Tìm hiểu về hạt trao đổi ion và các ưu điểm, nhược điểm

Nội dung chính

Hạt trao đổi ion là một loại vật liệu lọc nước phổ biến, có thể dễ dàng trao đổi với các ion khác, làm mềm nước hoặc loại bỏ các chất không cần thiết trong nước. 

1. Giới thiệu về hạt trao đổi ion

Hạt trao đổi ion là những hạt nhựa không hòa tan được trong nước, nhưng có thể giúp loại bỏ các tạp chất ion. Hơn nữa thay thế bằng các ion khác có cùng điện tích mà không làm thay đổi tính chất vật lý của nước.

Chúng có cấu tạo được chia thành 2 phần:

+ Polymer – gốc của chất trao đổi ion.

+ Nhóm ion dùng để trao đổi.

2. Các loại hạt trao đổi ion:

Tùy thuộc vào ứng dụng hoặc yêu cầu cụ thể cần xử lý, có thể sử dụng vật liệu trao đổi ion khác nhau. Tuy nhiên, có một số loại điển hình:

icon Hạt trao đổi cation có tính axit mạnh: chứa lượng lớn các loại nhựa nhóm axit mạnh SO3H, dễ dàng phân tách H+ trong dung dịch. Sau khi phân ly nhựa, chứa các nhóm tích điện âm như SO3- và có thể hấp thu các cation khác. Cả 2 phản ứng nhựa H+ cation trao đổi trong dung dịch.

icon Hạt trao đổi cation có tính axit yếu: chứa các nhóm axit yếu như carboxyl- COOH, có thể phân ly H+ và nước có tính axit. Hạt trao đổi cation có tính axit yếu được phân ly còn lại nhóm tích điện âm như R -COO- (R là một nhóm hydrocarbon), kết hợp với một giải pháp có khả năng hấp thu các cation khác, dẫn tới trao đổi cation.

icon Hạt trao đổi anion có tính kiềm mạnh: chứa các nhóm mạnh cơ bản như amin bậc bốn (hay còn gọi là bốn amin) -NR3OH (R là một nhóm hydrocarbon), để phân ly OH- trong nước.

Chúng có thể hấp thu các nhóm tích điện dương kết hợp với anion trong dung dịch, dẫn đến hiệu ứng trao đổi anion. Loại nhựa này có tính phân ly mạnh mẽ và có thể làm việc ở nhiều mức pH khác nhau và tái sinh với một chất kiềm mạnh.

icon Hạt trao đổi anion có tính kiềm yếu có chứa một nhóm kiềm yếu, như amin bậc một. -NH2, hay -NHR và -NR2 có thể phân ly trong nước và OH-, kiềm yếu.

Nhựa anion kiềm yếu có khả năng hấp thu các nhóm tích điện dương trong dung dịch dẫn đến hiệu ứng trao đổi anion. Chúng chỉ làm việc trong điều kiện trung tính hoặc axit. Loại hạt này thường dùng Na2CO3, NH4OH để tái sinh.

Một số loại hạt trao đổi ion có thể kể đến như: hạt Purolite; hạt C100 – purolite; hạt nhựa cation Trilite; hạt nhựa Diaion; Bestwater,…

Các loại hạt trao đổi ion
Các loại hạt trao đổi ion

3. Nguyên tắc trao đổi ion của hạt nhựa

Cho dòng nước chảy vào cột chứa các hạt trao đổi ion. Trong cột sẽ diễn ra quá trình: Hạt nhựa trao đổi các ion H+ cho bất kì loại cation nào chúng gặp phải như: Na+, Ca2+, Al3+, Mg2+… Tương tự các loại nhựa trao đổi anion sẽ trao đổi OHvới bất kì anion nào như: Cl,  NO3-, SO42-… Ion H+ từ bộ trao đổi cation kết hợp với ion OHtừ bộ trao đổi anion tạo thành nước (H2O) tinh khiết.

Các loại nhựa này có thể được thiết kế trong các bộ trao đổi riêng hoặc bộ trao đổi hỗn hợp chứa cả hai. Trong cả hai trường hợp, hạt nhựa sẽ được tái sinh khi chúng đã trao đổi hết các ion H+, và OH cho các chất gây ô nhiễm tích điện trong nước.

Sự tái sinh này chính là đảo ngược quá trình trao đổi ion trên, thay thế các ion đang được lưu giữ trong hạt nhựa bằng H+, và OH. Quá trình này liên tục, định kì, được thiết kế tự động tùy thuộc vào công nghệ thiết kế, và quy mô cụ thể.

Quá trình thay thế ion của hạt trao đổi ion
Quá trình thay thế ion của hạt trao đổi ion

4. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm

icon Loại bỏ các chất vô cơ hòa tan một cách hiệu quả, năng lượng tiêu tốn nhỏ.

icon Có khả năng tái sinh, nên tiết kiệm được chi phí.

icon Đầu tư ban đầu thấp.

Nhược điểm

Tải Xuống Không loại bỏ được các chất hữu cơ, vi sinh vật.

Tải Xuống Chỉ sử dụng khi nước đã trải qua giai đoạn xử lý thô ban đầu. Nếu nước còn tồn tại các hợp chất hữu cơ hay ion Fe3+, chúng sẽ bám dính vào các hạt nhựa ion, làm hạn chế khả năng xử lý của hạt.

Tải Xuống Chi phí vận hành cao trong thời gian dài, do cần dùng đến hóa chất để tái sinh.

5. Ứng dụng của hạt trao đổi ion

Thông thường, các sản phẩm đều có nhiều chức năng, ứng dụng. Có thể bạn chưa biết, hạt trao đổi ion không chỉ sử dụng trong xử lý nước, chúng còn được dùng trong nhiều mục đích khác.

Làm mềm nước

Hạt nhựa trao đổi ion có nhiệm vụ thay thế các hạt ion Ca2+ và Mg2+ bằng các ion vô hại như Na+, K+ để giảm độ cứng của nước. Quá trình này diễn ra liên tục và đạt đến trạng thái cân bằng khi nồng độ ion magiê và canxi đạt đến mức tối thiểu.

Ion Natri trong nhựa sẽ bị cạn kiệt trong nhựa trao đổi ion. Khi đó, nhựa có thể được nạp lại bằng cách tái sinh bằng dung dịch chứa nồng độ ion natri cao (99%). Các ion cứng di chuyển từ nhựa, được thay thế bằng các ion natri cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng mới.

Nước làm mềm là loại nước lý tưởng để ăn uống, sinh hoạt, sử dụng trong lò hơi, và các ứng dụng cấp nước công nghiệp khác. Sử dụng hạt trao đổi ion để làm mềm nước là giải pháp hiệu quả và tiết kiệm nhất hiện nay.

Hạt trao đổi ion làm mềm nước
Hạt trao đổi ion làm mềm nước

Sản xuất nước khử khoáng/nước siêu tinh khiết

Nhựa trao đổi ion có 2 loại cation và anion. Khác với quá trình làm mềm nước, chỉ cần dùng đến hạt cation, sản xuất nước khử khoáng cần dùng đến cả 2 loại trên. Các khoáng chất không mong muốn như Bari, Radium, Asen, Uranium, Canxi, Crom, Mangan, Magie, Cacbonat, Sunfat,… sẽ được loại bỏ tối đa.

Nước có độ tinh khiết cao là đầu vào cần thiết cho nhiều ngành nghề đòi hỏi yêu cầu khắt khe như: điện tử, thí nghiệm khoa học, sản xuất chất siêu dẫn và công nghiệp hạt nhân…

Loại nước đặc biệt này cần được xử lý qua nhiều giai đoạn: lọc thô, làm mềm, xử lý qua màng RO, xử lý bằng hạt trao đổi ion. Ở giai đoạn xử lý bằng nhựa trao đổi, hạ cation tích ion hydro (H+); anion tích hydroxyl (OH-). Các ion này thay thế với các ion âm và dương khác trong nước, đồng thời H+ và OH- đi ra khỏi nhưa, tái hợp, tạo ra các phân tử nước.

Do đó, nước siêu tinh khiết được tạo ra và không còn chứa ion nào trong nước (chỉ có thành phần H+ và OH-). Quá trình xử lý thường được thực hiện trong “cột trao đổi ion hỗn hợp” ở cuối cùng của chuỗi.

Tách lọc những ion không mong muốn

Trong ứng dụng này, nhựa trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ các ion độc tố (đồng) hoặc kim loại nặng (chì, cadmium) khỏi dung dịch, và thay thế chúng bằng các ion vô hại hơn như natri và kali.

Lưu ý: nhựa trao đổi ion không loại bỏ Clo hoặc các chất ô nhiễm hữu cơ khỏi nước. Yếu tố ô nhiễm này cần được xử lý bằng bộ lọc than hoạt tính kết hợp với nhựa trao đổi.

Tinh chế kim loại

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng để tinh chế kim loại. Tách uranium khỏi plutonium và các loại actinide khác: thorium, lanthanum, neodymium, ytterbium, samarium, lutetium và lanthanide là ví dụ điển hình.

Hạt trao đổi cũng thành phần quan trọng trong khai thác, chiết xuất uranium. Thông qua quá trình trao đổi, hạt nhựa sẽ hấp phụ urani từ dung dịch. Sau đó, chúng được vận chuyển đến nhà máy, U3O8 được tách ra khỏi các hạt nhựa và sản xuất bánh vàng.

Các nguyên tố hóa học giống nhau cũng có thể được tách ra khỏi nhau, chẳng hạn như zirconium và hafnium. Điều này cũng rất quan trọng đối với ngành công nghiệp hạt nhân.

Lọc nước trái cây

Nhựa trao đổi ion có thể được dùng trong quy trình sản xuất nước ép trái cây như cam và việt quất. Các thành phần có vị đắng, chua có thể được loại bỏ thông qua lọc bằng nhựa này. Do đó, cải thiện hương vị đáng kể của nước ép.

Sản xuất dược phẩm

Nhựa trao đổi ion được sử dụng như một công cụ tinh chế các hoạt chất dược phẩm. Ba loại nhựa là: natri polystyrene sulfonate, colestipol và cholestyramine được sử dụng làm hoạt chất.

icon Natri polystyrene sulfonate là nhựa trao đổi có tính axit mạnh và được sử dụng để tăng kali máu.

icon Colestipol được sử dụng để tăng cholesterol máu.

icon Cholestyramine là loại nhựa trao đổi ion mạnh, được sử dụng để tăng cholesterol máu.

Ngoài ra, nhựa trao đổi ion cũng được sử dụng trong công thức sản xuất các sản phẩm như viên nén, viên nang,… Trong các ứng dụng này, chúng có chức năng tăng tính ổn định hóa học của các hoạt chất.

5. TDS có ảnh hưởng như thế nào tới hiệu quả hoạt động của hạt trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion là sự lựa chọn tuyệt vời cho những ứng dụng làm mềm, và xử lý nước khử khoáng. Tuy nhiên, hiệu suất hoạt động có thể trở nên kém hơn, khi xử lý các dòng chảy có tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (TDS) cao. Vậy “Giới hạn TDS đối với nhựa trao đổi ion là bao nhiêu?”, “Tại sao giới hạn TDS lại quan trọng?”.

Tổng chất rắn hòa tan (TDS) là thước đo chung của tất cả các phân tử, ion và hạt keo có trong nước. TDS càng cao nghĩa là hàm lượng các ion và chất rắn hòa tan càng cao. Con số này gây ra những ảnh hưởng nhất định đến hoạt động của hạt nhựa.

TDS ảnh hưởng đến trao đổi ion như thế nào?

Nhựa trao đổi có khả năng xử lý tốt nhất các dòng chảy có mức TDS từ thấp đến trung bình. TDS cao là nguyên nhân khiến nhựa bị ô nhiễm, dễ nứt vỡ và cạn kiệt ion nhanh chóng. Khi đó, việc tái sinh và thay thế hạt nhưa diễn ra thường xuyên hơn, nước đầu ra có chất lượng kém hơn.

Việc tái sinh không chỉ cần đến nhiều hóa chất tái sinh, mà còn tốn khá nhiều thời gian ngừng hoạt động. Như vậy, TDS càng cao, làm tăng chi phí chung khi vận hành hệ thống.

Với nguồn nước có TDS từ 500 – 1000 ppm là không phù hợp để sử dụng hạt trao đổi ion. Tuy nhiên, với một số loại nhựa như cation chelat và cation axit yếu (WAC) có thể chịu được TDS lên đến 10.000 ppm.

hạt trao đổi ion DOW
Hạt trao đổi ion DOW

Cần làm gì khi nước có mức TDS cao?

Để giảm mức TDS tới mức tối thiểu, bạn cần bổ sung các bước tiền xử lý:

icon Xử lý nước bằng hệ thống lọc tổng thô giúp giảm đáng kể cặn lắng, kim loại nặng, hợp chất gây màu,…

icon  Sử dụng các màng lọc như màng thẩm thấu ngược (RO), hoặc màng vi lọc hoặc siêu lọc để loại bỏ thêm các khoáng chất hòa tan, giảm áp lực lên hạt trao đổi ion.

Vì TDS là thước đo tổng hợp của các chất gây ô nhiễm. Việc lựa chọn một công nghệ tiền xử lý thích hợp có thể phụ thuộc vào đặc tính của nước như: thành phần, đặc tính khác như nhiệt độ, thể tích, nồng độ, pH.

Hạt nhựa trao đổi ion Purolite
Hạt nhựa trao đổi ion Purolite

Công ty Cổ phần công nghệ môi trường Toàn Á có hơn 17 năm trong việc cung cấp và phân phối các vật liệu lọc nước, trong đó có hạt trao đổi ion. Nhiều thương hiệu sản phẩm được chúng tôi phân phối như: Dow, Lanxess, Bestwater,… Để biết thêm thông tin về các sản phẩm, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được tư vấn.

Thong Bao Lam Viec Online Toan A