhướngtancủacácthànhphầnphâncực vàmang điệntích. ØLựcco đànhồicủamạngpolymebachiều. v Cáchạtnhựatrao đổiioncótínhtrươngnở v Cơ chế quátrìnhtrươngnở: domạngpolymercócấutrúckogian3chiều 1) Nhómchứcvàionmang điệntích:tạolớp vỏhydrat. 2) Ápsuấtthẩmthấunồng độ bêntronghạt nhựavàbênngoàidungdịch. 3) Tươngtác đẩycácnhómcùngdấutrong mạng. 5
7. Các yếu tố ảnh hưởng khả năng trương nở: 7.3.2. Hấp thụ các chất tan v Bảnchấtdungmôi. 7.3.2.1. Hấp thụ các chất trung hòa v Bảnchấthóahọccủanhómchức. vSự sanbằngnướctrongmạngtrao đổivới phântửtan. v Mật độ nhómchức. vCósựtrao đổihaytạophứcvớicáciontrao v Bảnchấtcủaiontrao đổi. đổi. v Mức độ liênkếtngang. vTươngtáclưỡngcựcgiữacácphântửvới nhauvàvớicácnhómphâncựccủachấttan. vKíchthướcphântửlớndễhấpphụ. 7.3.2.2. Hấp thụ các chất điện ly 7.3.3. Cân bằng trao đổi ion mạnh v Cânbằngtrao đổiioncóýnghĩaquan v Mộtlượngnhỏ cácionkhuếchtánban đầu trọngtrongthựctiễnvàvềmặtlýthuyết,nó tạonênsựkhácbiệtvềđiệnthế giữahaipha– đượckhảosátrấtkỹngaytừkhihiệntượng thế năngDonnan. trao đổiion đượcnhậnbiết. 6
8. 7.3.3.1. Đẳng nhiệt trao đổi ion, hệ số tách, hệ số chọn lọc v Đẳngnhiệttrao đổiionlàmộtđạilượng v Hệ số chọnlọcphụ thuộcvàomộtloạtyếu đặctrưngmôtảcânbằngtrao đổiioncủahệ. tố:mứcđộ liênkếtngangcủanhựa,hóatrị của v Hệsốtách iontrao đổi,nồng độ iontrongdungdịch. A mA.mB CA.CB xA.xB α B = = = mB.mA CB.CA xB.xA Độ chọn lọc trao đổi ion 7.3.4. Chất trao đổi ion có cấu trúc đặc biệt Độ chọnlọctrao đổiioncaovớicáciontrao đổi: v Đốivớicácchấttrao đổiioncónhiềuloại § Cóhóatrị cao. § Cólớpvỏhydratnhỏ. nhómchức: § Có độ phâncựclớn. v Xétmộtcationitchứahailoạinhómchức: § Tươngtácmạnhvớinhómchứcmang điệnvàvới mạngpolyme. carboxylicvàsulfonic. § Íttạokếttủavàtạophứcbềnvớiion đikèmtrong v Zeolitcũnglàmộthọchấttrao đổiion. dungdịch. Độ chọnlọctrao đổi đượctăngcườngvớinhựacó độ liênkếtngangcaovàvớiđộ loãngcủadungdịch,với cáciongây độ trươngnởthấp. 7
9. 7.3.6. Cân bằng trao đổi trong hệ 7.3.5. Hệ chứa nhiều ion trao đổi chứa tác nhân tạo phức v Khitiếpxúcgiữachấttrao đổiionvớimột v Cânbằngtrao đổivàcânbằnghấpphụ bị hỗnhợpiontrao đổi,tốcđộ trao đổicủatừng tác độngrấtmạnhbởiquátrìnhtạophứcchất ionlàrấtkhácnhauvìvậynồng độ củamộtion củacácthànhphầncómặttronghệ:iontrao nào đótrongdungdịchcũngnhư trongnhựacó đổi,ion đikèm,cácphântửtrunghòa.Tạo thểđạtcácgiátrị cực đạihaycựctiểutrướckhi phứccó ảnhhưởng đángkểđếntínhtrao đổi đạttớitrạngtháicânbằng. chọnlọccủahệ. 7.3.6.1. Cân bằng trao đổi cation 7.3.6.2. Cân bằng trao đổi anion khi có mặt anion tạo phức khi có mặt anion tạo phức v Khinồng độ aniontạophứcthấp,sựtạo v Khinồng độ củanóthấpkhả năngtạo phứcsẽkémvàphứchìnhthànhcósốphốitrí phứcthấphoặcchỉ tạoraphứccósốphốitrí nhỏ,tínhchấttrao đổiioncủahệkhôngkhác nhỏ mang điệntíchdương. nhiềusovớitrạngtháicânbằngtrao đổithông v Tăngdầnnồng độ chất điệnlytrợ giúpdẫn dụng. đếnkhả nănghấpthucủacationit đốivớiphức v Khinồng độ aniontạophứccao,quátrình trunghòa. tạophứcvàphứccósốphốitrícaodiễnra thuậnlợi,tínhchọnlọctrao đổicủacationit giảm đốivớication. 8
10. 7.3.8. Phản ứng với các vật liệu có độ tan 7.3.7. Trao đổi phối tử thấp v Chấttrao đổiphốitử(Chấttrao đổiion v Chấttrao đổiioncókhả nănghòatanmột chứaionkimloạitạophứcchất)có ưuthế là sốchấtrắncó độ tanthấpnhư CaCO3,PbSO4, kếthợpđượcgiữadunglượnghấpthucaovới AgCl. độ chọnlọccao đốivớiphốitử. 7.4. ĐỘNG HỌC TRAO ĐỔI ION 7.4.1. Cơ chế trao đổi ion Đốitượngnghiêncứucủađộnghọctrao v Từ tronghạtnhựacácionAkhuếchtánra đổiiongồm: ngoàidungdịch,cácionBkhuếchtántừdung v Cơ chế củaquátrìnhtrao đổi dịchvàohạtnhựatrao đổi.Quátrìnhkhuếch tánngượcchiềunhaucủaionAvàBgọilàtrao v Giai đoạnquyết địnhtốcđộ củaquátrình đổiion. v Phươngtrìnhmôtảtốcđộ trao đổi v Mỗimộtiontrao đổirờikhỏihạtnhựaphải v Khả năngdựđoántốcđộ trao đổiionvề đượcthaythế bởimộtiontương đươngvềđiện mặtlýthuyết. tíchtừngoàidungdịch đivào. 9
11. 7.4.2. Giai đoạn quyết định tốc độ Cácquátrình độnghọctrao đổiionbaogồm: v Tốc độ trao đổiion đượcquyết địnhbởiquá 1) Khuếchtáncủaiontrao đổitrongdungdịch trìnhchậmnhất đếnsátlớpmàngbaoquanhhạttrao đổiion v Tốc độ khuếchtántronghạthayxungquanh (khuếchtánngoài) màngthườngkhốngchế tốc độ trao đổiion 2) Khuếchtánquamàng 3) Khuếchtánbêntronghạtnhựatớicáctrung tâmtrao đổi 4) Phản ứngtrao đổiion 10