Đồ án Nghiên cứu quá trình trao đổi ion amoni trên nhựa C100

ản chất nhóm chức ảnh hưởng lên cân bằng của quá trình trao đổi ion. Bản chất nhóm chức trước hết thể hiện ở cường độ axit hoặc bazơ của nó. Nhóm axit yếu COO- chỉ phân ly ở pH cao, ở vùng pH thấp nó liên kết với H+ và trở nên trung hoà COOH và mất đi khả năng trao đổi. Ngược lại, nhóm axit mạnh –SO3- phân li ở mội vùng pH và vì vậy nó luôn có tác dụng trao đổi ion. Bản chất nhóm chức trong mạng cũng ảnh hưởng đến tính chọn lọc trao đổi: các ion trao đổi ưa các nhóm chức mà chúng có khả năng tạo phức hay cặp ion. Ví dụ nhóm sulfonic –SO3- ưa Ag+, nhựa có nhóm chức –COO- ưa ion kiềm thổ, các nhóm chức chelat (vòng càng) ưa các kim loại nặng. Điều này dễ nhận biết qua độ tan thấp hay phân ly yếu của muối tạo thành giữa các nhóm chức với các ion trao đổi, cụ thể bạc sulfonat, kim loại kiềm thổ cacboxylat, chelat-kim loại nặng. R- R- R- R- R- R- R- R H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Lớp cố định Lớp khuyếch tán Hình 2.1 Cấu tạo của hạt nhựa Rất nhiều loại nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất, chúng không chỉ khác nhau về bản chất hoá học và mật độ nhóm chức mà còn khác nhau về thành phần hoá học và mức độ liên kết ngang của mạch polyme nhằm tương thích với điều kiện sử dụng. Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lý khác nhau: dạng gel, dạng xốp lớn (macroporons resin), dạng xốp đều (isoporous), dạng bột mịn (micro resin) và dạng từ tính (magnetic resin). Nhựa dạng gel được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố đều trong cả mạng polyme. Nhựa được tương nở trong những điều kiện nhất định và chính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polyme. Các hạt nhựa thường dùng trong cột có kích thước 0,3 – 1,2 mm. Do quá trình động học trao đổi ion bị khống chế bởi khếch tán trong nên tốc độ trao đổi ion thường tỉ lệ nghịch với kích thước hạt. Để tăng tốc độ trao đổi ion cần sử dụng hạt có kích thước nhỏ. Dạng bột được sử dụng cho mục đích này kiểu dạng lớp lót (precoat filter), nó đóng vai trò hai chức năng: lọc và loại bỏ ion đồng thời. Nó được sử dụng để loại bỏ lượng vết bẩn của nước ngưng trong công nghiệp điện. Do mịn nên việc tổn hao áp suất rất lớn trong khi lọc và do là hỗn hợp bột của cationit và anionit nên rất khó tái sinh, thường chỉ dùng một lần là bỏ. Để khắc phục khó khăn khi thao tác với bột trao đổi ion mịn, người ta trộn thêm vào hạt một chất độn có từ tính, ví dụ với γ – Fe2O3, chúng dễ dàng tạo thành các tập hợp lớn, lắng nhanh như các hạt nhựa thông dụng, các hạt nhựa này cũng dễ dàng bị phá huỷ khi khuấy trộn. Chúng khắc phục được những khó khăn nêu trên. 2.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHỰA TRAO ĐỔI ION 2.3.1 Dung lượng trao đổi Dung lượng trao đổi ion là một thông số đặc trưng quan trọng cho một chất trao đổi, tức là thể hiện về mặt chất lượng sản phẩm. Nó là thông số quan trọng dùng để tính toán, thiết kế quá trình trao đổi ion kỹ thuật. Trong một chừng mực nào đó, dung lượng trao đổi được xem là một đại lượng đặc trưng không phụ thuộc vào ngoại cảnh hoặc phụ thuộc vào điều kiện tiến hành. Sau đây là một vài định nghĩ về dung lượng trao đổi ion[14]: Dung lượng tổng: là số nhóm chức tính bằng đương lượng gam trên một đơn vị khối lượng khô chất trao đổi hay trên một đơn vị thể tích trao đổi ở trạng thái tương nở (mđl/g hoặc mđl/l). Đại lượng này chỉ cho biết số nhóm chức tối đa mà vật liệu trao đổi có, chứ không thể hiện tính năng sử dụng của nó. Dung lượng hiệu dụng: là lượng ion trao đổi tiến hành trong điều kiện cụ thể. Trị số của đại lượng này luôn nhỏ hơn dung lượng tổng phụ thuộc vào điều kiện tiến hành như: pH, nồng độ ion cần trao đổi. Dung lượng hấp thu: một số chất điện ly, chất tan được làm giàu lên trong lòng chất trao đổi ion do quá trình hấp phụ, tạo phức cùng với quá trình trao đổi thật sự. Dung lượng hấp phụ đôi khi cao hơn dung lượng tổng. Dung lượng động: thường dùng trong trường hợp cột trao đổi ion hoạt động liên tục trong dòng chảy dưới điều kiện dòng chảy qua cột, ví dụ trong dòng nước chứa ion Ca2+ có nồng độ Co khi cho qua cột cationit dạng Na+. Khi chảy qua cột xảy qua quá trình trao đổi giữa Na+ của chất trao đổi ion với Ca2+ của nước và kết quả là nước đầu ra chỉ chứa Na+. Sau một thời gian hoạt động cột bắt đầu bảo hoà và nồng độ Ca2+ tăng dần (theo thời gian) ở đầu ra và đạt tới nồng độ Co. Cột phải dừng hoạt động trước khi nồng độ ở đầu ra đạt giá trị Co, trong thực tiễn thường là 0,05 Co mặc dù tiềm năng trao đổi ion của cột chưa cạn kiệt, vì vậy dung lượng trao đổi của khối chất trao đổi ion bị hao phí một phần. Khả năng trao đổi ion khi đó thấp hơn điều kiện tĩnh tương ứng và gọi là dung lượng động. Dung lượng động có liên quan chặc chẽ đến yếu tố động học, yếu tố động lực, thuỷ lực của dòng chảy, bản chất ion trao đổi, pH của môi trường. 2.3.2 Khả năng trương nở Khả năng trương nở là khả năng chất trao đổi ion hút dung môi làm tăng thể tích của nó lên. Khả năng trương nở của nhựa ảnh hưởng đến tốc độ, mức độ trao đổi của các ion cũng như khả năng lựa chọn của chúng. Hiện tượng trương nở được nhận biết rất rõ đối với nhựa trao đổi trong môi trường nước và một số dung môi phân cực. Khả năng trương nở của nhựa phụ thuộc vào các yếu tố: bản chất dung môi, mức độ liên kết ngang, bản chất của nhóm chức, mật độ nhóm chức, bản chất của ion trao đổi, khả năng tạo cặp ion hay liên kết giữa các ion trao đổi với nhóm chức và nồng độ ion trong dung dịch[13]. Bản chất của dung môi: các loại dung môi phân cực là các tác nhân gây trương nở cao do tương tác tốt giữa chúng với các nhóm chức phân cực và các ion trao đổi. Mức độ liên kết ngang: mức độ liên kết ngang cao làm giảm độ trương nở của nhựa. Mức độ liên kết ngang cao mạng polime càng chắc, bền, mật độ vật chất lớn. Bản chất hoá học của nhóm chức: trương tác giữa nhóm chức với dung môi càng lớn thì độ trương nở của nhựa càng cao. Độ phân li lớn cũng gây độ trương nở của nhựa cao. Mật độ nhóm chức: nhựa có mật độ nhóm chức cao, dung lượng ion trao đổi lớn chứa nhiều ion trao đổi, khi đó khuynh hướng pha loãng trong mao quản tăng. Vì vậy nhựa có dung lượng trao đổi cao sẽ trương nở tốt hơn loại có dung lượng trao đổi thấp. Bản chất của ion trao đổi: đối với nhựa có mức độ liên kết ngang vừa phải và cao thì trong nhựa nước tồn tại dạng vỏ hydrat. Khi đó độ lớn của ion và khả năng tạo vỏ hydrat ở dung dịch ngoài là yếu tố ảnh hưởng đến độ trương nở. Khi trao đổi một ion đối ở ngoài dung dịch sẽ trao đổi với ion của nhựa, nếu ion ấy có vỏ hydrat lớn hơn của ion bên trong thì khả năng trưong nở sẽ tăng lên và ngược lại. Các ion có hoá trị cao hơn thì có khả năng tăng độ trương nở nhiều hơn do vỏ hydrat của chúng lớn hơn. Với các nhựa có độ liên kết ngang thấp, chất lỏng trong nhựa chủ yếu nằm ở trạng thái tự do thì hoá trị của ion trao đổi đóng vai trò quan trọng. Các ion có hoá trị cao làm giảm độ trương nở do một ion đối hoá trị cao có thể chiếm chỗ hai hay nhiều hoặc nhiều ion của mạng. Khả năng tạo cặp ion: nếu ion trao đổi có khả năng tạo cặp ion bền hoặc tạo phức với nhóm chức thì độ trương nở của nhựa giảm do quá trình hydrat hoá và giảm áp suất thẩm thấu. Nồng độ ion trong dung dịch: trong trạng thái cân bằng trao đổi ion với dung dịch, nhựa có độ trương nở cao khi dung dịch càng loãng vì khả năng trao đổi trong hạt nhựa tăng. Tóm lại khả năng trao đổi của nhựa ảnh hưởng bởi các yếu tố: - Dung môi phân cực. - Độ liên kết ngang của nhựa thấp. - Nhựa có dung lượng trao đổi cao. - Khuynh hướng tạo lớp vỏ cao của nhóm chức. - Các ion trao đổi có kích thướt lớn và khả năng tạo vỏ lớn. - Các ion trao đổi có hoá trị thấp. - Khả năng phân li cao của các nhóm chức. - Nồng độ ion ngoài dung dịch thấp. 2.3.3 Cân bằng trao đổi ion Cân bằng trao đổi ion xảy ra khi một chất trao đổi ion tiếp xúc với một dung dịch chất điện ly, ion trao đổi trong dung dịch và trong nhựa trao đổi có bản chất khác nhau. Giả sử nhựa trao đổi chứa ion trao đổi là A, ion trao đổi trong dung dịch là B. Quá trình trao đổi diễn ra: –R-A + B –R-B + A (2.20) –R là dạng polyme chứa nhóm chức. Trong trạng thái cân bằng các ion A, B có mặt cả trong dung dịch lẫn trong chất trao đổi ion. Trao đổi ion là quá trình thuận nghịch và vì vậy rất khó phân biệt cân bằng là tiệm cận phía nào, tức là A trao đổi với B hay ngược lại. Tuy nhiên sự phân bố của A và B trong hai pha ở trạng thái cân bằng là như nhau đối với cả hai trường hợp miễn là tổng nồng độ của chúng trong hệ không thay đổi. Tỷ lệ nồng độ của hai ion trong từng pha là khác nhau. 2.3.3.1 Đẳng nhiệt trao đổi ion, hệ số tách, hệ số chọn lọc[13] Đẳng nhịêt trao đổi ion: là một đại lượng mô tả đẳng nhiệt trao đổi ion của hệ. Đẳng nhiệt mô tả tương quan giữa nồng độ của ion trao đổi trong nhựa và ngoài dung dịch tại một nhiệt độ không đổi và có thể bao quát cả các điều kiện ngoài ảnh hưởng lên nó (ví dụ pH, nhiệt độ, nồng độ các ion lạ…). Nồng độ ion có thể biểu diễn theo nhiều cách khác nhau, tiện lợi hơn cả là theo mol phần tương đương được định nghiã cho ion A: XA (2.21) XA= (2.22) A, B,…i là các ion trao đổi ZA, ZB, Zi là hoá trị tương ứng của A, B, i. mA, mB, mi là mol phần của A, B, i. Biểu thức (2.22) là biểu thức tổng quát cho một hệ có i cấu tử. Đường đồ thị đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của mol phần tương đương của ion trao đổi A trong nhựa. Trong một hệ mà chất trao đổi ion có độ chọn lọc của ion A và B là như nhau thì mol phần của A có cùng giá trị ở cả hai pha, khi đó đẳng nhiệt là đường thẳng đi qua góc toạ độ. Nếu độ chọn lọc đối với A cao hơn thì đường đẳng nhiệt nằm trên đường thẳng, còn nếu A ít chọn lọc hơn B thì đường đẳng nhiệt nằm phía dưới (hình 2.2). Các đường đẳng nhiệt đều xuất phát từ điểm gốc và kết thúc ở góc phải của hình vuông, vì trong trạng thái cân bằng sự vắng mặt của một loại ion trao đổi trong dung dịch thì đồng thời ion đó cũng không có mặt trong chất trao đổi ion. Mặt khác khi một hệ có tính chọn lọc thì đường đẳng nhiệt không trùng hợp với đường chéo. Tính chọn lọc của chất trao đổi ion đối với một ion trao đổi được thể hiện qua hệ số tách, nó thuận lợi trong ứng dụng thực tiễn, ví dụ trong tính toán công suất của cột trao đổi ion. Hình 2.2 Đẳng nhiệt trao đổi ion và hệ số tách 1 0,5 0 0,5 1 0.75 I II Hệ số tách: hệ số tách được định nghĩa (2.23) Hệ số tách là tỷ số của tỷ lệ nồng độ của hai ion trong nhựa và trong dung dịch (). Nếu độ chọn lọc trao đổi với A lớn hơn thì giá trị của lớn hơn 1, nếu đối với B lớn hơn thì giá trị nhỏ hơn 1. Giá trị này không bị tác động bởi đơn vị của nồng độ. Từ đường đẳng nhiệt trao đổi và biểu thức (2.2) cho thấy mối quan hệ giữa đường đẳng nhiệt và hệ số tách: nó là tỷ lệ diện tích hình chữ nhật nằm trên và nằm dưới hình chữ nhật cắt nhau tại điểm của đường đẳng nhiệt ứng với nồng độ của ion trao đổi trong dung dịch. Trong hình (2.2) nó là tỷ lệ diện tích giữa hình I và II tại XA bằng 0,75. Giá trị này không đổi trên từng vị trí của đường đẳng nhiệt, tức là tại bất kỳ giá trị nào của XA, nó chỉ phụ thuộc vào thế đẳng nhiệt của hệ. Tuy nhiên trong thực tế giá trị của nó thay đổi theo nồng độ trong dung dịch, vào thành phần mol của ion trao đổi và một số yếu tố khác. Hệ số chọn lọc: biểu thị tính chọn lọc của nhựa trao đổi với một ion đối nào đó. (2.24) Hệ số này có liên quan mật thiết với hệ số tách Khi ZA = ZB thì Khi ZA = ZB = 1 thì Khi ZA ≠ ZB thì 2.3.3.2 Tính chọn lọc Khả năng trao đổi và tính chọn lọc của nhựa trao đổi có vai trò quan trọng trong việc sử dụng chúng. Các ion có hoá trị cao trao đổi tốt hơn các ion có hoá trị thấp, dung dịch loãng tốt hơn dung dịch đặc và nhựa có dung lượng cao tốt hơn nhựa có dung lượng thấp. Các ion có vỏ hydrat nhỏ tốt hơn các ion có vỏ hydrat lớn, do vỏ hydrat lớn có khả năng che chắn lực tương tác tĩnh điện tốt. Khả năng trao đổi dãy kim loại kiềm tăng từ Li+ đến CS+ vì bán kính tăng mật độ điện tích và độ lớn của lớp vỏ hydrat giảm. Các tương tác đặc thù giữa ion và nhóm chức của nhựa tạo điều kiện tăng cường tính chọn lọc như tạo cặp ion, liên kết hoá học, cộng hợp, tạo chất kết tủa. Đối với phần lớn cationit tính chọn lọc tuân theo dãy: Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>UO22+>Ti2+> Ag+>Cs+>Rb+>NH4+>Na+>Li+ Đối với anionit tính chọn lọc có thể sắp xếp theo: Citrat>SO42->Oxalat>I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Fomat >Axetat>F- Trong thực tiễn tính chọn lọc đôi khi sắp xếp một cách định tính đối với từng loại chất trao đổi ion[13]. Đối với nhựa cationit gốc axit sufonic: Fe3+ >Al3+ >Ca2+ La3+ >Y3+ >Ba2+ Th4+ >La3+ >Ce2+ >Na+ Ac3+ >La3+ Mg2+ >Be2+ Đối với cationit yếu gốc axit cacboxylic: H+ >Ca2+ >Mg2+> K+> Na+ Đối với anionit mạnh gốc amin bậc 4: NO3- >CrO42- >Br- >SCN- >Cl- Đối với nhựa anionit yếu gốc poliamin: OH- >SO42- >CrO42- >NO3- >PO43- >MoO42- >HCO3- >Br- >Cl- >F- Đối với nhựa vòng càng gốc axit imidodiaxetic: Cu2+>>Pb2+>Fe3+>Al3+>Cr3+>Ni2+>Zn2+>Ag+>Co2+>Cd2+>Fe2+>Mn2+ >Ba2+>Ca2+>>Na+. Ngoài các đại lượng đặc trưng đã nêu người ta còn sử dụng một số đại lượng khác như hằng số cân bằng, hệ số phân bố để đặc trưng cho khả năng trao đổi và tính chọn lọc trao đổi của một hệ. 2.4 CƠ CHẾ ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION[13] Quá trình trao đổi ion xảy ra theo nhiều bước nối tiếp nhau bao gồm: - Khuyếch tán ion từ nhân của của dòng chất lỏng đến lớp màng bao quanh hạt nhựa trao đổi ion. - Khuyếch tán các ion qua lớp màng. - Khuếch tán ion vào trong hạt nhựa tới các trung tâm trao đổi. - Phản ứng hoá học trao đổi ion. - Khuyếch tán ion được đẩy ra từ vị trí trao đổi ra ngoài hạt nhựa tới bề mặt trong của màng chất lỏng. - Khuyếch tán ion được đẩy ra qua lớp màng. - Khuyếch tán ion được đẩy ra vào nhân của dòng chất lỏng. Tốc độ của quá trình trao đổi được quyết định bởi giai đoạn nào chậm nhất trong các giai đoạn trên. Đó là quá trình khuyếch tán trong màng chất lỏng hay khuyếch tán trong hạt trao đổi, còn quá trình phản ứng trao đổi ion xảy ra rất nhanh, không ảnh hưởng đến tốc độ tổng của quá trình. Trong dung dịch loãng (thường 0,1M) khuyếch tán trong hạt kiểm soát tốc độ tổng của quá trình trao đổi. 2.5 CỘT TRAO ĐỔI ION Phần lớn quá trình trao đổi ion được thực hiện trong cột. Một dung dịch chảy qua cột chứa hạt trao đổi ion. Thành phần hoá học của dung dịch thay đổi do trao đổi ion hay quá trình hấp thu. Thành phần của dung dịch đầu ra và sự thay đổi của nó theo thời gian phụ thuộc vào tính chất của nhựa trao đổi (dạng ion, dung lượng, độ liên kết ngang,cỡ hạt…) vào thành phần của đầu vào, vào các điều kiện vận hành (tốc độ dòng, nhiệt độ,…). 2.5.1 Quá trình trao đổi ion trong cột[13] Trao đổi ion để loại bỏ một ion nào đó từ dung dịch thay thế nó bằng một ion khác. Những ứng dụng điển hình trong công nghệ xử lý nước, nước thải: làm mềm nước, thu hồi kim loại từ nước thải, xử lý nước thải chứa phóng xạ, tái sinh dung dịch mạ… Quá trình trao đổi ion về nghiên tắc có thể tiến hành theo từng mẻ bằng cách cho chất trao đổi ion dạng A tiếp xúc với dung dịch chứa ion cần trao đổi B. Tuy nhiên hệ đạt cân bằng khi B vẫn còn dư lại trong dung dịch. Để loại bỏ hết được B, quá trình trên phải lặp lại nhiều lần hoặc sử dụng một lượng chất trao đổi ion rất lớn hoặc nhiều lần thao tác với chất trao đổi ion mới. Trong cột điều kiện thuận lợi hơn nhiều. Khi chuyển động trong cột, dung dịch luôn tiếp xúc với lớp nhựa trao đổi mới hoàn toàn nằm ở dạng A nên hầu hết ion được trao đổi khi dung dịch ra khỏi cột. Vì vậy các quá trình trao đổi ion trong thực tiễn thường được thực hiện trong cột. Khi cho một dung dịch chảy qua khỏi cột chứa hạt trao đổi ion, thành phần hoá học của dung dịch thay đổi do trao đổi ion hay quá trình hấp thu. Khi dung dịch vừa được đưa vào cột, quá trình trao đổi ion giữa A và B lập tức xảy ra ngay trong lớp mỏng ở đầu cột. Dung dịch khi này chứa A và tiếp tục dịch chuyển sâu vào trong cột mà không thay đổi thành phần hoá học. Nếu dung dịch tiếp tục đưa vào trong cột thì đoạn cột đầu vẫn tiếp xúc với dung dịch mới chứa B. Đến một lúc nào đó, chất trao đổi ion ở vùng đó hết khả năng trao đổi vì tất cả đã chuyển thành dạng B, vùng đó dịch chuyển dần theo dòng chảy và tới một lúc nào đó đạt tới vị trí cuối cột, toàn bộ cột đã được sử dụng hết, thành phần hoá học của dung dịch tại đầu vào và ra giống nhau. Sự xuất hiện của B tại cuối cột được gọi là “thoát” ra khỏi cột với nồng độ tăng dần theo thời gian và đạt giá trị nồng độ của đầu vào. Cột trao đổi ion thường làm việc trước khi nồng độ của B thoát ra khỏi cột, tuy vậy rất khó biết khi nào nó thoát mà chỉ có thể biết nó đang thoát ra (đo được) ở nồng độ nào, tức là khi nó đã thoát. Và cột sẽ hoạt động cho tới khi nồng độ thoát của một cấu tử nào đó đạt đến một giá trị qui định. Khi cột hết khả năng làm việc nó cần được tái sinh với chính dung dịch chất điện ly chứa A. Đường cong thoát được thiết kế để mô tả sự tăng nồng độ của ion cần trao đổi trong dung dịch ở điểm cuối của cột theo thời gian. Trục tung biểu diễn tỷ lệ nồng độ đầu ra so với đầu vào (C/Co ≤ 1), trục hoành là đại lượng thời gian (biết tốc độ thể tích của dòng) hoặc thể tích của dung dịch đã chảy qua cột (tích số của tốc độ thể tích với thời gian) hoặc là thể tích tính theo thể tích của tầng chất trao đổi ion (tỉ lệ thể tích dung dịch chảy qua và thể tích của tầng hạt nhựa). C/Co c a b h i Thời gian làm việc của cột e d ct Hình2.3 Đường cong thoát trao đổi ion Từ đường cong thoát có thể thu được các thông tin sau đây: - Dung lượng tổng của cột tỷ lệ thuận với diện tích ahed, - Dung lượng động (thoát) tỷ lệ thuận với diện tích abied, - Dung lượng hao hụt tỷ lệ với diện tích ibh. Tại thời điểm thoát, lớp chất trao đổi ion ở phía đầu ra chưa hoàn toàn chuyển về dạng B, tức là nó chưa được sử dụng hết mặc dù quá trình trao đổi đã kết thúc. So với dung lượng trao đổi của lượng nhựa trong cột, dung lượng sử dụng được gọi là dung lượng động, tỷ lệ giữa dung lượng động và dung lượng tổng (tĩnh) chính là hiệu xuất sử dụng cột. Dung lượng tổng của cột được xác định bởi loại chất trao đổi ion sử dụng và khối lượng của nó trong cột. Dung lượng động thì phụ thuộc vào bản chất của quá trình (tốc độ dòng chảy, kích thướt của cột, nồng độ chất trao đổi ion ban đầu, kích thướt của hạt trao đổi), vào điều kiện thao tác cũng như đồi hỏi về chất lượng của quá trình (giá trị nồng độ thoát). Mục tiêu của nghiên cứu là sử dụng tối đa dung lượng tĩnh, tức là hiệu suất sử dụng cột cao nhất. Hiệu suất sử dụng cột cao nếu bề rộng của đường cong thoát hoặc giải phân bố nồng độ hẹp, hiệu suất sử dụng cột là 100% nếu đường cong thoát có dạng thẳng đứng vuông góc với trục hoành, ứng với trường hợp lý tưởng, mọi quá trình động học trong đó xảy ra rất nhanh. Nếu trong động lực hấp phụ yếu tố dạng của đường đẳng nhiệt (lồi, lõm, tuyến tính) ảnh hưởng đến độ dãn của dải thì trong cột trao đổi ion, tính chọn lọc là yếu tố ảnh hưởng. Dải phân bố của A và B càng rõ (tách lời nhau) khi độ chọn lọc của chất trao đổi ion đối với B càng cao. Trao đổi ion là một quá trình cân bằng tỉ lượng nên không trao đổi tất cả nồng độ của các ion trao đổi của pha tĩnh lẫn pha động. Nếu không xảy ra quá trình trao đổi thì nồng độ của ion trong dung dịch trong cột chính là nồng độ đầu vào Co và nồng độ của ion trong nhựa chính là nồng độ của nhóm chức Co. Hệ số phân bố của A và B trong dải nồng độ của từng ion (chỉ có mặt một loại ion) là bằng nhau, không phụ thuộc vào ion trao đổi, có giá trị là λ = C/Co. A và B chuyển động cùng một tốc độ trong vùng riêng của nó. Tốc độ dịch chuyển của dải (A và B) tăng khi tăng nồng độ đầu vào (của B) và chậm khi nồng độ nhóm chức cao và tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy. Trong vùng xen phủ của hai dải nồng độ ta có hình ảnh khác: hai ion trao đổi cạnh trạnh với nhau, ion nào có độ chọn lọc cao sẽ được nhựa “ưu” hơn và vì vậy nó chuyển động chậm. Điều đó cũng luôn đúng đối với hệ có nhiều loại ion trao đổi. Hiệu ứng này ảnh hưởng đến khả năng thu gọn hay dãn rộng dải nồng độ của các ion. 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion trong cột Hiệu suất sử dụng cột trao đổi được nâng cao qua lựu chọn được loại nhựa thích hợp (nhựa có độ chọn lọc cao với ion cần trao đổi và các yếu tố vận hành khác). Tuy nhiên khi đó nảy sinh khó khoăn trong gian đoạn tái sinh sau đó, vì dung dịch tái sinh chứa đúng loại ion trao đổi mà nhựa ít ưa chuộng hoặc ít nhất sau khi tái sinh độ chọn lọc của nhựa cũng không còn nghiên vẹn. Tốc độ trao đổi và điều kiện vận hành cũng ảnh hưởng lên điều kiện hoạt động của cột, nó tác động trực tiếp lên bề rộng của các dải nồng độ và khoảng cách giữa chúng. Hệ trao đổi có tốc độ cao là hệ có nhựa trao đổi có kích thước nhỏ và độ liên kết ngang thấp (khuyếch tán trong chậm nhất) và làm việc ở nhiệt độ cao (thúc đẩy quá trình khuyếch tán). Tuy vậy điều kiện thuận lợi về tốc độ lại gây khó khoăn khác: hạt nhựa kích thướt nhỏ làm tăng trở lực của cột, nhựa có độ liên kết ngang thấp thì độ trương nở lớn làm giảm hiệu suất sử dụng thể tích của cột, dễ tạo ra rãnh trống và dung lượng trao đổi tính theo thể tích thấp. Nhựa có dung lượng thấp gây ra sự chuyển động nhanh của dải nồng độ. Nhiệt độ cao làm giảm tính chọn lọc của nhựa và có thể thúc đẩy các phản ứng hoá học không mong muốn. Cấu trúc hình học của cột trao đổi cũng ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình trao đổi ion trong cột. Cột trao đổi có chiều cao lớn (cùng tiết diện) làm tăng dung lượng động cũng như dung lượng tĩnh. Nếu điều kiện cân bằng là thuận lợi (B chọn lọc hơn A) và dải nồng độ ở trạng thái ổn định thì cả hai dung lượng tăng khi chiều cao của cột tăng. Hiệu suất sử dụng cột tăng và sẽ đạt tới giá trị gần 100%. Trong trường hợp cân bằng trao đổi không thuận lợi (A chọn lọc lớn hơn B) thì cột càng dài bề rộng dải nồng độ cũng tăng, bởi vậy cột cao đến quá một mức độ nào đó không cải thiện được hiệu suất sử dụng cột. Độ dài của cột tăng dẫn đến lượng nhựa sử dụng lớn và tổn thất áp lực lớn. Một yếu tố ảnh hưởng khác là tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính của cột. Tỷ lệ này lớn (cùng thể tích và cùng tốc độ dòng) làm tăng hiệu quả sử dụng cột nếu cân bằng trao đổi là thuận lợi và ít ảnh hưởng nếu cân bằng trao đổi là không thuận lợi. Yếu điểm của nó là tổn hao áp lực lớn. Mặc khác nếu đường kính (tiết diện) của cột quá nhỏ sẽ gây xáo trộn dòng do phân bố khó điều. Một số yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng cột như việc bố trí tầng chất trao đổi ion, các vấn đề thuỷ động lực. Bố trí một tầng hạt cũng là yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng cột. * Như vậy để đạt hiệu quả sử dụng cột cao cần: + Chất trao đổi ion có độ chọn lọc cao với ion cần trao đổi trong dung dịch. + Hạt nhựa nhỏ và đều. + Nhựa có dung lượng trao đổi tính theo thể tích lớn. + Nhựa có độ liên kết ngang thấp. + Nhiệt độ cao. + Tốc độ dòng chảy nhỏ. + Nồng độ ion trao đổi trong dung dịch nhỏ. + Chiều cao cột và tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính của cột lớn. Tuy nhiên các hiệu ứng trên mang lại một số hiệu quả trái chiều. 2.5.3 Tính toán thiết kế cột trao đổi ion[13] Khi thiết kế một cột trao đổi ion cần tính toán được các thông số sau + Thể tích của tầng chất trao đổi ion. + Chu kỳ hoạt động của nhựa trao đổi, tức là thời gian hoạt động của cột đến khi nó hết khả năng trao đổi. + Tốc độ dòng chảy qua cột. + Lượng chất tái sinh và chế độ tái sinh. + Tính toán kích thướt cột trao đổi. ─ Chọn loại nhựa và dung lượng trao đổi Nhựa trao đổi có nhiều dạng, dung lượng trao đổi của nó được các nhà sản xuất đánh giá và công bố. Do cột trao đổi hoạt động chủ yếu sau những lần tái sinh nên dung lượng hoạt động của nó khó đạt được giá trị ghi trong các nhãn hàng hoá mà phụ thuộc vào chế độ tái sinh, tái sinh kỹ sẽ tăng được dung lượng hoạt động nhưng hao nhiều chất tái sinh, vì vậy người ta chọn một chế độ tái sinh vừa phải, hài hoà giữa hai yếu tố đó. Với cationit mạnh dung lượng hoạt động nằm trong khoảng 0.9 - 1.4 đl/l, anionit mạnh có dung lượng hoạt động trong khoảng 0.4 - 0.8 đl/l. ─ Thể tích tầng chất trao đổi ion Thể tích tầng chất trao đổi ion phụ thuộc vào tốc độ trao đổi, tốc độ lớn cần thể tích tầng nhựa nhỏ và ngược lại. Thể tích tầng nhựa tính toán dựa trên đặc trưng thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng tR (empty bed contact time): (2.25) Trong đó: Q là tốc độ thể tích của chất lỏng (m3/h), VR là thể tích của tầng nhựa bao gồm cả khoảng không gian trống giữa các hạt. Giá trị tR thiết kế thường nằm trong khoảng 1,5 - 1,7 phút. Giá trị dòng chảy vF (hay BV) là giá trị nghịch đảo của tR. (2.26) Tốc độ vF có thể tính theo m3.m-3.h-1 hay nghịch đảo của thời gian h-1. Với đơn vị h-1 thì được hiểu là trong một giờ thể tích lượng nước chảy qua cột gấp bao nhiêu lần thể tích của tầng nhựa. vF thường được thiết kế với giá trị từ 8 – 40 m3.m-3.h-1. ─ Chu kỳ hoạt động Muốn tính được chu kỳ hoạt động cần phải biết được đương lượng ion trao đổi trong dung dịch, dung lượng hoạt động của nhựa, tốc độ thể tích của dòng và thể tích tầng nhựa. Từ mối quan hệ: (2.27) Trong đó: aR là