Vật liệu nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion là các polyme có khả năng trao đổi ion giữa các polymer với các ion trong dung dịch chảy qua chúng. Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu làm sạch nước đồng thời cho các ứng dụng khác nhau như tách kim loại, tách một số yếu tố khác.

Trong xử lý nước, một cách tổng quát nhất: Việc sử dụng nhựa trao đổi ion chủ yếu nhằm làm mềm nước và loại bỏ các khoáng chất trong nước. Nước được làm mềm bằng cách sử dụng một loại nhựa có chứa cation Na⁺ nhưng liên kết của hạt nhựa này với ion Ca²⁺ và Mg²⁺ mạnh hơn Na⁺. Khi nước đi qua các ion Na⁺sẽ bị thay thế bởi Ca²⁺ và Mg²⁺ có trong nước, kết quả là nước mềm hơn. Nếu nước cần loại bỏ khoáng chất, nó sẽ được cho chảy qua loại nhựa có chứa ion H⁺ ( thay thế tất cả các cation) và sau đó chảy qua loại nhựa thứ 2 có chứa ion OH^– ( thay thế tất cả các anion), H⁺ và OH^– sau đó kết hợp với nhau để tạo thành nước.

Trong các bài viết chúng tôi sẽ đề cập đến nhựa trao đổi ion và sử dụng nhựa trao đổi ion trong xử lý nước, cũng như những thuận lợi và bất lợi khi sử dụng hạt nhựa trao đổi ion. Trong bài viết này tập trung vào nội dung cơ bản nhất về nhựa trao đổi ion.

Vật liệu trao đổi ion là những chất không hòa tan có chứa các ion có tổ chức lỏng lẻo có thể trao đổi với các ion khác trong quá trình tiếp xúc với dung dịch. Quá trình trao đổi diễn ra mà không có bất kỳ thay đổi về mặt vật lý đối với vật liệu trao đổi ion.

Ion trao đổi là axit không hòa tan hoặc muối không hòa tan, điều này cho phép trao đổi ion tích điện dương ( trao đổi cation) hay ion tích điện âm ( anion).

Vật liệu trao đổi ion tổng hợp dựa trên nhựa than đá và phenolic lần đầu tiên được giới thiệu để sử dụng trong công nghiệp vào những năm 1930. Một vài năm sau đó nhựa bao gồm polysytrene với nhóm sulfonate để tạo ra khả năng trao đổi cation hoặc nhóm amin để tạo ra khả năng trao đổi anion phát triển. Đây là hai loại nhựa vẫn thường được sử dụng nhất hiện nay.

Về các loại nhựa trao đổi ion, xem thêm tại đây: http://locnuocsaoviet.com/nhua-trao-doi-ion.html

Các loại nhựa trao đổi ion có dạng hạt hình cầu đường kính 0,5 – 1,0 mm. Có thể nhìn thấy nhựa trao đổi ion ở dạng rắn nhưng trên quy mô phân tử chúng có cấu trúc hoàn toàn mở, điều  này có nghĩa rằng các ion di động được gắn trên bề mặt hạt nhựa có thể dễ dàng thay thế bởi các ion khác . Mối quan hệ của nhựa axit sulfonic cho cation là khác nhau với kích thước ion. Mối quan hệ này là lớn nhất đối với các ion lớn không có hóa trị cao. Thứ tự của mối quan hệ với các cation như sau:

Hg²⁺< Li⁺<H⁺<Na⁺<K⁺ ≈NH₄⁺ <Cd²⁺<Cs⁺<Ag⁺<Mn²⁺<Zn²⁺<Cu²⁺<Ni²⁺<Co²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺<Pb²⁺<Al³⁺<Fe³⁺

Danh sách cho amin dựa trên trao đổi anion:

OH^– ≈F^–<HCO₃^–<Cl^–<Br^–<NO₃^–<HSO₄^–<PO₄^3-<CrO₄^2-<SO₄^2-

Cấu trúc của nhựa là một polymer mà một ion cố định đã được gắn vĩnh viễn. Ion này không thể được loại bỏ hoặc thay thế, nó là một phần của cấu trúc. Để bảo vệ tính trung lập điện của nhựa, mỗi ion cố định được vô hiệu hóa với một cổng, cống này cho phép nhận vào và ra của các ion với hạt nhựa. Đối với hạt nhựa trao đổi cation ( gọi tắt là hạt cation) ion cố định là sulfonat ( SO₃^–), ion di động là Na⁺, H⁺. Hạt nhựa trao đổi anion ( hạt anion) ion cố định ( nhóm chức năng) là amoni bậc bốn CH₂^–N⁺-(CH₃)₃. Các ion di động trong hạt anion là Cl^–. Đây là hình thức phân phối tiêu chuẩn cho nhiều loại nhựa anion. Mỗi ion đi sâu vào các hạt được thay thế bằng một ion ra khỏi hạt để bảo vệ tính trung lập điện. Đây là quá trình trao đổi ion. Rất nhiều người sẽ thắc mắc một loại nhựa có thể trao đổi cation cũng như anion không, câu trả lời là không thể thực hiện được như vậy vì các cation cố định bên trong nhựa sẽ trung hòa các anion cố định và không có trao đổi với ion bên ngoài được. Chính vì vậy cần loại nhựa cation và nhựa anion riêng biệt.