Nước tự nhiên chứa nồng độ khác nhau các muối hòa tan, các muối này phân tách trong nước tạo thành các ion tích điện, ion tích điện dương được gọi là cation, các ion mang điện tích âm được gọi là anion. Các tạp chất ion nghiêm trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của nồi hơi hoặc các thiết bị khác.
Lịch sử xuất hiện của nhựa trao đổi ion
Năm 1905 một nhà hóa học người Đức tên là Gans, sử dụng vật liệu silicat nhôm tổng hợp được gọi là zeolit trong trao đổi ion làm mềm nước. Vật liệu aluminosilicate ít được sử dụng ngày nay.
Vật liệu này đã sớm được thay thế bằng một loại vật liệu tự nhiên được gọi là Greensand. Greensand có khả năng trao đổi thấp hơn so với các vật liệu tổng hợp, nhưng nó có sự ổn định về vật lý nên phù hợp hơn với các ứng dụng công nghiệp.
Vào giữa năm 1940, nhựa trao đổi ion được phát triển dựa trên các đồng trùng hợp của styrene liên kết ngang với divinylbenzen. Các loại anion polystyrene-divinylbenzen có thể loại bỏ tất cả các anion bao gồm cả axit silicxic và cacbonic. Nhựa polystyrene-divinylbenzen vẫn được sử dụng trong phần lớn các ứng dụng trao đổi ion. Một trong những thay đổi đáng kể nhất là sự phát triển của macroreticular hoặc cấu trúc nhựa macroporous. Ngoài nhựa polystyrene-divinylbenzen có nhựa với cấu trúc acrylic làm tăng khả năng chống lại ô nhiễm hữu cơ.
Ngoài ma trận nhựa, vật liệu trao đổi ion có chứa nhóm chức năng trao đổi ion. Nhóm chức năng bao gồm cation tích điện dương và anion mang điện tích âm. Tuy nhiên chỉ một trong số ion là di động, nhóm ion khác được gắn vào cấu trúc hạt. Trao đổi ion xảy ra khi các ion trong nước thô trao đổi với ion di động của các nhóm chức năng,kết quả là các ion từ nước thay thế vị trí của ion di động gắn lên bề mặt hạt trao đổi ion còn các ion di động thế vị trí trong dung dịch nước.
Phân loại nhựa trao đổi ion:
Nhóm ion di động gắn với hạt nhựa xác định chức năng của nhựa, nhựa trao đổi ion trong xử lý nước công nghiệp được phân thành bốn loại cơ bản:
– Nhựa cation axit mạnh ( hạt cation mạnh)
– Nhựa cation axit yếu ( hạt cation yếu)
– Nhựa anion bazơ mạnh ( hạt anion mạnh)
– Nhựa anion bazơ yếu ( hạt anion yếu)
+ Nhựa cation mạnh: Hạt cation mạnh có thể vô hiệu hóa bazơ mạnh và chuyển đổi các muối trung tính thành các axit tương ứng. Nhựa cation mạnh được sử dụng để làm mềm và khử khoáng nước, khử kiềm nước.
Nhựa cation mạnh lấy được chức năng từ nhóm axit sulfonic (HSO3–), khi sử dụng trong hệ thống khử khoáng nước, nhựa cation mạnh loại bỏ gần như tất cả các cation trong nước thô và thay thế chúng bằng các ion hydro như hình dưới đây:
Các phản ứng trao đổi là đảo ngược, khi nhựa cation cạn kiệt các ion trao đổi, nó được tái sinh với axit
Cation mạnh hoạt động tốt ở tất cả độ PH
+ Nhựa cation yếu: Hạt cation axit yếu hoạt động trên cơ sở nhóm cacboxy (-COOH). Khi hoạt động theo hình thức hydro, nhựa cation yếu loại bỏ các cation liên quan đến độ kiềm, tạo ra axit cacbonic:
Phản ứng trao đổi này có thể đảo ngược khi nhựa cation yếu được tái sinh. Nhựa catin yếu không thể loại bỏ tất cả các cation trong nguồn nước cấp. Ưu điểm của hạt cation yếu là hiệu quả tái sinh cao hơn so với nhựa cation mạnh. Điều này làm giảm lượng axit cần thiết để tái sinh nhựa do đó làm giảm axit chất thải và giảm thiểu các vấn đề phải xử lý.
Nhựa cation yếu được sử dụng kết hợp với nhựa cation mạnh để làm mềm nước có độ cứng cao, khử kiềm nước, và khử khoáng nước toàn phần.
+ Nhựa anion mạnh: Nhựa anion mạnh có nhóm chức năng amoni bậc bốn, có hai nhóm amoni bậc bốn đó là nhóm metyl và nhóm ethanol
Nhóm metyl:
Khi ở dạng hydroxit, nhựa anion mạnh loại bỏ tất cả các anion thường gặp trong nước theo phản ứng:
Các phản ứng này có thể đảo ngược khi nhựa anion mạnh tái sinh với xút
+ Nhựa anion yếu: Nhựa anion yếu có nhóm chức năng amin, nhựa này có thể biến các axit sulfuric, nitric và axit hydrochloric thành các muối:
