Nhiều người đã nghe nói nhiều về hạt nhựa trao đổi ion nhưng rất ít người biết hạt nhựa trao đổi ion là gì, các đặc điểm và tính chất của nó ra sao, cách thức hoạt động như thế nào. Hạt nhựa trao đổi ion được ứng dụng nhiều trong xử lý nước. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu hơn về hạt nhựa trao đổi ion và cách thức hoạt động của nó.

Thế nào là hạt nhựa trao đổi ion ?

Trao đổi ion là một phản ứng hóa học thuận nghịch mà trong đó các ion hòa tan được loại bỏ và được thay thế bởi một ion khác có cùng điện tích hoặc tương tự. Hạt nhựa trao đổi ion (hạt resin) là những hạt nhựa có chứa các ion dễ dàng trao đổi với các ion khác có trong dung dịch khi dung dịch chảy qua cột trao đổi và là những hạt nhựa không tan trong nước. Bản thân hạt này không tham gia phản ứng hóa học, hạt nhựa trao đổi ion thay vào đó là môi trường vật lý tạo điều kiện cho các phản ứng trao đổi ion. 

Cấu trúc của hạt nhựa trao đổi ion

Cấu trúc của hạt nhựa trao đổi ion  được hình thành bởi các chuỗi hydrocarbon liên kết ngang với nhau trong một quá trình gọi là trùng hợp. Liên kết ngang tạo cho polymer nhựa có cấu trúc mạnh hơn, đàn hồi hơn và công suất lớn hơn ( tùy theo thể tích). Hầu hết thành phần của các loại hạt nhựa trao đổi ion là polystyrene, một số loại được sản xuất từ ​​acrylic (có thể là acrylonitril hoặc metyl acryat). Cấu trúc cơ bản của hạt nhựa trao đổi được tạo nên từ các phân tử styrene. Cấu trúc này có tính bền vững không tan, đây là những cầu nối ba chiều giúp tạo nên cấu trúc rỗng trong các hạt trao đổi ion.

Tính chất vật lý của hạt nhựa trao đổi ion

Hình dạng phân tử, kích thước và cấu trúc của hạt nhựa trao đổi có thể thay đổi từ loại này sang loại khác. 

- Hạt nhựa trao đổi ion thường có dạng hình cầu, kích thước nhỏ và bán kính từ 0,25 - 1,25mm. 

– Màu sắc: thường sẽ mất dần sau một thời gian sử dụng. Các hạt nhựa trao đổi ion thường có một số màu như: vàng, nâu, đen…

– Hình thái: Ở dạng hình tròn có kích thước khoảng 0,04 – 1 mm

– Độ nở: Thể tích sẽ tăng khi ngâm vào trong nước

– Độ ẩm:  chia làm độ ẩm khô và độ ẩm ướt

– Tính chịu nhiệt: chịu được nhiệt độ ở giới hạn nhất định thường từ 20 – 500C sẽ cho hiệu quả làm việc tốt nhất. Nhiệt độ quá cao sẽ làm hạt nhựa bị phân giải

– Tính dẫn điện: Phụ thuộc vào dạng ion, thường chất trao đổi ion ẩm sẽ dẫn nhiệt tốt hơn

– Tính chịu oxy hóa: Hạt nhựa sẽ bị lão hóa khi tiếp xúc với những chất oxi hóa mạnh

– Tính chịu mài mòn: Có khả năng vỡ vụn trong quá trình vận hành nếu có sự cọ xát va chạm.

Có một số loại hạt nhựa trao đổi như sau:

– Hạt nhựa styrene có dạng gel màu vàng trong suốt

– Hạt macroporous trong suốt

– Hạt macroporous cation styrene màu vàng nhạt hoặc màu nâu xám

– Hạt macroporous anion styrene có màu trắng

- Hạt acrylic màu trắng hoặc trắng sữa

Ưu và nhược điểm của hạt nhựa trao đổi ion

- Ưu điểm:

+ Hạt dễ tái sinh nhiều lần, thời gian sử dụng lâu

+ Thân thiện với môi trường

+ Do hạt trao đổi ion không tham gia phản ứng, khó tan trong nước nên không ảnh hưởng đến chất lượng nước.

- Nhược điểm:

+ Chỉ sử dụng để trao đổi ion, không sử dụng để lọc các hợp chất hữu cơ khác hoặc sắt.

+ Cần loại bỏ các chất hữu cơ khác hay sắt trước khi qua hệ thống trao đổi ion để bảo vệ hạt này.

Phân loại hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion bao gồm:

- Hạt nhựa trao đổi cation: có khả năng hút ion dương từ dung dịch điện ly, mang tính acid. Các loại hạt này thường dùng để làm mềm nước. 

+ Hạt nhựa trao đổi cation axit mạnh: Hạt nhựa bao gồm một cấu trúc polystyren với nhóm chức năng sulphonate (SO 3 - ) được tích điện bằng các ion natri (Na 2+ ) để làm mềm trong các ứng dụng của nó, hoặc các ion hydro (H + ) để khử khoáng (các ion mang điện tích âm của gốc acid có thể hấp thụ những cation khác trong dung dịch acid hoặc kiềm)

Hạt nhựa trao đổi cation

+ Hạt nhựa trao đổi cation axit yếu: Hạt nhựa bao gồm một polyme acrylic đã được thủy phân bằng axit sulfuric để tạo ra các nhóm chức axit cacboxylic. Nhóm mang điện tích âm sẽ kết hợp với cation khác trong dụng dịch nên nó được sử dụng để loại bỏ có chọn lọc các cation liên quan đến độ kiềm.

- Hạt nhựa trao đổi anion: có khả năng hút ion âm từ dung dịch điện ly, mang tính kiềm. Các loại hạt này thường được sử dụng để loại bỏ nitrat hay những tạp chất hữu cơ.

+ Hạt nhựa trao đổi anion bazo mạnh: Hạt nhựa này bao gồm một cấu trúc polystyren đã trải qua quá trình clo hóa và khử amin để cố định các anion vào các vị trí trao đổi. Hạt nhựa trao đổi  được sản xuất bằng ứng dụng trimethylamine, tạo ra các ion clorua (Cl - ), Hạt nhựa trao đổi được sản xuất bằng ứng dụng dimethylethanolamine, tạo ra các ion (OH - ), chúng sẽ hấp thu các điện tích dương kết hợp với anion có trong dung dịch có môi trường pH khác nhau

Hạt nhựa trao đổi anion

+ Hạt nhựa trao đổi anion bazo yếu:  bao gồm một cấu trúc polystyren đã bị clo hóa, sau đó khử amin với dimethylamine. Hạt nhựa này không có các ion trao đổi nên được sử dụng làm chất hấp thụ axit để loại bỏ các anion liên quan đến axit khoáng mạnh.

Ứng dụng thực tế của hạt nhựa trao đổi ion

Một trong những ứng dụng của vật liệu xử lý nước hạt nhựa trao đổi ion là làm mềm nước, loại bỏ kiềm và các khoáng chất không cần thiết trong nước.

- Đối với làm mềm nước, hạt nhựa trao đổi sẽ giúp loại bỏ nước cứng bằng cách làm giảm nồng độ Ca2+, Mg2+.

- Loại bỏ các khoáng chất không cần thiết trong nước: Bari, Asen, Brom..

- Loại bỏ nitrat NO3-, ClO4-, CO32-, CN-, SO42-

Bài viết liên quan: Vật liệu xử lý nước thải

Cách thức hoạt động của hạt nhựa trao đổi ion

Trao đổi ion là sự trao đổi thuận nghịch của các hạt tích điện hoặc các ion có tính chất tương tự. Hoạt động xảy ra khi các ion có trong cấu trúc của hạt nhựa trao đổi ion không hòa tan trao đổi hiệu quả vị trí với các ion có điện tích tương tự có chứa trong môi trường dung dịch. 

Hạt nhựa hoạt động theo cách này là do các ion được cố định liên kết vĩnh viễn trong cấu trúc của hạt. Các ion tích điện này sẽ dễ dàng liên kết với các ion của điện tích trái dấu và những phản ứng này sẽ tiếp tục liên kết với các nhóm chức năng cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Nguyên tắc trao đổi ion của hạt trao đổi ion

Trong toàn bộ quá trình, nước sẽ chảy qua các hạt trao đổi ion, các nhóm chức năng của hạt sẽ thu hút bất kỳ một phản ứng nào có trong nước. Nếu các nhóm chức này có áp lực lớn hơn các nhóm ion mới so với các nhóm đã có, các ion trong dung dịch sẽ đẩy các ion hiện có và thay thế chúng, liên kết với các nhóm chức năng thông qua lực hút tĩnh điện chung. Kích thước hoặc hóa trị của ion càng lớn thì áp lực sẽ càng lớn với các ion của điện tích trái dấu.

Theo thời gian, các ion ô nhiễm liên kết với tất cả các vị trí trao đổi sẵn có trong cấu trúc nhựa. Khi nhựa đã cạn kiệt thì cần phục hồi qua quá trình tái sinh nhựa. Tùy thuộc vào từng loại nhựa mà chất tái sinh có thể là dung dịch muối hoặc axit. Trong quá trình tái sinh, hạt nhựa trao đổi ion sẽ giải phóng các ion gây ô nhiễm và hoán đổi chúng cho các ion có trong dung dịch tái sinh. Sau đó, các ion gây ô nhiễm sẽ được thải ra ngoài. Trong nhiều trường hợp, hạt nhựa trao đổi ion được rửa sạch để loại bỏ bất kỳ chất tái sinh còn sót lại sau quá trình tái sinh.

Hạt nhựa trao đổi ion bản chất là tạo ra một môi trường vật lý mà ở đó nó tạo điều kiện cho các phản ứng trao đổi ion. Hạt nhựa trao đổi ion không tham gia phản ứng, không tan trong nước nên rất an toàn.