Hạt nhựa trao đổi ion là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hạt nhựa trao đổi ion là loại hạt không hòa tan chúng hoạt động như một môi trường trao đổi ion . Hạt nhựa thường ở dạng các hạt vi mô nhỏ (bán kính 0,25–1,43 mm), thường có màu trắng hoặc vàng, được chế tạo từ chất nền polyme hữu cơ. Có nhiều loại hạt nhựa trao đổi ion, thành phần của chúng khác nhau tùy thuộc vào mục địch là anion hay cation. Hầu hết các loại hạt nhựa thương mại được làm từ polystyrene sulfonat hoặc polyacrylate.

Hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình tách, tinh chế và khử nhiễm khác nhau. Các ví dụ phổ biến nhất là làm mềm nước và tinh chế nước. Trong nhiều trường hợp, hạt nhựa trao đổi ion được đưa vào các quá trình như một giải pháp thay thế linh hoạt hơn cho việc sử dụng zeolit tự nhiên hoặc nhân tạo. Ngoài ra, hạt nhựa trao đổi ion có hiệu quả cao trong quá trình lọc biodiesel.

Các loại hạt nhựa

Hầu hết các loại hạt nhựa trao đổi ion điển hình đều dựa trên polystyrene liên kết ngang. Các vị trí trao đổi ion thực tế được đưa vào sau khi trùng hợp. Ngoài ra, trong trường hợp của polystyrene, liên kết ngang được đưa vào bằng cách đồng trùng hợp styrene và một vài phần trăm divinylbenzene. Liên kết ngang làm giảm khả năng trao đổi ion của hạt nhựa và kéo dài thời gian cần thiết để hoàn thành các quá trình trao đổi ion nhưng cải thiện độ bền của hạt nhựa.

Các ion cứng trong nước.

Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion chính khác nhau về nhóm chức năng của chúng:

Cation có tính axit mạnh, thường có nhóm axit sunfonic, ví dụ như natri polystyren sulfonat hoặc polyAMPS, thường được sử dụng cho các hoạt động làm mềm nước và khử khoáng.

Anion có tính bazơ mạnh, thường có nhóm amino bậc bốn, ví dụ như nhóm trimethylammonium, polyAPTAC, sử dụng cho việc loại bỏ silica, urani, nitrat.

Cation axit yếu, thường có nhóm axit cacboxylic. Sử dụng cho mục đích khử kali và cũng để làm mềm nước có mức độ mặn cao.

Anion bazơ yếu, thường có nhóm amin bậc một, bậc hai và/hoặc bậc ba , ví dụ như polyetylen amin. Có hiệu quả trong quá trình khử khoáng khi không cần loại bỏ SiO2 và CO2. Cũng có hiệu quả trong quá trình hấp thụ axit.

Các loại hạt nhựa trao đổi ion chuyên dụng còn được gọi là nhựa tạo phức ( axit iminodiacetic , nhựa gốc thiourea và nhiều loại khác).

Hạt nhựa anion và hạt nhựa cation là hai loại hạt nhựa phổ biến nhất được sử dụng trong quá trình trao đổi ion. Trong khi hạt nhựa anion thu hút các ion tích điện âm, hạt nhựa cation thu hút các ion tích điện dương.

Hạt nhựa trao đổi anion

Công thức: R-OH

Hạt nhựa anion có thể có tính bazơ mạnh hoặc yếu. Hạt nhựa anion có tính bazơ mạnh duy trì điện tích âm của chúng trên một phạm vi pH rộng, trong khi hạt nhựa anion có tính bazơ yếu được trung hòa ở mức pH cao hơn. Hạt nhựa có tính bazơ yếu không duy trì điện tích của chúng ở pH cao vì chúng trải qua quá trình khử proton. Tuy nhiên, chúng cung cấp độ ổn định cơ học và hóa học tuyệt vời. Điều này, kết hợp với tỷ lệ trao đổi ion cao, làm cho hạt nhựa anion có tính bazơ yếu rất phù hợp với các muối hữu cơ.

Đối với hạt nhựa anion, quá trình tái sinh thường liên quan đến việc xử lý hạt nhựa bằng dung dịch kiềm mạnh, ví dụ như natri hydroxit dạng nước. Trong quá trình tái sinh, hóa chất tái sinh được đưa qua hạt nhựa và các ion âm bị giữ lại được xả ra ngoài, làm mới khả năng trao đổi hạt nhựa.

Hạt nhựa trao đổi cation

Công thức: R−H

Phương pháp trao đổi cation loại bỏ độ cứng của nước nhưng tạo ra tính axit trong nước, tính axit này được loại bỏ thêm trong giai đoạn xử lý nước tiếp theo bằng cách dẫn nước có tính axit này qua quá trình trao đổi anion.

Phương trình phản ứng:

R-H + M ⁺ = R-M + H ⁺ .

Tương tự như hạt nhựa anion, trong hạt nhựa cation, quá trình tái sinh liên quan đến việc sử dụng dung dịch có tính axit mạnh, ví dụ như axit clohydric dạng nước. Trong quá trình tái sinh, hóa chất tái sinh đi qua hạt nhựa và rửa sạch các ion dương bị giữ lại, làm mới khả năng trao đổi hạt nhựa.

Hạt nhựa trao đổi anion

Công thức: –NR ₄⁺ OH ⁻

Thông thường, đây là các loại hạt nhựa đồng trùng hợp styrene – divinylbenzen có cation amoni bậc bốn là một phần không thể thiếu của hạt nhựa.

Phương trình phản ứng:

–NR4 ⁺ OH− ⁺ HCl = _–NR4⁺ Cl− ⁺ H _2 O.

Sắc ký trao đổi anion sử dụng nguyên lý này để chiết xuất và tinh chế vật liệu từ hỗn hợp hoặc dung dịch.

Các loại hạt nhựa trao đổi ion hiện nay trên thi trường.

Đặc điểm

Hạt nhựa trao đổi ion có một số đặc điểm sau đây:

Sức chứa : Biểu thị lượng ion có thể trao đổi/lưu trữ trên một đơn vị khối lượng hạt nhựa. Thường được biểu thị bằng miligam ion trên một gam hạt nhựa (mg/g).

Sự trương nở : Khi tiếp xúc với dung môi, hạt nhựa có thể trương nở (tăng thể tích). Việc trương nở của hạt nhựa bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học, cấu trúc polyme và liên kết chéo của nó. Hạt nhựa có mức độ liên kết chéo cao hơn có xu hướng thể hiện xu hướng trương nở thấp hơn so với hạt nhựa có mức độ liên kết chéo thấp hơn. Sự trương nở thường được thể hiện dưới dạng phần trăm tăng thể tích hoặc trọng lượng của hạt nhựa khi tiếp xúc với một dung môi cụ thể.

Tính chọn lọc : Chỉ khả năng hoặc sự tương thích của hạt nhựa trong việc hấp thụ hoặc trao đổi một số ion nhất định so với các ion khác. Đây là một đặc tính cơ bản quyết định hiệu quả của hạt nhựa trong việc tách hoặc loại bỏ các ion cụ thể khỏi dung dịch.

Tính ổn định : Tính toàn vẹn của hạt nhựa có thể được mô tả theo khả năng phục hồi cơ học và hóa học của các hạt.

Lỗ rỗng

Môi trường lỗ rỗng của các hạt nhựa là một trong những thông số quan trọng nhất đối với hiệu quả của sản phẩm. Các lỗ rỗng này có các chức năng khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng và là đặc điểm chính chịu trách nhiệm cho việc truyền khối giữa các pha, giúp toàn bộ quá trình trao đổi ion trở nên khả thi. Có ba loại kích thước lỗ rỗng chính:

Micropore: Với chiều rộng khe hở nhỏ hơn 2 nm, chúng thường được tìm thấy ở cuối các lỗ rỗng lớn hơn và đặc điểm chính của chúng là có thế năng thành chồng lên nhau. Điều này có nghĩa là các hạt bên trong chúng cảm thấy bị thu hút về phía thành rắn của chúng nên chúng tiếp xúc với các vị trí hoạt động.

Mesopore: Với chiều rộng khe hở từ 2 đến 50 nm, các lỗ trung bình này có mục đích chính là ngăn chặn sự ngưng tụ mao quản và thường nằm trước các lỗ siêu nhỏ.

Macropore: Với chiều rộng khe hở lớn hơn 50 nm, đây là những lỗ chân lông có kích thước lớn nhất với mục đích chính là trở thành đường dẫn chính để các phân tử đi vào hạt và sau đó phân phối lại qua các kênh nhỏ hơn khác.

Hạt nhựa trao đổi ion hoạt động như thế nào?

Để hiểu đầy đủ cách hạt nhựa trao đổi ion hoạt động, trước tiên điều quan trọng là phải hiểu các nguyên tắc của phản ứng trao đổi ion. Nói một cách đơn giản, trao đổi ion là sự trao đổi thuận nghịch của các hạt tích điện âm hoặc ion âm với các hạt có cùng điện tích. Điều này xảy ra khi các ion có mặt trên một ma trận hạt nhựa trao đổi ion không hòa tan hoán đổi vị trí hiệu quả với các ion có cùng điện tích có trong dung dịch xung quanh.

Nguyên lý trao đổi ion của hạt nhựa.

Hạt nhựa trao đổi ion hoạt động theo cách này là do các nhóm chức năng của nó, về cơ bản là các ion cố định được liên kết vĩnh viễn bên trong ma trận polyme của hạt nhựa. Các ion tích điện này sẽ dễ dàng liên kết với các ion có điện tích đối lập, được cung cấp thông qua việc áp dụng dung dịch đối ion. Các ion đối ion này sẽ tiếp tục liên kết với các nhóm chức năng cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Trong chu kỳ của hạt nhựa trao đổi ion, dung dịch cần xử lý sẽ được thêm vào lớp hạt nhựa trao đổi ion và được phép chảy qua các hạt. Khi dung dịch di chuyển qua hạt nhựa trao đổi ion, các nhóm chức năng của hạt nhựa sẽ thu hút bất kỳ ion đối lập nào có trong dung dịch. Nếu các nhóm chức năng có ái lực lớn hơn đối với các ion đối lập mới so với các ion đã có, thì các ion trong dung dịch sẽ đẩy các ion hiện có ra và thay thế chúng, liên kết với các nhóm chức năng thông qua lực hút tĩnh điện chung. Nhìn chung, kích thước và/hoặc hóa trị của ion càng lớn thì ái lực của nó với các ion có điện tích trái dấu càng lớn.

Với một hệ thống làm mềm nước thông thường. Cơ chế làm mềm bao gồm một loại hạt nhựa trao đổi cation trong đó các nhóm chức anion sulphonat (SO ₃^– ) được cố định vào ma trận hạt nhựa trao đổi ion. Sau đó, một dung dịch đối ion chứa các cation natri (Na ⁺ ) được áp dụng cho hạt nhựa. Na ⁺ được giữ lại với các anion SO ₃^– cố định bằng lực hút tĩnh điện, tạo ra điện tích trung tính ròng trong hạt nhựa. Trong chu trình hạt nhựa trao đổi ion hoạt động, một luồng chứa các ion độ cứng (Ca ²⁺ hoặc Mg ²⁺ ) được thêm vào hạt nhựa trao đổi cation. Vì các nhóm chức SO ₃^– có ái lực lớn hơn đối với các cation độ cứng so với các ion Na ⁺ , các ion độ cứng sẽ đẩy các ion Na ⁺ ra khỏi hạt nhựa như một phần của nước được xử lý . Mặt khác, các ion độ cứng (Ca ²⁺ hoặc Mg ²⁺ ) được giữ lại bởi hạt nhựa trao đổi ion.

Ứng dụng của hạt nhựa trao đổi ion

Hệ thống làm mềm nước.

Làm mềm nước

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng để thay thế các ion magiê và canxi có trong nước cứng bằng các ion natri. Khi tiếp xúc với dung dịch chứa các ion magiê và canxi (nhưng nồng độ ion natri thấp), các ion magiê và canxi ưu tiên di chuyển ra khỏi dung dịch đến các vị trí hoạt động trên hạt nhựa, được thay thế trong dung dịch bằng các ion natri. Quá trình này đạt đến trạng thái cân bằng với nồng độ các ion magiê và canxi trong dung dịch thấp hơn nhiều so với khi bắt đầu.

Hình ảnh quá trình làm mềm nước.

Hạt nhựa có thể được nạp lại bằng cách rửa nó bằng dung dịch có chứa nồng độ ion natri cao (ví dụ như nó có một lượng lớn muối (NaCl) hòa tan trong đó). Các ion canxi và magiê di chuyển khỏi hạt nhựa, được thay thế bằng các ion natri từ dung dịch cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng mới. Muối được sử dụng để nạp lại hạt nhựa trao đổi ion, bản thân nó được sử dụng để làm mềm nước.

Lọc nước

Trong ứng dụng này, hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ các ion độc hại (ví dụ đồng ) và kim loại nguy hiểm (ví dụ chì hoặc cadmium ) khỏi dung dịch, thay thế chúng bằng các ion vô hại hơn, chẳng hạn như natri và kali , trong quá trình này, hạt nhựa trao đổi cation và anion được sử dụng để loại bỏ các ion hòa tan khỏi nước.

Một số loại hat nhựa trao đổi ion loại bỏ clo hoặc chất gây ô nhiễm hữu cơ khỏi nước – điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống lọc than hoạt tính trộn với hạt nhựa. Có một số loại hạt nhựa trao đổi ion loại bỏ các ion hữu cơ, chẳng hạn như nhựa MIEX (trao đổi ion từ tính). Hạt nhựa lọc nước sinh hoạt thường không được nạp lại – hạt nhựa sẽ bị loại bỏ khi không thể sử dụng được nữa.

Nước có độ tinh khiết cao nhất được yêu cầu cho các thiết bị điện tử, thí nghiệm khoa học, sản xuất siêu dẫn và công nghiệp hạt nhân, trong số những thứ khác. Nước như vậy được sản xuất bằng các quy trình trao đổi ion hoặc kết hợp các phương pháp màng và trao đổi ion.

Trao đổi ion trong tách kim loại

Các quy trình trao đổi ion được sử dụng để tách và tinh chế kim loại, bao gồm tách urani khỏi plutoni và các actini khác, bao gồm thori và lanthanum , neodymi , ytterbi , samari , luteti , khỏi nhau và các lanthanide khác . Có hai nhóm kim loại đất hiếm , lanthanide và actini. Các thành viên của mỗi họ có các tính chất hóa học và vật lý rất giống nhau. Trong nhiều năm, trao đổi ion là cách thực tế duy nhất để tách các loại đất hiếm với số lượng lớn. Ứng dụng này được Frank Spedding phát triển vào những năm 1940. Sau đó, chiết xuất bằng dung môi chủ yếu thay thế việc sử dụng hạt nhựa trao đổi ion ngoại trừ các sản phẩm có độ tinh khiết cao nhất.

Một trường hợp rất quan trọng là quy trình PUREX (quy trình chiết xuất plutonium-uranium), được sử dụng để tách plutonium và uranium khỏi các sản phẩm nhiên liệu đã qua sử dụng từ lò phản ứng hạt nhân và có thể xử lý các sản phẩm thải. Sau đó, plutonium và uranium có sẵn để chế tạo vật liệu năng lượng hạt nhân, chẳng hạn như nhiên liệu lò phản ứng mới và vũ khí hạt nhân .

Hạt trao đổi ion cũng là một thành phần thiết yếu trong khai thác urani thẩm thấu tại chỗ . Thu hồi tại chỗ bao gồm việc khai thác nước chứa urani (hàm lượng thấp tới 0,05% U₃O₈) thông qua các lỗ khoan. Dung dịch urani được chiết xuất sau đó được lọc qua các hạt nhựa. Thông qua quá trình trao đổi ion, các hạt nhựa thu hút urani từ dung dịch. Sau đó, các hạt nhựa chứa urani được vận chuyển đến một nhà máy chế biến, tại đây U ₃ O ₈ được tách ra khỏi các hạt nhựa. Sau đó, các hạt nhựa có thể được đưa trở lại cơ sở trao đổi ion, nơi chúng được tái sử dụng.

Quá trình trao đổi ion cũng được sử dụng để tách các nhóm nguyên tố hóa học rất giống nhau khác, chẳng hạn như zirconium và hafnium , tình cờ cũng rất quan trọng đối với ngành công nghiệp hạt nhân. Zirconium thực tế trong suốt đối với các neutron tự do, được sử dụng trong việc xây dựng lò phản ứng, nhưng hafnium là chất hấp thụ neutron rất mạnh, được sử dụng trong các thanh điều khiển lò phản ứng .

Xúc tác

Hat nhựa trao đổi ion được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ , ví dụ như để este hóa và thủy phân . Do có diện tích bề mặt lớn và không hòa tan, chúng thích hợp cho các phản ứng pha hơi và pha lỏng. Có thể tìm thấy các ví dụ về việc sử dụng hạt nhựa trao đổi ion bazơ (dạng OH ^{− )} và chuyển đổi halide amoni bậc bốn thành hydroxide. Hạt nhựa trao đổi ion có tính axit (dạng H ⁺ ) đã được sử dụng làm chất xúc tác axit rắn để cắt nhóm bảo vệ ete, và cho các phản ứng sắp xếp lại.

Làm sạch nước ép

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng trong sản xuất nước ép trái cây như nước cam và nước ép nam việt quất, nơi chúng được sử dụng để loại bỏ các thành phần có vị đắng và do đó cải thiện hương vị. Điều này cho phép sử dụng các nguồn trái cây có vị chua hoặc kém hơn để sản xuất nước ép.

Sản xuất đường

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng trong sản xuất đường từ nhiều nguồn khác nhau. Chúng được sử dụng để giúp chuyển đổi một loại đường thành một loại đường khác, và để khử màu và tinh chế xi-rô đường.

Dược phẩm

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng trong sản xuất dược phẩm, không chỉ để xúc tác một số phản ứng nhất định mà còn để cô lập và tinh chế các thành phần hoạt tính dược phẩm . Ba loại hạt nhựa trao đổi ion, natri polystyrene sulfonat , colestipol và cholestyramine , được sử dụng làm thành phần hoạt tính . Natri polystyrene sulfonat là một loại hạt nhựa trao đổi ion có tính axit mạnh và được sử dụng để điều trị tăng kali máu . Colestipol là một loại hạt nhựa trao đổi ion có tính kiềm yếu và được sử dụng để điều trị tăng cholesterol máu. Cholestyramine là một loại hạt nhựa trao đổi ion có tính kiềm mạnh và cũng được sử dụng để điều trị tăng cholesterol máu . Colestipol và cholestyramine được gọi là chất cô lập axit mật .

Hạt nhựa trao đổi ion cũng được sử dụng làm tá dược trong các công thức dược phẩm như viên nén, viên nang, kẹo cao su và hỗn dịch. Trong những mục đích sử dụng này, hạt nhựa trao đổi ion có thể có một số chức năng khác nhau, bao gồm che giấu mùi vị, giải phóng kéo dài, phân rã viên nén, tăng khả dụng sinh học và cải thiện độ ổn định hóa học của các thành phần hoạt tính .

Các chất tạo phức polyme chọn lọc đã được đề xuất để điều trị duy trì một số bệnh lý, trong đó xảy ra sự tích tụ ion mãn tính , chẳng hạn như bệnh Wilson (trong đó xảy ra sự tích tụ đồng ) hoặc bệnh máu nhiễm sắc tố di truyền ( quá tải sắt , trong đó xảy ra sự tích tụ sắt ) Các polyme hoặc hạt này có tính khả dụng sinh học toàn thân không đáng kể hoặc bằng không và chúng được thiết kế để tạo thành các phức hợp ổn định với Fe ²⁺ và Fe ³⁺ trong GIT và do đó hạn chế sự hấp thụ các ion này và sự tích tụ lâu dài của chúng. Mặc dù phương pháp này chỉ có hiệu quả hạn chế, không giống như các chất tạo phức phân tử nhỏ ( deferasirox , deferiprone hoặc deferoxamine ), cách tiếp cận như vậy có thể chỉ có tác dụng phụ nhỏ trong các nghiên cứu bán mãn tính. Điều thú vị là việc tạo phức đồng thời Fe ²⁺ và Fe ³⁺ làm tăng hiệu quả điều trị.

Hấp thụ CO ₂ từ không khí xung quanh

Hạt nhựa trao đổi anion dễ dàng hấp thụ CO ₂ khi khô và giải phóng lại khi tiếp xúc với độ ẩm. Điều này khiến chúng trở thành một trong những vật liệu hứa hẹn nhất để thu giữ carbon trực tiếp từ không khí xung quanh, hoặc thu giữ không khí trực tiếp , vì sự thay đổi độ ẩm thay thế cho sự thay đổi nhiệt độ hoặc thay đổi áp suất tốn nhiều năng lượng hơn được sử dụng với các chất hấp thụ khác. Một nguyên mẫu chứng minh quá trình này đã được phát triển bởi Klaus Lackner tại Trung tâm Phát thải Carbon Tiêu cực.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Mọi thông tin cần tư vấn quý khách có thể liên hệ với chúng tôi thông qua:

CÔNG TY TNHH REECHEM

Địa chỉ: Tầng 5 tòa nhà Lighthouse, 1254 Xô Viết Nghệ Tĩnh, P.Hòa Cường Nam, Q.Hải Châu, Tp.Đà Nẵng

Điện thoại: 0236 391 88 68 / Hotline (zalo): 0789 086 626

Email: info@reechem.com.vn

Website: reechem.com.vn