Ion Exchange

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI

TRAO ĐỔI ION

TPHCM – 3/2004

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI: TRAO ĐỔI ION Nhóm thí nghiệm: nhóm 1 Ngày thí nghiệm: 17/3/2004 Nơi thí nghiệm: PTNHMT Giáo viên hướng dẫn: Thầy Trần Tiến Khôi SV thực hiện: Huỳnh Khánh An – MSSV: 90000004 Trần Thị Kim Anh

90000077

Bùi Ngọc Anh

90000022

Nguyễn Văn Bé

90000139

Lê Thị Chu Biên

90000140

Lê Minh Châu

90000207

Đỗ Thị Minh Châu

90000205

Nguyễn T. Quý Châu

90000215

Nhóm 1__________________________________________________________________

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

1. TÓM TẮT - Mục đích thí nghiệm: + Nghiên cứu sự biến đổi pH trong quá trình trao đổi ion + Nghiên cứu quá trình trao đổi ion theo chiều dày lớp nhựa trao đổi + Xác định dung lượng trao đổi làm việc của nhựa trao đổi ion - Kết quả: + Hiệu suất trao đổi càng cao khi chiều dày lớp nhựa càng tăng + Dung lượng trao đổi làm việc của nhựa trao đổi ion: SO42- = 65.1 eq/m3 Cl- = 0.6 eq/m3 - Kiến nghị: + Cần có cả 2 cột anion và cation thay vì chỉ có 1 cột anion như hiện nay + Cần có máy đo pH chính xác hơn

Nhóm 1__________________________________________________________________

1

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

2. LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết phương pháp trao đổi ion: 2.1.1 Cân bằng trao đổi ion: Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch, giống phản ứng hoá học thông thường, cho nên người ta thường dùng định luật khối lượng để nghiên cứu cân bằng trao đổi ion. Ví dụ, cho chất cation tính axít mạnh HR tiến hành trao đổi với NaR trong nước, phản ứng diễn ra như sau: HR + Na+ ↔ NaR + H+ Theo định luật tác dụng khối lượng, khi phản ứng trao đổi đạt tới cân bằng, ta có phương trình: K HNa =

[ NaR ][ H + ] [ HR][ Na + ]

Trong đó:

KHNa - Hằng số cân bằng [NaR]: nồng độ Na+ trong pha rắn khi phản ứng cân bằng (chính xác gọi các nồng độ trên là hoạt độ ) ion/l [RH]: nồng độ H+ ở pha rắn khi phản ứng cân bằng ion/l [H+]: nồng độ H+ trong dung dịch khi phản ứng cân bằng, ion/l [Na+]: nồng độ Na+ trong dung dịch khi phản ứng cân bằng, ion/l Na

Mức độ lớn nhỏ của hằng số cân bằng K H thể hiện độ khó dễ của H+ (trên chất Na trao đổi ion) trao đổi thành Na+. Nếu K H > 1, chất trao đổi ion hấp phụ Na+ dễ Na hơn hấp phụ H+. Trị số K H càng lớn, năng lực của nhực hấp phụ Na + càng mạnh. Hằng số này có thể biểu thị mức độ lớn nhỏ tính lựa chọn trao đổi ion, nên được gọi là hệ số lựa chon hay hệ số phân phối. Khi ion hoá trị 2 và hoá trị 1 tiến hành trao đổi, phản ứng diễn ra như sau : 2NaR + Ca2+ ↔ CaR2 + 2Na+

K

Ca Na

[CaR2 ][ Na + ]2 = [ NaR ]2 [Ca 2+ ]

Trong đó:

Nhóm 1__________________________________________________________________

2

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

Ca K Na : hằng số cân bằng

[CaR2]: nồng độ Ca2+ trong pha ra rắn khi phản ứng cân bằng, ion/l [Ca2+]: nồng độ Ca2+ trong dung dịch khi phản ứng cân bằng, ion/l Các kí hiệu khác như trên

Hằng số cân bằng của chất trao đổi với các loại ion có thể được tìm thấy qua thực nghiệm. Trong bản là hằng số cân bằng của nhựa cation có tính axít mạnh dạng HR đối với một vài loại cation trong nước (đây là loại nhựa amberlit IR120) Loại cation

Hằng số cân bằng

Li+

H+

Na+

NH4+

K+

Mg2+

0,8

1,0

2,0

3,0

3,0

26

C a2+

42

Qua bảng trên, ta thấy sự khác biệt về năng lực hấp phụ của các loại ion của một loại nhựa 2.1.2. Dung lượng trao đổi: Dung lượng trao đổi là đại lượng biểu thị lượng ion được hấp thụ trong một loại chất trao đổi. Đây là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của chất trao đổi ion. Có hai phương pháp biểu thị dung lượng trao đổi: - Phương pháp biểu thị khối lượng: lượng ion được hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của vật liệu trao đổi - mgđl/g. - Phương pháp biểu thị thể tích: lượng ion được hấp thu trong một đơn vị thể tích vật liệu - đlg/m3 hay mđlg/l. Do hình thái của chất trao đổi ion khác nhau, khối lượng và thể tích của nó cũng khác nhau. Do đó, khi biểu thị dung lượng trao đổi ion, để thống nhất, ta dùng cation dạng HR và anion dạng RCl làm chuẩn. Khi cần thiết, phải ghi rõ dạng nào. Dung lương trao đổi thường dùng những loại sau: - Tổng dung lượng trao đổi (E): chuyển toàn bộ gốc hoạt tính trong chất trao đổi thành ion. Sau đó, xác định tổng dung lượng của những ion này ta được tổng dung lượng trao đổi. Chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong

Nhóm 1__________________________________________________________________

3

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

chất trao đổi. Đối với cùng một loại chất trao đổi ion, tổng dung lượng trao đổi là hằng số. Dung lượng trao đổi được chủ yếu dùng để nghiên cứu chất trao đổi ion - Dung lượng trao đổi cân bằng (B): cho chất trao đổi (sau khi tái sinh hoàn toàn) tác dụng với dung dịch nước có thành phần nhất định đến trạng thái cân bằng. Xác định dung lượng đã trao đổi ta được dung lượng trao đổi cân bằng. Chỉ tiêu này biểu thị dung lượng lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch xác định. Do đó, dung lượng trao đổi cân bằng không phải là hằng số mà phụ thuộc vào loại dung dịch cần trao đổi. Dung lượng trao đổi cân bằng và tổng dung lượng trao đổi có quan hệ với nhau. Tổng dung lượng trao đổi là giá trị lớn nhất của dung lượng trao đổi cân bằng. Ví dụ, cho chất trao đổi HR tác dụng với dung dịch NaR. Khi cân bằng, lượng Na+ chứa trong chất trao đổi là BNa mgđl/g, thì dung lượng trao đổi cân bằng là BNa. Nếu khi này, dạng HR còn dư lại trong chất trao đổi BH mgđl/g thì BNa và BH bằng tổng dung lượng trao đổi của chất trao đổi ion này, có nghĩa là E = BNa + BH. Khi hàm lượng Na + trong dung dịch rất nhiều làm cho dạng HR còn dư lại trong chất trao đổi khi cân bằng BH ≈ 0 thì E ≈ BNa. - Dung lượng trao đổi làm việc: là dung lượng trao đổi xác định được dưới điều kiện vận hành thực tế xử lý nước ở qui mô trong phòng thí nghiệm. Tiến hành thí nghiệm, đem chất trao đổi ion cho vào cột trao đổi trạng thái động. Cho nước cần xử lý qua cột trao đổi cho đến khi nước đạt đến hàm lượng ion mong muốn thì dừng. Khi đó, dung lượng trao đổi của chất trao đổi được gọi là dung lượng trao đổi làm việc. Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng tới dung lượng làm việc: như nồng độ ion trong nước vào, chỉ tiêu khống chế điểm trao đổi cuối cùng, độ cao lớp nhựa, tốc độ dòng nước….Dung lượng trao đổi làm việc thường dùng thể tích biểu thị, tức là đlg/m3 hoặc mgđl/l. 2.1.3. Tái sinh chất trao đổi ion: Khi lớp nhựa cation và anion mất hiệu lực người ta tiến hành tái sinh nhựa. Ví dụ như nhựa RSO3H và ROH thì dùng dung dịch acid HCl và dung dịch NaOH, phản ứng như sau: RSO3Na + HCl ↔ RSO3H + NaCl RCl + NaOH ↔ ROH + NaCl

Nhóm 1__________________________________________________________________

4

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

Mức độ tái sinh của chất trao đổi ion đối với dung lượng trao đổi có ảnh hưởng rất lớn. Nếu tái sinh đầy đủ, có thể thu được dung lượng trao đổi làm việc lớn nhất. Trong vận hành thực tế, muốn làm cho chất trao đổi tái sinh đầy đủ, lượng chất tài sinh cần rất nhiều, nhưng không kinh tế vì khi tái sinh càng hoàn toàn, lượng dung chất tái sinh tăng lên càng nhiều. Vì vậy, lượng chất tái sinh dùng thực tế cần đạt đến một lượng tối ưu để tái sinh chất trao đổi thu được tương đối tốt. Dung lượng trao đổi này phải căn cứ vào tình trạng thiết bị, chất nước của nước nguồn, yêu cầu chất nước của nước ra thông qua thí nghiệm để xác định. 2.2. Ứng dụng của trao đổi ion trong xử lý nước: Để khử đi các tạp chất ion trong nước, phương pháp được dùng nhiều nhất là trao đổi ion. Phương pháp này có thể khử tương đối triệt để các tạp chất ở trạng thái ion trong nước. Chất lượng nước thu còn được tốt hơn nước cất. Vì vậy, đây là giai đoạn xử lý nước rất cần thiết để cấp nước cho mục đích sinh hoạt, ăn uống; cho sản xuất và cho các lò hơi ở các nhà máy điện …. Người ta sử dụng nhựa trao đổi ion trong xử lý nước cấp nước cấp chủ yếu nhằm hai mục đích: khử cứng và khử khoáng nhằm loại bỏ hầu hết các ion trong nước 2.2.1. Khử cứng: - Độ cứng: độ cứng được hiểu là khả năng tạo bọt của nước với xà bông. Ion canxi và magie trong nước sẽ kết tủa với xà bông, do đó làm giảm sức căn của bề mặt và phá huỷ đặt tính tạo bọt. Những ion dương đa hoá trị khác có thể kết tủa với xà bông, nhưng thường những ion này ở dạng phức chất, hoặc là chất hữu cơ, do đó ảnh hưởng của chúng trong nước không đáng kể và rất khó xác định. Nước cứng hầu như không độc hại đến môi trường, tuy nhiên ở hàm lượng cao, nước cứng cũng gây ảnh hưởng đến nhu cầu sinh hoạt (tiêu hao xà phòng, rau luộc lau chín ). Nguy hiểm khi cấp nước cho lò hơi và một số ngành công ngiệp khác như dệt, phim ảnh .. - Khử cứng (làm mềm nước): là quá trình làm giảm nồng độ của canxi và magie là chất gây ra độ cứng của nước. - Thực hiện: để hoá mềm nước, người ta đem nước cứng có chứa Ca2+ hoặc Mg2+ liên tục dẫn vào chất trao đổi ion NaR. Chất trao đổi ion NaR hấp phụ Ca2+, Mg2+ trong nước và đồng thời phân ly ra Na làm cho phản ứng trao đổi ion

Nhóm 1__________________________________________________________________

5

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

chuyển dịch về hai phía, như vậy đã khử Ca2+ trong nước. Vì hằng số cân bằng của phản ứng lớn hơn 1, cho nên phản ứng tiến hành dễ dàng. 2RNa + CaSO4 ↔ R2Ca + Na2SO4 2RNa + MgSO4 ↔ R2Mg + Na2SO4 Khi hàm lượng Ca2+, Mg2+ trong nước ra bắt đầu tăng lên, biểu thị nhựa mất liên tục. Để làm nhựa phục hồi năng lực với Ca 2+, Mg2+, phải đem nhựa dạng CaR tái sinh thành dạng NaR. Thông thường, dùng dung dịch NaCl để tái sinh. Khi đó, Ca do K Na lớn hơn 1, tái sinh nữa không lợi, nhưng chỉ cần làm cho nồng độ NaCl trong dung dịch tái sinh tương đối lớn, nồng độ Ca2+ rất nhỏ, phản ứng chuyển dịch về phái trái, làm cho nhựa được tái sinh. Trong quá trình xử lý nước, người ta úng dụng chuyển dịch cân bằng trao đổi ion được lặp đi lăp lại như vậy, để khử đi các ion có hại trong nước. R2Ca + 2NaCl ↔ 2RNa + CaCl2 R2Mg + 2NaCl ↔ 2RNa + MgCl2 2.2.2. Khử khoáng: - Định nghĩa: khử khoáng là quá trình loại bỏ muối ra khỏi dung dịch nước (bao gồm các ion âm và ion dương) - Thực hiện: cho nước cần xử lý chảy qua từng cột nhựa cation và anion riêng lẽ hay qua một cột kết hợp cả nhựa cation và anion. Các phản ứng xảy ra như sau: RSO3H + NaCl ↔ RSO3Na + HCl 2RSO3H + Na2SO4 ↔ 2RSO3Na + H2SO4 RSO3H + NaHCO3 ↔ RSO3Na + CO2 + H2O 2RSO3H + Na2SO3 ↔ 2RSO3Na + CO2 + H2O ROH + HCl ↔ RCl + H2O 2ROH + H2SO4 ↔ R2SO4 + H2O Khi lớp nhựa cation và anion mất hiệu lực, người ta tái sinh bằng dung dịch acid HCl và dung dịch NaOH. RSO3Na + HCl ↔ RSO3H + NaCl RCl + NaOH ↔ ROH + NaCl

Nhóm 1__________________________________________________________________

6

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

2.3. Phương pháp xác định SO42Sulfate trong nước được phân tích bằng một trong hai phương pháp: - Phương pháp trọng lượng dựa theo tính chất của sulfate: tạo thành BaSO4↓ với BaCl2 trong môi trường acid. Tủa được lọc, nung và cân, từ đó tính được nồng độ sulfate. Ba2+ + SO42- → BaSO4 - Phương pháp đo độ đục: dựa vào việc tạo tủa theo phản ứng trên, sulfate có thể được xác định bằng đục kế hay quang kế ở bước sóng 420nm. - Các trở ngại: màu và các chất lơ lững trong nước là trở ngại chính cho việc xác định sulfate, một số chất lơ lững có thể loại bỏ bằng cách lọc. Hàm lượng silica trên 500 mg/l cũng cản trở việc tạo thành BaSO4. Ngoài ra, trong nước không còn ion nào kết tủa với barium trong môi trường acid mạnh nên việc xác định có thể tiến hành ở nhiệt độ thay đổi khoảng 100C. 2.4. Phương pháp xác định Cl- Nguyên tắc: hàm lượng chloride được xác định bằng phương pháp định phân thể tích, sử dụng dung dịch là nitrat bạc. Kết tủa trắng AgCl được tạo thành theo phản ứng: Ag+ + Cl-→ AgCl (Ksp = 3 x 10-10) Phản ứng xảy ra trong môi trường trung hoà hay kiềm nhẹ, với K2CrO4 là chất chỉ thị. Dựa vào sự khác biệt của tích số tan, khi thêm dung dịch AgNO3 vào mẫu, Ag+ phản ứng trước với ion Cl- tạo thành kết tủa AgCl màu trắng. Sau khi hoàn tất phản ứng tạo thành chloride bạc, lượng Ag+ dư phản ứng tiếp với CrO42- tạo thành kết tủa đỏ gạch theo phương trình sau: 2Ag+ + CrO42- → Ag2CrO4

Ksp = 5 x 10-12

==> Phản ứng chuẩn độ: Ag+ + Cl- → AgCl ↓ Phản ứng chỉ thị:

2Ag+ + CrO42- → Ag2CrO4

- Các trở ngại: sunfua, thiosulfat, sulfide có thể phản ứng với Ag+ làm sai lệch kết quả. Sulfide dễ dàng bị oxy hóa bởi H2O2 trong môi trường trung hòa. Trong môi trường kiềm, sulfur và thiosulfate không gây ảnh hưởng đáng kể. Hàm lượng sắt >10mg/l có thể che màu tại điểm kết thúc. Orthophophate, với hàm lượng > 25mg/l, tác dụng với AgNO3 làm ảnh hưởng đến kết quả.

Nhóm 1__________________________________________________________________

7

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

3. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM: 3.1. Hóa chất – dụng cụ: 3.1.1. Dùng trong thí trao đổi ion - Erlen 100ml - Beaker 100ml - Dung dịch CaCl2 - Dung dịch Na2SO4 - Dung dịch NaCl - Dung dịch MgSO4 - Máy đo pH - Máy đo độ dẫn điện 3.1.2. Dùng trong xác định hàm lượng sulfate: - Dung dịch đệm - Bariumchloride (BaCl2 ) dạng tinh thể. - Pipet 5ml: 2 - Pipet 10ml: 1 - Erlen - Máy Spectrophotometer. 3.1.3. Dùng trong xác định hàm lượng Cl-: - Becher 250 ml - Buret 25ml - Erlen 100 ml - Dung dịch AgNO3 0,0141 - Chỉ thị màu K2CrO4

Nhóm 1__________________________________________________________________

8

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

3.2. Quy trình thực hiện thí nghiệm trao đổi ion: - Cho nước cấp vào đầy bể chứa - Châm vào bể 30ml các dung dịch CaCl2, Na2SO4, NaCl, MgSO4. - Sau khi cho chạy nước qua cột, châm 10ml các dung dịch trên 10phút/lần - Do nước chỉ được chảy qua cột anion nên ta xác định nồng độ các ion SO42-,Cl-, pH, độ dẫn điện trong các mẫu nước lấy ra ở các độ cao khác nhau của cột sau khi quá trình trao đổi ion tại các thời điểm t=10 phút, 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ.

MOÂ HÌNH THÍ NGHIEÄM TRAO ÑOÅI ION

1. Beå chöùa nöôùc thoâ

95

80

v1

2. Bôm 3. Ñoàng hoà löu löôïng

145

4. Coät ANION v2

OÁng daãn nöôùc thoâ OÁng daãn nöôùc xaû

145

Van v3

4 3

145 v4 145 v5 1

95

2

Nhóm 1__________________________________________________________________

9

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

3.3. Quy trình xác định hàm lượng sulfate: - Lấy 25 ml mẫu (đã pha loãng theo tỉ lệ thích hợp) cho vào erlen 100ml - Cho thêm vào erlen 5 ml dung dịch đệm và 0,5g tinh thể BaCl 2. Lắc đều erlen cho BaCl2 tan hết - Tiến hành đo độ đục ở bước sóng 420nm. Chương trình đo 964. Thời gian đo không quá 5 phút để tránh lắng đọng kết tủa BaSO4 3.4. Quy trình xác định hàm lượng Cl-: - Lấy 50 ml mẫu (đã pha loãng theo tỉ lệ thích hợp) - Đo pH, trung hòa cho đến khi pH= 7-8 (do pH mẫu rất cao nên trung hòa bằng HNO3 loãng) - Cho chất chỉ thị vào mẫu. - Định phân bằng dung dịch AgNO3. Tại điểm kết thúc, dung dịch chuyển từ màu vàng sang màu đỏ gạch. Xác định thể tích V1 đã sử dụng - Dùng các bước trên cho mẫu trắng, xác định V0 50ml mẫu maãu

50 ml nước cất

pH= 7-8

Định phân

V AgNO3 dùng (V0, V1)

- Tính toán: Chloride

(V1 − V0 ).0,141.35 ,45.1000 (mg/l) = Vmaãu

Với: V1: Thể tích dd AgNO3 dùng định

phân mẫu

V0: Thể tích dd AgNO3 dùng định phân mẫu trắng Vmẫu: Thể tích mẫu ban đầu

Nhóm 1__________________________________________________________________

10

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

3.5. Kết quả thô: 3.5.1. Đầu vào: - [SO42-]=3356 mg/l - [Cl-]=165,5 mg/l - pH= 6,68 - EC= 1150 µS 3.5.2. Đầu ra: - [SO42-]: pha loãng 25 lần - [Cl-]: pha loãng 10 lần 3.5.2.1. t=10 phút Van

pH

EC (µS)

SO42-(mg/l)

Cl- (mg/l)

1 2

11,42 11,55

1110 1142

44,538 64,400

2,40 2,32

3 4

12,22 10,14

711 638

6,137 0,483

3,44 0,48

5

7,16

615

0,981

1,60

3.5.2.2. t=1 giờ Van

pH

EC (µS)

SO42-(mg/l)

Cl- (mg/l)

1 2

11,44 11,59

706 729

137,713 89,575

2,40 2,32

3 4

10,18 9,28

690 656

3,105 2,076

3,44 1,15

5

8,97

643

4,167

1,80

Nhóm 1__________________________________________________________________

11

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

3.5.2.2. t=2 giờ Van

pH

EC (µS)

SO42-(mg/l)

Cl- (mg/l)

1 2

9,91 9,67

893 826

82,175 92,625

4,60 4,15

3 4

8,07 9,10

888 842

40,015 5,209

3,80 2,70

5

7,09

796

13,335

2,95

3.5.2.2. t=3 giờ Van

pH

EC (µS)

SO42-(mg/l)

Cl- (mg/l)

1 2

9,23 9,25

869 862

107,125 117,625

4,80 4,00

3 4

8,72 8,26

858 799

100,680 5,765

3,65 3,30

5

8,20

729

5,835

3,05

Nhóm 1__________________________________________________________________

12

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

13

4. KẾT QUẢ: η SO42-: % SO42- được xử lý; η Cl-: % Cl- được xử lý 4.1. t=10 phút: Va n 1 2 3 4 5

pH

EC (µS)

SO42- (mg/l)

η SO42- (%)

Cl- (mg/l)

η Cl- (%)

11,42 11,55 12,22 10,14 7,16

1110 1142 711 638 615

1781,52 2576,00 245,48 19,32 39,24

46,92 23,24 92,69 99,42 98,83

113,0 109,0 165,0 17,0 73,0

31,72 34,14 0,30 89,73 55,89

2Quan hệ giữa chiều cao cột và % SO 4 được xử lý

14

120

12

100 80

10

% SO42- đư (% ợ ) cx ử lý

pH

Quan hệ giữa chiều cao cột và pH

60

8

40

6

20

1

2

3

4

5

1

2

Van

4

5

Quan hệ giữa chiều cao cột và % Clđược xử lý

Quan hệ giữa chiều cao cột và EC 120

1,2

100

1

80

% Cl- đư (% ) ợ cx ử lý

EC (mS)

3 Van

60

0,8

40 20

0,6 1

2

3

Van

4

5

1

2

3

4

Van

Nhận xét: - Do nước chỉ đi qua cột Anion mà không qua cột Cation nên pH của nước đầu ra ngày càng tăng do phản ứng: 2ROH + SO42- ↔ R2SO4 + 2OHROH + Cl- ↔ RCl + OH-

Nhóm 1__________________________________________________________________

5

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

14

Nhưng do để mẫu lâu ngoài không khí (hơn 30 phút), CO2 hòa tan vào trong mẫu nước làm cho pH của các mẫu nước lấy ở van 4 và van 5 giảm. (pH ở các van giảm dần theo chiều cao cột trao đổi ion.) - Độ dẫn điện của nước phụ thuộc vào sự có mặt của các ion trong nước. Khi nước đi qua lớp nhựa có chiều dày càng lớn (hay cột càng cao), độ dẫn điện càng giảm. Điều này chứng tỏ lượng ion trong nước giảm tương ứng theo chiều cao cột. - Sau khi qua cột trao đổi anion, nước đầu ra đã giảm lượng ion SO42-, Cl- rất lớn. Hiệu suất trao đổi có lúc lên đến trên 99%. Theo lý thuyết, hiệu suất trao đổi ion sẽ tăng theo chiều cao của cột trao đổi (hay quãng đường nước đi qua lớp nhựa trong cột). Tuy nhiên, trong khi vận hành, mô nên kết quả có vài điểm sai khác so với lý thuyết: nước qua cột trao đổi ion có chiều cao thấp hơn nhưng kết quả đo lại có hàm lượng anion thấp hơn. Nguyên nhân: phân tích mẫu không chính xác (dụng cụ chứa mẫu còn lẫn tạp chất, dụng cụ và hóa chất phân tích…), mô hình không hoàn thiện (thiếu cột Cation, nhựa chưa được tái sinh hoàn toàn hoặc nhựa chưa được rửa thật sạch sau khi tái sinh…) nhưng do mô hình không hoàn thiện là chủ yếu 4.2. t=1 giờ: Va n 1 2 3 4 5

pH

EC (µS)

SO42- (mg/l)

η SO42- (%)

Cl- (mg/l)

η Cl- (%)

11,44 11,59 10,18 9,28 8,97

706 729 690 656 643

5508,52 3583,00 124,20 83,04 166,68

-64,14 -6,76 96,30 97,53 95,03

113,0 109,0 165,0 50,5 83,0

31,72 34,14 0,30 69,49 49,85

Quan hệ giữa chiều cao cột và pH

Quan hệ giữa chiều cao cột và EC EC (mS)

14

pH

12 10 8 6 1

2

3

4

0,75 0,7 0,65 0,6 1

5

2

3

4

5

Van

Van

Quan hệ giữa chiều cao cột và % Cl được xử lý

2Quan hệ giữa chiều cao cột và % SO 4 được xử lý

80

115 85 55 25 -5 -35 -65

% SO42- đư (% ợ ) cx ử lý

% Cl- đư ợ(% ) cx ử lý

60 40 20 0

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Nhóm 1__________________________________________________________________ Van

Van

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

Nhận xét: - Theo thứ tự tăng dần độ cao của các cột trao đổi anion, nước đầu ra độ dẫn điện giảm dần. Chứng tỏ có sự trao đổi các anion trong nước. Chất lượng nước đầu ra vẫn còn ổn định khi qua cột trao đổi anion. - Lượng pH giảm theo nguyên nhân đã giải thích ở phần 4.1 - Lượng anion được trao đổi giảm. Với chiều cao cột thấp, hiệu suất trao đổi không tính được (kết quả cho giá trị âm). Tại các van lấy nước qua cột trao đổi có chiều cao lớn, hiệu suất vẫn còn cao. Điều này chứng tỏ tại các van lấy nước ứng với chiều cao cột nhỏ, nhựa trao đổi đã gần như bão hoà nên rất khó thực hiện trao đổi. Kết quả xuất hiện hiệu suất âm là do đầu vào của nước không ổn định (hóa chất được cho vào theo từng khoảng thời gian trong khi mô hình chạy liên tục, chỉ đo thành phần nước đầu vào 1 lần). Khắc phục: xác định thành phần mẫu đầu vào sau mỗi lần cho hoá chất. Ngoài ra, do nước có độ cứng và khoáng cao không qua cột trao đổi cation mà trực tiếp qua cột cation nên ion Ca2+ vẫn còn trong dung dịch và phản ứng sau sẽ xảy ra 2ROH + SO42- ↔ R2SO4 + 2OHROH + Cl- ↔ RCl + OHKhi cho nước qua cột anion, các ion HCO3-, SO42- vẫn còn chưa được trao đổi hết và pH của dung dịch cao nên kết tủa CaSO4 và CaCO3 hình thành do phản ứng: 2HCO3- + OH- → CO32- + H2O Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓ Các kết tủa này bám lên nhựa, làm giảm khả năng trao đổi ion và hư nhựa. Trong quá trình phân tích, ta thấy mẫu đầu ra bị đục chứng tỏ rằng các kết tủa này hình thành nên kết quả thí nghiệm không còn chính xác (dùng phương pháp đo độ đục để xác định SO42-). 4.3. t=2 giờ: Va n 1 2 3 4

pH

EC (µS)

SO42- (mg/l)

η SO42- (%)

Cl- (mg/l)

η Cl- (%)

9,91 9,67 8,07 9,10

893 826 888 842

3287,00 3705,00 1600,60 208,36

2,06 -10,40 52,31 93,79

223,0 200,5 183,0 128,0

-34,74 -21,15 -10,57 22,66

Nhóm 1__________________________________________________________________

15

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

5

7,09

796

533,40

84,11

Quan hệ giữa chiều cao cột và pH

15,11

Quan hệ giữa chiều cao cột và EC

0,9

EC (mS)

pH

10

140,5

16

8

6

0,85

0,8 1

2

3

4

5

1

2

Van

3

4

5

Van

Quan hệ giữa chiều cao cột và % SO 4 2- được xử lý

Quan hệ giữa chiều cao cột và % Cl - được xử lý 40

100 80 60 40 20 0 -20

% Cl- đư (% ) ợ cx ử lý

% SO42- đư lý (% ợ ) cx ử

20 0

-20 -40

1

2

3

4

5

1

Van

2

3

4

5

Van

Nhận xét: - pH ở các mẫu nước lấy tại các van ở các độ cao khác nhau trong cột trao đổi giảm dần khi chiều cao cột tăng. Nguyên nhân đã được giải thích ở phần 4.1. Tuy nhiên giá trị pH thấp hơn so với các mẫu lấy ở thời gian t= 10 phút và t = 1h. Sự chênh lệch pH giữa các độ cao của cột không còn nhiều chứng tỏ lượng OH- được giải phóng ở các độ cao khác nhau không chênh lệch nhiều. - Độ dẫn điện của nước bây giờ cao hơn 2 giờ dầu. Từ đó suy ra các anion trong nước vẫn còn nhiều. Nhưng độ dẫn điện vẫn còn giảm theo chiều cao của cột. Các tầng trên của cột trao có hiệu suất trao đổi kém. Nồng độ của ion SO42-, Cl- trong nước bây giờ rất cao. Hiệu suất trao đổi SO42 vẫn còn khá tốt tuy nhiên Cl- thì hầu như không được trao đổi ở đầu cột và chỉ được trao đổi ở cuối cột. Nước ra ở các van không ổn định. - Hiệu suất xử lý ion SO42-, Cl- có giá trị âm được giải thích ở 4.2 4.3. t=3 giờ: Va n 1 2 3

pH

EC (µS)

SO42- (mg/l)

η SO42- (%)

Cl- (mg/l)

η Cl- (%)

9,23 9,25 8,72

869 862 858

4285,00 4705,00 4027,20

-27,68 -40,20 -20,00

233,0 193,0 175,5

-40,79 -16,62 -6,04

Nhóm 1__________________________________________________________________

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

4 5

8,26 8,20

799 729

230,60 233,40

93,13 93,05

4,53 12,08

Quan hệ giữa chiều cao cột và EC

Quan hệ giữa chiều cao cột và pH 0,9

EC (mS)

9,5

pH

158,0 145,5

17

9,0 8,5 8,0

0,85 0,8 0,75 0,7

1

2

3

4

5

1

2

Van

3

4

5

Van

Quan hệ giữa chiều cao cột và % Cl - được xử lý

Quan hệ giữa chiều cao cột và % SO 4 2- được xử lý 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50

% SO42- đư lý (% ợ ) cx ử

% Cl- đư (% ) ợ cx ử lý

100 75 50 25 0 -25 -50

1

2

3

4

5

1

Van

2

3

4

5

Van

Nhận xét: - Giá trị pH bây giờ có độ kiềm nhẹ, OH- được trao đổi rất ít. Nguyên nhân pH giảm được giải thích ở 4.1 - Độ dẫn điện rất cao nhưng giảm theo chiều cao cột. - Nồng độ SO42- trong nước ở hai van cuối thấp. Ở đây, quá trình trao đổi ion vẫn còn diễn ra. Tuy nhiên, Cl- không còn được trao đổi nhiều. Nước ra bây giờ có nồng độ Cl- cao. Các tầng nhựa phía trên đã hết khả năng trao đổi. - Hiệu suất xử lý ion SO42-, Cl- có giá trị âm được giải thích ở 4.2 Đến giờ thứ 3, khả năng trao đổi anion giảm hẳn. kết quả dẫn đến pH giảm và độ dẫn diện tăng lên

Nhóm 1__________________________________________________________________

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

18

4.4. Tổng kết: Quan hệ giữa chiều cao cột và EC

Quan hệ giữa chiều cao cột và pH t=10'

pH

12,0 t=1h

10,0

t=2h

8,0 6,0

1200

EC (mS)

14,0

2

3

4

1000

t=1h

800

t=2h

600

t=3h 1

t=10'

1

5

2

5

t=3h

Quan hệ giữa chiều cao cột và % Clđược xử lý

Quan hệ giữa chiều cao cột và % SO4 2được xử lý t=10'

80

100 60

t=1h

40

t=10' t=1h

ợ cx ử lý (% )

120

0

t=2h

-40 -80 2

3

4

5

t=3h

Van

% Cl- đư

20

(% ợ ) cx ử lý

% SO42- đư

4

Van

Van

1

3

t=2h

-20 -60

t=3h

1

2

3

4

5

Van

Nhìn chung, quá trình xử lý SO42- và Cl- bằng phương pháp trao đổi ion có hiệu quả rất cao. Trong điều kiện tốt có thể xử lý các ion trên với hiệu suất trên 95%. Tuy nhiên, do mô hình không phù hợp (thíếu cột trao đổi cation và vẫn sử dụng cột trao đổi anion dạng ROH) nên trong quá trình thí nghiệm, kết quả đầu ra không còn chính xác khi vận hành trong thời gian dài (được giải thích ở 4.1; 4.2; 4.3). 4.5. Trả lời câu hỏi: 4.5.1. Giải thích sự thay đổi pH trong quá trình trao đổi ion: phần 4.1 4.5.2. Nhận xét ái lực trao đổi ion: Do kết quả của 4.1; 4.2; 4.3 ta có kết quả là ái lực của SO 42- > Cl- đối với nhựa anion kiềm mạnh ROH. 4.5.3. Xác định dung lượng trao đổi làm việc của hệ trao đổi ion sau 3 giờ chạy: Đương lượng SO42- = 48 g/eq Đương lượng Cl- = 35.5 g/eq

Nhóm 1__________________________________________________________________

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

Xét cột trao đổi anion sau 3 giờ chạy, lấy mẫu có hiệu suất trao đổi cao nhất trong hệ, nồng độ còn lại của các anion là: [SO42- ] = 233,4 mg/l [Cl-] = 145,5 mg/l Nồng độ các anion đã trao đổi: [SO42-] = 3356 - 233.4 = 3122.6 mg/l [Cl-] = 165.5 - 145.5 = 20 mg/l Dung lượng trao đổi làm việc:

SO42- = =

3122,6 48

g m3

g eq

65,1 eq/m3

g m3 = 0.6 eq/m3. Cl- = g 35,5 eq 20

Nhóm 1__________________________________________________________________

19

Báo cáo thí nghiệm – Trao đổi ion

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Standard methods for examination of water and wastewater. 19th edition 1995 2. Clair N. Sawyer, Perry L. McCarty, Gene F. Parkin: Chemistry for environmental engineering. McGraw- Hill International Edition, four edition 3. Trịnh Xuân Lai, Cấp nước – Tập 2: xử lý nước thiên nhiên cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002 4. Khoa Môi Trường – ĐHBK TP.HCM, Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm xử lý chất thải, 2002

Nhóm 1__________________________________________________________________

20