Hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng rất nhiều trong công nghệ lọc nước, xử lý nước. Nhưng có lẽ còn nhiều người chưa hiểu được sản phẩm hạt nhựa trao đổi ion là gì? Đặc điểm của chúng ra sao? Cơ chế hoạt động như thế nào ? Trong bài viết chi tiết dưới đây sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về hạt nhựa , đặc biệt trong lĩnh vực xử lý nước cứng, nước nhiễm vôi.

Hạt nhựa trao đổi ion là gì ?

Hạt nhựa trao đổi ion ( hay còn gọi là hạt nhựa làm mềm nước),  là những hạt nhựa chứa các ion có khả năng dễ dàng trao đổi với các ion khác trong dung dịch. Khi ion trong dung dịch tiếp xúc với hạt nhựa trao đổi ion, chúng sẽ bị hấp phụ bởi các nhóm chức trên bề mặt của hạt. Đồng thời, các ion khác được giải phóng  vào dung dịch.

Quá trình trao đổi ion này chính là một phản ứng hóa học thuận nghịch, trong đó các ion hòa tan sẽ bị loại bỏ và thay thế bời các ion có cùng điện tích hoặc tương tự do hạt nhựa sinh ra. Bản thân các hạt này không tham gia vào phản ứng hóa học và không tan trong nước.

Hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng phổ biến trong các quá trình xử lý nước, lọc nước, làm giảm độ cứng và tách các ion kim loại nặng khỏi nước. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm để tách các ion và chất độc ra khỏi sản phẩm.

Cấu tạo của hạt nhựa trao đổi ion

Hầu hết các hạt nhựa trao đổi ion có thành phần hóa học là polystyrene, một số loại khác được cấu tạo từ ​​acrylic (acrylonitrile hoặc methyl acrylate). Các chất này được hình thành bởi các chuỗi hydrocacbon được liên kết ngang với nhau trong một quá trình được gọi là quá trình trùng hợp. Chính cấu trúc này giúp hạt nhựa trở lên bền vững hơn, đàn hồi hơn và có công xuất lớn hơn.

Tính chất hóa lý của vật liệu trao đổi ion

Màu sắc: Thường là màu vàng nhạt, nâu, đen.Sau một thời gian sử dụng, màu sắc của hạt có thể sẽ thay đổi hoặc nhạt dần.

Hình thái : Các hạt nhựa thường ở dạng hình cầu, kích thước khoảng 0.4 – 1mm.

Độ nở: Khi đem ngâm nước, thể tích của hạt nhựa sẽ tăng lên.

Độ ẩm: Là phần trăm khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm cao) hoặc ở dạng ướt (độ ẩm thấp).

Tính chịu nhiệt: Hạt nhựa hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ 20-50 độ C. Khi nhiệt độ cao hơn 50 độ C thì hạt nhựa sẽ bị phân giải.

Tính dẫn điện: Phụ thuộc vào dạng ion, thường thì chất trao đổi ion âm sẽ dẫn điện tốt hơn.

Tính chịu mài mòn: Trong quá trình vận hành, các hạt cọ sát lẫn nhau và nở ngót nên có khả năng gây vỡ vụn.

Tính chịu oxy hoá: Khi tiếp xúc với các chất oxy hoá mạnh, hạt nhựa có thể bị lão hoá (trơ).

Khi bị bẩn, màu sắc của hạt nhựa bị thay đổi. Sự thay đổi này tỷ lệ thuận với độ bẩn của hạt và trong trường hợp này thì khó có thể chuyển ngược được. Vì vậy ta cần sục xả cột lọc và hoàn nguyên cho hạt nhựa định kỳ,để tái tạo lại khả năng hấp thụ của hạt.

Các loại hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi cation (Cation exchange resin) : Là loại hạt nhựa có khả năng hấp phụ các ion dương trong dung dịch và thay thế chúng bằng các ion dương khác. Các loại hạt nhựa trao đổi cation phổ biến bao gồm hạt nhựa sulfonic và carboxylic.

Hạt nhựa trao đổi anion (Anion exchange resin): Là loại hạt nhựa có khả năng hấp phụ các ion âm trong dung dịch và thay thế chúng bằng các ion âm khác. Các loại hạt nhựa trao đổi anion phổ biến bao gồm hạt nhựa aminic và hạt nhựa quaternary ammonium.

Hạt nhựa đa chức (Chelating resin): Là loại hạt nhựa có khả năng hấp phụ các ion kim loại và các ion đa chức khác. Chúng thường được sử dụng để loại bỏ các chất độc hại, chẳng hạn như chì và thủy ngân.

Các loại hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp xử lý nước. Trong đó chúng được sử dụng để tách các chất hữu cơ và ion kim loại khỏi nước. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong quá trình sản xuất thuốc, thực phẩm và trong các ứng dụng y tế.

Cơ chế hoạt động của hạt nhựa trao đổi ion

Cơ chế hoạt động của hạt nhựa trao đổi ion phụ thuộc vào tính chất hoá học của chúng. Những hạt nhựa này thường được tạo ra bằng cách trùng hợp các chất đơn giản lại với nhau để tạo ra các cấu trúc mạch polymer có khả năng trao đổi ion. Các loại hạt nhựa khác nhau có tính chất khác nhau, tuy nhiên chúng đều có khả năng tương tác với các ion trong dung dịch.

Khi dung dịch chạy qua qua các hạt nhựa, các ion có tính chất tương thích sẽ bị hấp phụ vào bề mặt của các hạt nhựa. Trong quá trình này, các ion trao đổi sẽ thay thế các ion trên bề mặt hạt nhựa và được giữ lại trên các hạt nhựa. Quá trình này được gọi là quá trình trao đổi ion.

Ví dụ, trong quá trình trao đổi cation, các ion dương trong dung dịch sẽ bị hấp phụ bởi các nhóm chức cation trên bề mặt của hạt nhựa. Trong khi đó, các ion dương khác sẽ được giải phóng và được thêm vào dung dịch. Tương tự, trong quá trình trao đổi anion, các ion âm trong dung dịch sẽ bị hấp phụ bởi các nhóm chức anion trên bề mặt của hạt nhựa, trong khi đó các ion âm khác sẽ được giải phóng và được thêm vào dung dịch.

Quá trình trao đổi ion là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các ion độc hại và các chất hữu cơ khỏi dung dịch, trong các quá trình xử lý nước, sản xuất thuốc, thực phẩm và các ứng dụng y tế.

Xử lý nước cứng bằng hạt nhựa trao đổi ion

Thành phần của nước cứng chứa rất nhiều các ion Ca2+ và Mg2+, gây nhiều hệ lụy cho sức khỏe nếu phải sử dụng lâu dài . Để xử lý nước cứng bằng hạt nhựa trao đổi ion, người ta sẽ dùng loại nhựa có chứa ion dương ( anion ) là Na+ liên kết với một loại ion âm ( Cation ) nào đó. Cation đó có khả năng liên kết với ion Ca2+ và Mg2+ trong nước mạnh hơn Na+ . Khi nước cứng chảy qua cột phản ứng chứa hạt nhựa , các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ liên kết với các cation có trên bề mạt hạt, đồng thời giải phóng ion Na+ vào trong nước, giúp nước được làm mềm và tốt hơn cho sức khỏe con người.

Trong nhiều hệ lọc khử khoáng , sau khi hoàn thành bước trên người ta sẽ tiếp tục cho nước qua cột nhựa chứa ion H+ để loại bỏ đi các cation. Tiếp tục cho nước qua cột nhựa chứa ion OH- để loại bỏ anion, các ion H+ và OH- sẽ kết hợp với nhau thành nước tinh khiết ( H2O ).

Phương pháp tái sinh hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa sau một thời gian sử dụng sẽ trở lên bão hòa và gảm dần khả năng xử lý. Cách tái tạo lại tính chất ban đầu của chúng  gọi là qúa trình tái sinh ( hoàn nguyên ) cho hạt nhựa trao đổi ion.

Có thể sử dụng các dung dịch như muối ăn ( NaCl ), Xút ( NaOH), Axit Clohydrich ( HCl ) để hoàn nguyên hạt nhựa. Tuy nhiên trên thực tế phương pháp dùng dung dịch muối  ăn ( NaCl) được sử dụng phổ biến nhất do săn nguyên liệu, thực hiện dễ dàng.

Quá trình tái sinh hạt nhựa cũng là một phản ứng thuận nghịch như sau:

R2Ca + 2 NaCl ↔ 2 RNa + CaCl2

R2Mg + 2 NaCl ↔ 2 RNa + MgCl2

Chú ý :

Muối dùng trong tái sinh hạt nhựa cần dùng loại muối tinh khiết hay còn gọi là muối hoàn nguyên với hàm lượng Nacl đạt tới 99%. Không nên sử dụng các loại muối ăn thông thường vì chũng có thể lẫn các tạp chất Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, Br- … vì các tạp chất này làm giảm khả năng xử lý, thay đổi cấu trúc làm hỏng hạt nhựa.

Bảng giá một số hạt nhựa trao đổi ion

STT	Tên hạt nhựa ion	Đơn giá (vnđ/kg)
1	Hạt nhựa 220Na Ấn Độ	55000
2	Hạt nhựa Canature xuất xứ Canada	60000
3	Hạt cation Purolite C100 xuất xứ Anh	50000
4	Hạt nhựa Mixbed Trilite Hàn Quốc	60000
5	Hạt nhựa Jacobi Resinex K8	64.000
6	Hạt nhựa Trung Quốc Akualite	26.000