Hạt nhựa trao đổi ion: Tìm hiểu đặc tính, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Hạt nhựa trao đổi ion là vật liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, xử lý nước, sản xuất dược phẩm, thực phẩm, … Hạt có khả năng loại bỏ những ion không mong muốn và thay thế chúng bằng các ion khác. Bài viết này, Song Phụng sẽ giúp bạn tìm hiểu sâu về tính chất vật lý, nguyên lý hoạt động, phân loại, ưu nhược điểm, … của hạt nhựa trao đổi ion. Cùng tìm hiểu nhé!

Hạt nhựa trao đổi ion là gì?

Hạt nhựa trao đổi ion là một trong những vật liệu polymer được ứng dụng phổ biến vào quá trình trao đổi ion trong hóa học và công nghiệp. Hạt nhựa có khả năng trao đổi những icon trong dung dịch với các icon có sẵn trên bề mặt hạt. Hạt nhựa trao đổi ion không tham gia trực tiếp vào các phản ứng hoá học mà còn cung cấp môi trường để thực hiện các phản ứng trao đổi ion xảy ra.

Hạt nhựa ion được làm ra từ các polymer nhựa tổng hợp như:

• Polystyrene dùng để tạo nền cho hạt nhựa trao đổi ion.
• Polyacrylic dùng để sản xuất hạt nhựa trao đổi ion, đặc biệt trong các ứng dụng đặc thù.
• Polyvinyl alcohol dùng trong một số loại hạt nhựa trao đổi ion đặc biệt.

Các polymer này được biến tính bằng cách gắn các nhóm chức năng có khả năng trao đổi ion lên bề mặt của chúng, như:

• Nhóm sulfonic (-SO₃H): Dùng cho hạt trao đổi cation.
• Nhóm carboxylic (-COOH): Cũng dùng cho hạt trao đổi cation.
• Nhóm amine (NH₂): Dùng cho hạt trao đổi anion.

Ngoài ra, nhựa trao đổi ion còn được tái sinh sau khi hết khả năng trao đổi. Do đó, sử dụng hạt nhựa vô cùng tiết kiệm chi phí và duy trì hoạt động hiệu quả.

Tính chất vật lý của các hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion có tính chất vật lý như sau:

• Hạt nhựa trao đổi ion có dạng hình cầu với kích thước nhỏ từ 0,1 đến 1 mm. Kích thước nhỏ giúp tạo ra một bề mặt lớn cho quá trình trao đổi ion và tăng khả năng tiếp xúc với dung dịch.
• Hạt có màu nâu, vàng hoặc đen. Trong quá trình sử dụng có thể mất dần màu.
• Hạt nhựa trao đổi ion sẽ tăng kích thước khi ngâm vào trong dung dịch.

• Nhựa trao đổi ion có thể chịu được nhiệt độ khoảng 20 đến 500 độ C. Khi gặp nhiệt độ quá cao, hạt sẽ bị phân huỷ.
• Hạt nhựa ion có độ bền cơ học đủ nhằm chịu được áp lực chất lỏng trong hệ thống lọc.
• Một số hạt nhựa trao đổi có thể tái sử dụng thông qua việc thực hiện quá trình hoàn nguyên bằng hóa chất hoặc muối ăn.

Nguyên lý hoạt động của các hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion hoạt động dựa trên nguyên tắc phản ứng hóa học thuận nghịch giữa các hạt mang điện tích và các ion có tính chất tương tự. Trong quá trình này, các ion hòa tan trong dung dịch bị loại bỏ và thay thế bằng các ion khác có cùng hoặc tương tự về điện tích.

Khi nước chảy qua lớp vật liệu chứa hạt trao đổi ion, các ion trong dung dịch sẽ tương tác với các nhóm chức năng trên bề mặt hạt nhựa. Quá trình này cho phép các ion trên hạt nhựa hoán đổi vị trí với các ion trong dung dịch: cation trên hạt nhựa sẽ thay thế cation trong dung dịch và tương tự, anion sẽ thay thế anion.

Hạt nhựa trao đổi ion xử lý được chất ô nhiễm nào?

Loại hạt nhựa trao đổi ion	Loại ion xử lý	Chất ô nhiễm được loại bỏ	Ứng dụng cụ thể
Hạt trao đổi cation mạnh (SAC)	Cation dương (Na+, Ca2+ Mg+)	Độ cứng (canxi, magie), sắt (Fe2+, mangan (Mn2+)	Làm mềm nước, xử lý nước uống, xử lý công nghiệp
Hạt trao đổi cation yếu (WAC)	Cation dương (H+)	Kim loại nặng (chì, đồng), sắt (Fe2+), mangan (Mn2+)	Xử lý nước công nghiệp, loại bỏ kim loại nặng
Hạt trao đổi anion mạnh (SBA)	Anion âm (Cl−, NO3−​)	Chất gây ô nhiễm hữu cơ, nitrat, sunfat, clorua	Xử lý nước uống, xử lý nước công nghiệp, loại bỏ nitrat
Hạt trao đổi anion yếu (WBA)	Anion âm (OH−)	Axit hữu cơ, silica	Xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước siêu tinh khiết
Hạt trao đổi hỗn hợp (Mixed Bed)	Cation và anion	Tổng chất rắn hòa tan (TDS), chất hữu cơ, độ dẫn điện	Xử lý nước siêu tinh khiết, hệ thống lọc cuối cùng

Phân loại các hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa Cation

Hạt nhựa cation là một trong những loại hạt trao đổi ion có khả năng loại bỏ những ion dương từ nước hoặc dung dịch khác. Chúng thường chứa các ion natri (Na⁺) hoặc proton (H⁺).

Hạt nhựa cation được dùng chủ yếu nhằm mục đích loại bỏ các ion như canxi (Ca²⁺), magiê (Mg²⁺), các icon kim loại dương, … Hạt nhựa có thể phân loại theo tính axit đó là axit mạnh và axit yếu.

Các loại cation axit mạnh:

Nhựa cation axit mạnh (SAC):

• Thành phần: Nhựa cation axit mạnh thường là chất đồng trùng hợp sulfo hóa của styren và divinylbenzene (DVB).
• Đặc điểm: Chứa hàm lượng lớn nhóm axit mạnh -SO₃H, dễ dàng tách H⁺ trong dung dịch. Nhựa SAC thường được dùng nhằm mục đích loại bỏ các ion kim loại dương có nồng độ cao.

Nhựa cation axit yếu (WAC):

• Thành phần: Nhựa cation axit yếu có cấu trúc bằng polyacrylic.
• Đặc điểm: Chứa những nhóm axit yếu như -COOH, có khả năng phân ly H⁺ và nước có tính axit. Nhựa WAC thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu loại bỏ ion trong điều kiện có độ pH thay đổi.

Nhựa SAC và WAC được sản xuất ở 2 dạng chính đó là: dạng xốp (macroporous) và dạng gel.

• Dạng xốp (macroporous): Có cấu trúc với các lỗ xốp lớn, có khả năng trao đổi ion và tiếp xúc với các dung dịch hiệu quả.
• Dạng gel: Có cấu trúc đồng nhất và ổn định, thích hợp cho những ứng dụng cần độ bền và hiệu suất ổn định.

Hạt nhựa Anion

Hạt nhựa anion là loại hạt nhựa trao đổi ion với khả năng loại bỏ những ion âm (anion) từ nước hoặc dung dịch khác. Chúng thường có chứa những ion hydroxyl (OH⁻) ha các ion anion khác như chloride (Cl⁻), sulfate (SO₄²⁻), nitrate (NO₃⁻). Hạt nhựa anion được dùng nhằm mục đích loại bỏ các ion như florua (F⁻), nitrat (NO₃⁻) và các ion âm khác từ nước.

Các loại hạt nhựa Anion:

1. Hạt nhựa anion gốc bazơ mạnh: Chứa những nhóm chức năng bazơ mạnh, như nhóm amine bậc ba (tertiary amine). Hạt có khả năng trao đổi anion như sulfate (SO₄²⁻) và chloride (Cl⁻).
2. Hạt nhựa anion gốc bazơ yếu: Chứa những nhóm chức năng bazơ yếu như nhóm amine bậc hai (secondary amine. Loại hạt này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu trao đổi anion với độ pH ổn định.
3. Hạt nhựa anion gốc cl⁻: Có chứa những ion chloride (Cl⁻) gắn vào hạt nhựa, có thể loại bỏ các anion âm khác từ dung dịch.
4. Hạt nhựa anion dạng OH⁻: Chứa các ion hydroxyl (OH⁻), dùng để trao đổi với những anion như fluoride (F⁻) và nitrat (NO₃⁻).

Hạt nhựa trao đổi ion hỗn hợp Mixbed giữa Cation (H)/ Anion (OH)

Hạt nhựa trao đổi ion hỗn hợp Mixbed là một loại vật liệu lọc đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong quá trình xử lý nước. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các ion hòa tan, giúp tạo ra nước tinh khiết với độ dẫn điện thấp.

Ưu nhược điểm hạt trao đổi ion

Ưu điểm

Hạt nhựa trao đổi ion mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong hoạt động xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp như sau: 

• Thời gian sử dụng lâu dài, có thể tái sử dụng giúp tối ưu chi phí.
• Dễ dàng lắp đặt thiết bị và vận hành hệ thống.
• Tiêu tốn ít năng lượng.
• Hệ thống thân thiện với môi trường, bởi nó chỉ hấp thu các chất có sẵn trong nước.

Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội, bạn cần phải lưu ý đến nhược điểm trong khi sử dụng đó là:

• Nếu trong nước có các hợp chất hữu cơ hoặc ion Fe3+, chúng sẽ bám dính vào các hạt nhựa ion. Khi đó, nó sẽ làm giảm khả năng trao đổi ion của nhựa.
• Chỉ dùng hạt nhựa trao đổi ion, không sử dụng để lọc các hợp chất hữu cơ hay ion Fe3+

Có thể bạn quan tâm:

• 5 vật liệu lọc nước công nghiệp hiệu quả hiện nay
• Báo giá vật liệu lọc nước chi tiết [Cập nhật mới nhất 2024]

Chu kỳ tái sinh của hạt nhựa trao đổi ion

Tái sinh các loại hạt nhựa trao đổi ion được hiểu là quá trình loại bỏ những ion mà hạt nhựa đã trao đổi trong dung dịch và khôi phục chức năng ban đầu nhằm tiếp tục sử dụng. Quá trình tái sinh góp phần tiết kiệm chi phí và gia tăng tuổi thọ.

Các bước trong chu kỳ tái sinh hạt nhựa như sau:

Bước 1: Chuẩn bị đầy đủ các loại hóa chất cần thiết

Với mỗi loại hạt nhựa, chúng ta cần phải chuẩn bị những loại hóa chất phù hợp để tái sinh.

• Đối với hạt cation hay dùng trong lọc nước thì hoá chất cần dùng là Nacl (muối ăn).
• Đối với hạt nhựa anion sẽ sử dụng xút ( NaOH).

Bước 2: Tiến hành rửa hạt nhựa

Trước khi thực hiện quá trình châm hóa chất hoàn nguyên, chúng ta cần tiến hành rửa hạt nhựa nhằm loại bỏ các cặn bẩn, hợp chất không hòa tan bám lên bề mặt của vật liệu.

Đồng thời, việc rửa sạch hạt nhựa còn giúp giảm áp suất và tăng độ giãn nở của hạt. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể thực hiện bước này bằng cách chuyển van điều khiển trên cột lọc về chế độ rửa ngược.

Bước 3: Ngâm hóa chất tái sinh

Hoá chất được sử dụng tái sinh cần được pha đậm đặc. Sau đó, nó sẽ được đưa vào cột chứa hạt trao đổi ion. Tiếp theo, chúng sẽ được ngâm trong khoảng 1 tiếng. Quá trình này giúp cho những ion trên hạt nhựa trao đổi ngược lại với các ion trong hóa chất nhằm lấy lại nhóm chức năng ban đầu của nó.

Bước 4: Rửa vật liệu

Sục rửa hệ thống bằng nước nhằm loại bỏ các hoá chất dư thừa và cặn bẩn trên bề mặt hạt. Quá trình này cũng góp phần sắp xếp các hạt nhựa ổn định, tăng hiệu quả lọc cho chu kỳ tiếp theo.

Bước này được thực hiện bằng cách luân phiên chuyển van điều khiển giữa chế độ rửa ngược (Backwash) và rửa xuôi (Fastwash) trong khoảng thời gian dưới 1 tiếng, tùy thuộc vào thiết kế hệ thống. Sau đó, chuyển về chế độ lọc (Filter) để sử dụng bình thường.

Các loại hạt nhựa trao đổi ion phổ biến trên thị trường

• Hạt nhựa anion Purolite A400: Hạt trao đổi ion base mạnh, sử dụng trong hệ thống khử khoáng. Gốc ion Cl-, khử silicat, nitrat và các ion khác. Ưu điểm của loại hạt này đó là bền, tái sinh nhiều lần với chi phí thấp, thân thiện với môi trường.

• Hạt nhựa cation Doshin Veolia: Hạt trao đổi cation acid, gốc ion Na+. Hiệu quả cao trong hoạt động xử lý nước và khử khoáng.
• Hạt nhựa anion GA13 Doshion: Hạt trao đổi anion bazo mạnh, gốc ion Cl-. Hạt có công dụng làm mềm nước, khử kim loại nặng, phù hợp với các ngành công nghiệp.
• Hạt nhựa C100 Purolite: Hạt trao đổi ion làm mềm nước, gốc ion Na+. Loại hạt này có công dụng loại bỏ ion tạo độ cứng như Ca2+, Mg2+.
• Hạt nhựa Mixbed UCW3700: Hạt nhựa hỗn hợp giữa cation và anion (H+, OH-), sử dụng phổ biến trong lĩnh vực sản xuất điện tử, chất bán dẫn, dược phẩm.
• Mixbed MB1061 UPS UP: Loại hạt này được sử dụng cho nước siêu tinh khiết trong sản xuất điện tử, bán dẫn và dược phẩm. Hiệu quả hoạt động cao nhưng chi phí đầu tư thấp.
• Hạt nhựa T42Na Ấn Độ: Hạt cation acid mạnh, gốc ion Na+, sử dụng để mềm nước và các lĩnh vực công nghiệp khác.
• Hạt nhựa Thermax Anion A23 Ấn Độ: Hạt anion gốc Cl-, chất lượng cao, dùng rộng rãi trong công nghiệp xử lý nước.

Trên đây, thiết bị ngành nước Song Phụng vừa chia sẻ đến bạn tất tần tật thông tin về hạt nhựa trao đổi ion. Hy vọng những kiến thức này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về đặc tính, nguyên lý hoạt động, các ứng dụng của chúng trong quá trình xử lý nước. Nếu bạn cần thêm thông tin hoặc tư vấn chuyên sâu, đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi nhé.

Tìm hiểu thêm: Hạt Filox Là Gì? Toàn Bộ Thông Tin Bạn Cần Biết Về Vật Liệu Lọc Này