Tái sinh nhựa trao đổi ion là gì

Tái sinh nhựa trao đổi ion là quá trình nạp lại đầy đủ nhóm ion hoạt tính đã cạn kiệt của hạt nhựa trao đổi ion và loại bỏ các ion thu được trong chu kỳ lọc cho phép nhựa trao đổi ion có thể tiếp tục được sử dụng một chu kỳ lọc mới.

Quy trình tái sinh nhựa trao đổi ion

Tái sinh nhựa trao đổi ion bao gồm nhiều quá trình: Rửa ngược, ngâm hóa chất tái sinh, rửa chậm và rửa nhanh

Bước đầu tiên trong quá trình tái sinh là rửa ngược hệ thống bằng cách cho nước chảy ngược qua đáy cột. Điều này giúp đánh bật bụi bẩn, mảnh vụn và các vật liệu không hòa tan khác. Nó cũng giúp loại bỏ các túi khí trong cột và phân loại lại nhựa. Rửa ngược là cần thiết để giảm thiểu áp suất giảm. Rửa ngược thông thường chỉ được thực hiện trong các hệ thống đồng dòng. Trong các hệ thống dòng chảy ngược, rửa ngược chỉ được thực hiện khi có yêu cầu.

Cột nhựa trao đổi ion sau đó được ngâm bằng dung dịch muối hoặc hóa chất tái sinh khác. Bước này loại bỏ độ cứng hoặc các ion khác và khôi phục nhựa trả lại dạng bắt đầu cần thiết để bắt đầu một chu kỳ dịch vụ mới.

Sau khi tái sinh, bước rửa chậm tiếp tục đẩy chất tái sinh qua cột để tiếp tục chuyển đổi và loại bỏ chất tái sinh khỏi hệ thống.

Rửa nhanh là bước rửa cuối cùng với nước thô để đảm bảo chất lượng nước được đáp ứng sau khi tái sinh nhựa trao đổi ion. Trong các hệ thống dòng chảy ngược, có thể có một bước tái chế thay thế cho việc rửa nhanh. Tái chế giữa nhựa cation và nhựa anion sẽ loại bỏ mọi hóa chất tái sinh còn lại.

Sau khi rửa, nhựa trao đổi ion được đưa trở lại để lọc. Tổng thời gian để tái sinh là <2 giờ và tổng lượng nước sử dụng là khoảng  7 x thể tích nhựa: 15l = 105 l (50 gal/ft3).

Khi một hệ thống nhựa trao đổi ion được tái sinh, chỉ có khoảng 60-80% tổng công suất nhựa trao đổi ion được phục hồi. Một số ion cứng hoặc nguyên tố để lại trên và trong nhựa. Khi tiếp tục lọc, một số hợp chất còn lại sẽ lọc nhựa và đi vào nước thải, điều này được gọi là rò rỉ.

Bài viết tham khảo:

• Nhựa trao đổi ion là gì – Các loại nhựa trao đổi ion
• Nhựa trao đổi anion là gì

Các phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion

Hầu hết các loại nhựa trao đổi ion được sử dụng trong các cột. Hoạt động trao đổi ion về cơ bản là không liên tục: một giai đoạn lọc được gọi là giai đoạn dịch vụ và giai đoạn tái sinh các loại nhựa đã cạn kiệt nhóm hoạt tính.

Có 2 phương pháp chính cho quá trình tái sinh nhựa trao đổi ion:

• Tái sinh nhựa trao đổi ion đồng dòng: Chất lỏng chảy từ đỉnh xuống dưới cùng của cột cả trong quá trình dịch vụ cũng như quá trình tái sinh
• Tái sinh nhựa trao đổi ion dòng chảy ngược: Chất lỏng chảy luân phiên lên xuống trong quá trình dịch vụ và tái sinh

Tái sinh nhựa trao đổi ion đồng dòng CFR

Kỹ thuật tái sinh nhựa trao đổi ion này đã được sử dụng khi bắt đầu trao đổi ion: giải pháp xử lý dòng chảy từ đỉnh đến đáy cột và chất tái sinh sử dụng cùng một đường dẫn.

Vấn đề là nhựa có tính axit mạnh và bazo mạnh không được chuyển đổi hoàn toàn thành dạng H hoặc OH khi kết thúc quá trình tái sinh, bởi vì điều này đòi hỏi một lượng quá lớn chất tái sinh hóa học. Do đó, các lớp dưới cùng của lớp nhựa bị ô nhiễm nhiều hơn các lớp trên cùng khi kết thúc quá trình tái sinh, do đó khi quá trình tải tiếp theo bắt đầu, sự rò rỉ cao do sự dịch chuyển của các ion gây ô nhiễm bởi H⁺ hoặc các ion OH^– được tạo ra trong quá trình trao đổi.

                            Tái sinh nhựa trao đổi ion đồng dòng CFR

Vùng tối trong hình biểu thị tỷ lệ nhựa đã cạn kiệt, vùng màu vàng tỷ lệ nhựa tái sinh.

Với tái sinh nhựa trao đổi ion đồng dòng CFR cách duy nhất để giảm rò rĩ vĩnh viễn là tăng số lượng chất tái sinh để ít các ion gây ô nhiễm ở đầu ra của cột

Tái sinh nhựa trao đổi ion dòng chảy ngược RFR

Với phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion dòng chảy ngược chất tái sinh được đưa vào theo hướng ngược lại của dòng dịch vụ. Có 2 trường hợp:

• Dịch vụ ngược dòng và tái sinh nhựa trao đổi ion dòng xuôi từ trên xuống

• Dịch vụ theo hướng từ trên xuống và tái sinh nhựa trao đổi ion dòng chảy ngược.

Trong trường hợp này chất tái sinh không phải đẩy các ion gây ô nhiễm qua toàn bộ lớp nhựa. Các lớp ít cạn kiệt sẽ được tái tạo trước và sẽ sạch nhất khi quá trình tiếp theo bắt đầu.

Tái sinh dòng chảy ngược  giúp:

1. Nước được xử lý có độ tinh khiết cao hơn nhiều cho với cách tái sinh nhựa trao đổi ion đồng dòng do rò rỉ rất thấp
2. Cần ít chất tái sinh hơn vì các ion gây ô nhiễm không  phải được đẩy qua toàn bộ cột nhựa và sự rò rỉ gần như không phụ thuộc vào liều tái sinh.

Toàn bộ tác dụng của quá trình tái sinh nhựa trao đổi ion dòng chảy ngược phụ thuộc vào các lớp nhựa không bị xáo trộn. Nhựa có mức độ tái sinh cao nhất phải luôn luôn ở đầu ra của cột. Do đó, các lớp nhựa không nên rửa ngược trước khi tái sinh và không cho phép để tồn tại chất lỏng bất kỳ lúc nào. Vì vậy các cột được lấp đầy hoàn toàn bằng nhựa hoặc các lớp nhựa được giữ trong quá trình tái sinh.

Khi kết thúc quá trình tái sinh nhựa trao đổi ion, lớp thoát của cột được tái sinh trong CFR có nồng độ tạp chất cao nhất trong khi ở RFR lớp thoát có chứa nhựa được tái sinh cao nhất.Đây là lý do tại sao trong CFR các chất gây ô nhiễm ở đáy sẽ xâm nhập vào nước được xử lý ngay từ đầu do hiệu ứng tự tái sinh, trong khi ở RFR bất kỳ chất gây ô nhiễm nào bị di chuyển từ lớp đầu vào ngay lập tức loại bỏ từ một lớp bên dưới.

Các bước tái sinh nhựa trao đổi ion

Quy trình tái sinh nhựa trao đổi ion chung như sau:

• Rửa ngược ( áp dụng với tái sinh nhựa trao đổi ion đồng dòng) để loại bỏ chất rắn lơ lửng và xáo trộn các lớp nhựa
• Thêm chất tái sinh pha loãng. Thêm ở tốc độ dòng chảy thấp, thời gian tiếp xúc là 20 – 40 phút.
• Loại bỏ chất tái sinh bằng nước pha loãng ở cùng tốc độ dòng chảy
• Rửa sạch nhựa với tốc độ dòng dịch vụ bằng nước cấp cho đến khi đạt được chất lượng nước được xử lý mong muốn.

Quy trình tái sinh nhựa trao đổi ion trên được áp dụng cho hầu hết các cột trao đổi ion ví dụ như làm mềm nước, loại bỏ nitrat, khử kiềm nước. Để khử khoáng, cột cation  được tái sinh trước bằng axit, sau đó cột anion bằng xút hoặc cả 2 được tái sinh cùng một lúc

Phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion

Hiệu quả tái sinh nhựa trao đổi ion

Ba hình ảnh trên cho thấy sự chuyển đổi của các loại nhựa hoàn toàn cạn kiệt (ở dạng Na⁺  hoặc Cl^– ) như là một chức năng của liều tái sinh. Trục % tái sinh biểu thị tỷ lệ phần trăm chuyển đổi của nhựa thành dạng H⁺ và OH^– tương ứng. Chúng ta có thể quan sát những điều sau đây:

Axit clohydric hiệu quả hơn axit sunfuric để tái sinh nhựa trao đổi cation axit mạnh (SAC) ban đầu ở dạng Na⁺. Với 50g HCl trên mỗi lít nhựa chuyển đổi 60% thành dạng H⁺ là đạt được. Với 50g H₂SO₄ chuyển đổi chỉ 40% đạt được.

Thậm chí được biểu thị dưới dạng tương đương, axit clohydric cũng hiệu quả hơn 36,5g HCl (1eq) sẽ chuyển đổi nhựa thành 45% trong khi 49g H₂SO₄ (1 eq) chỉ chuyển đổi 39%.

Để có được tổng số chuyển đổi tức là 100% ở dạng H⁺ chúng ta cần khoảng 6,5 eq HCl (240g/l) nhưng 8 eq H₂SO₄ (400g/l)

Việc tái sinh nhựa trao đổi anion bazo mạnh SBA ban đầu ở dạng Cl^– với xút là khó khăn hơn. Với 50g NaOH mỗi lít chỉ có 37% nhựa được chuyển đổi, với 40g (1 eq) chỉ 32%. Cần có 37,5 eq NaOH ( 1500g) để chuyển nhựa SBA thành khoảng 100% ở dạng OH.

Nguyên nhân nhựa anion bazo mạnh khó tái sinh hơn nhựa cation axit mạnh là do sự khác biệt của hệ số chọn lọc: K (Cl/OH) = 22 trong khi K (Na/H) = 1,7

Trong thực thế nhưa SAC và SBA không được tái sinh ở mức chuyển đổi cao do điều này là không kinh tế về mức tiêu thụ hóa chất tái sinh cao.

Các loại nhựa chức năng yếu ( nhựa cation axit yếu WAC và nhựa anion bazo yếu WBA) có đường cong tái sinh tuyến tính có thể được tái sinh với liều lượng gần với giá trị cân bằng hóa học do đó chúng được chuyển đổi hoàn toàn vào cuối mỗi lần tái sinh.

Tỷ lệ tái sinh nhựa trao đổi ion

1. Tỷ lệ tái sinh nhựa trao đổi ion – còn được gọi là tỷ lệ cân bằng hóa học – được tính bằng tổng lượng chất tái sinh (tương đương) chia cho tổng tải ion (cũng tương đương) trong một chu kỳ.
2. Tỷ lệ tái sinh cũng bằng với số lượng eq/l tái sinh trên mỗi eq/l của công suất hoạt động nhựa.
3. Theo lý thuyết tỷ lệ tái sinh nhựa trao đổi ion là 1 (100%) sẽ tương ứng với số lượng cân bằng hóa học.
4. Tất cả các loại nhựa đều cần một lượng dư tái sinh nhất định trên số lượng cân bằng hóa học.

Ví dụ:

 Nhựa Amberjet 1000 tái sinh với 55g HCl mỗi lít = 55/36,5 = 1,506 eq/l

Công suất hoạt động là 1,2 eq/l

Tỷ lệ tái sinh = 1,506/1,2 = 1,26 = 126%

Thông số hạt nhựa trao đổi ion cho biết điều gì

Sự chênh lệch vượt quá giữa tải ion và lượng tái sinh được gọi là tái sinh dư

Tái sinh dư (eq) = Tái sinh (eq) – tải ion (eq)

Tái sinh vượt quá (tính theo %) = 100 x ( tỷ lệ tái sinh -1)

Các thông số tỷ lệ tái sinh nhựa trao đổi ion

Viết tắt:

• WAC: Nhựa trao đổi cation axit yếu
• WBA: Nhựa trao đổi anion bazo yếu
• SAC: Nhựa trao đổi cation axit mạnh
• SBA: Nhựa trao đổi anion bazo mạnh

1. Nhựa WAC yêu cầu ngay trên số lượng cân bằng hóa học là 105% – 110%
2. Nhựa WBA yêu cầu 115 – 140%
3. Khi được tái sinh bằng amoniac hoặc natri cacbonat nhựa WBA yêu cầu tỷ lệ tái sinh từ  150 – 200%.
4. Nhựa SAC và SBA cần tỷ lệ tái sinh cao hơn
5. Nhựa SAC và SBA tái sinh đồng dòng yêu cầu cao hơn nhựa tái sinh dòng chảy ngowcj
6. Nhựa SAC được tái sinh dòng chảy ngược với axit hydrochloric cần tái sinh tối thiểu tuyệt đối 110% nhưng giá trị an toàn hơn là 120%. Nếu nước chứa độ cứng cao hoặc độ kiềm thấp, giá trị tối thiểu phải tăng lên
7. Nhựa SAC dược tái sinh bằng axit sunfuric đòi hỏi một lượng dư lớn hơn so với nhựa được tái sinh bằng HCl ít nhất 40% nhữa
8. Đối với nhựa SBA không có cách nào dễ dàng để ước tính mức tối thiểu vì nó phụ thuộc vào loại nhựa SBA (nhựa styrenic loại 1 so với loại 2 hoặc nhựa acrylic).
9. Lưu ý : Khi tính tỷ lệ tái sinh cho nhựa SBA phải lấy 2 lượng NaOH tương đương cho mỗi loại tương đương CO₂ hoặc SiO₂.
10. Các cặp WAC/SAC có thể được tái sinh với tỷ lệ khoảng 105%
11. Các cặp WBA/SBA có thể được tái sinh với tỷ lệ từ 110 – 120% hoặc cần nhiều hơn nếu mức silica trong nước cao
12. Tỷ lệ tái sinh cho silica nên ít nhất là 800%. Điều này cần được tính riêng như số lượng NaOH (tính bằng eq) chia cho tải lượng silica (tính bằng eq) trong một chu kỳ. Một tương đương với silica được lấy là 60g dưới dạng SiO₂.

Phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion triệt để

Khi một loại nhựa yếu và mạnh được sử dụng nối tiếp, 2 quy tắc sau phải được áp dụng:

1. Nước cấp đầu tiên qua cột nhựa yếu sau đó qua cột nhựa mạnh

1. Chất tái sinh phải đi qua cột nhựa mạnh trước sau đó qua cột nhựa yếu.

Đó là bởi vì:

• Nhựa yếu có công suất cao và hiệu quả tái sinh tốt nhưng không loại bỏ tất cả các ion.  Do đó nó phải được đặt đầu tiên, nhựa mạnh sẽ được sử dụng để loại bỏ bất cứ thứ gì nhựa yếu chưa loại bỏ được.
• Nhựa mạnh đòi hỏi lượng tái sinh dư thừa cao. Nhựa yếu hầu như không đòi hỏi thừa. Do đó chất tái sinh đi qua nhựa mạnh trước và nhựa yếu dược tái sinh với chất tái sinh dư thừa ra khỏi nhựa mạnh.

Các loại hóa chất tái sinh nhựa trao đổi ion

1. Natri clorua (NaCl) thường được sử dụng để tái sinh nhựa SAC trong quá trình làm mềm nước và nhựa SBA được sử dụng để loại bỏ nitrat. NaCl được sử dụng ở dạng muối tinh khiết với độ tinh khiết cao lên tới 99,5% không nhiễm tạp chất. NaCl có trong các sản phẩm muối viên Ấn Độ, muối bột xuất xứ Trung Quốc, Ấn Độ
2. Để làm mềm nước Kali clorua (KCl) cũng có thể được sử dụng khi sự hiện diện của natri trong dung dịch được xử lý là không mong muốn.
3. Trong một số quy trình làm mềm ngưng tụ nóng, có thể sử dụng amoni clorua (NH₄Cl)
4. Để loại bỏ nitrat, nhựa SBA có thể được tái sinh bằng các hợp chất khác cung cấp các ion clorua chẳng hạn như axit clohydric (HCl)
5. Để khử hóa – bước đầu tiên của quy trình khử khoáng nước – nhựa SAC phải được tái sinh bằng axit mạnh như HCl hoặc H₂SO₄.
6. Axit clohydric rất hiệu quả và không gây ra kết tủa trên các lớp nhựa
7. Axit sunfuric rẻ hơn và dễ dàng hơn để lưu trữ nhưng kém hiệu quả hơn, ngoài ra nồng độ của nó phải được điều chỉnh cẩn thận để ngăn chặn sự kết tủa canxi sunfat ( nếu được hình thành sẽ rất khó để loại bỏ khỏi lớp nhựa).
8. Axitnitric cũng có thể được sử dụng về mặt nguyên tắc nhưng không được khuyến khích vì nó có thể gây ra phản ứng tỏa nhiệt.
9. Đối với khử kiềm nước, nhựa WAC được tái sinh tốt nhất với axit HCl. Khi sử dụng axit sunfuric nồng độ phải được giữ dưới 0,8% để tránh kết tủa canxi sunfat. Các loại axit yếu hơn cũng có thể tái sinh nhựa WAC như axit axetic, axit citric.
10. Nhựa SBA luôn được tái sinh bằng xút trong quá trình khử khoáng.
11. Các loại nhựa WBA thường được tái sinh bằng xút nhưng chất tái sinh khác có tính kềm yếu hơn cũng có thể được sử dụng như amoniac, natri cacbonat, hỗn dịch vôi …
12. Nói chung nhựa SBA có thể được tái sinh với một axit có PK thấp hơn so với nhựa. Giá trị pK của hầu hết các loại nhựa WAC là 4,4 -4,8. Do đó axit axetic (pK 4,8) chỉ có thể tái tạo nhựa WAC và axit citric (pK 3,1) có hiệu quả cho mục đích này, trong khi axit cacbonic (pK 6,4 ) thì không.
13. Nhìn chung nhựa WBA có thể được tái sinh với chất kiềm có pK cao hơn. Giá trị pK của nhựa WBA styrenic là khoảng 8,5, của WBA acrylic là khoảng 9,5. Do đó ammonic với pK là 9,3 có thể tái sinh nhựa WBA styrenic. Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp NaOH được sử dụng thường rẻ hơn và dễ xử lý hơn.
14. Nhựa SAC và SBA chỉ có thể được tái sinh với axit mạnh hoặc bazo mạnh tương ứng.

Nồng độ hóa chất tái sinh nhựa trao đổi ion

Nồng độ hóa chất tái sinh nhựa trao đổi ion thông thường nhất là:

• NaCl (làm mềm và loại bỏ nitrat): 10%
• HCl (khử kiềm và khử khoáng): 5%
• NaOH (khử khoáng): 4%
• H₂SO₄: đối với nhựa SAC nồng độ axit phải được lựa chọn cẩn thận trong khoảng 0,7 -6%. Đới với nhựa WAC nồng độ thường là 0,7%. Nồng độ quá cao có thể gây ra kết tủa canxi sunfat.
• Đối với nhựa SAC nồng độ từng bước thường được sử dụng: sau bước đầu tiên ở nồng độ thấp, bước thứ hai được thực hiện ở nồng độ cao hơn khi phần lớn canxi trên nhựa đã được rửa. Trong trường hợp hiếm hoi ba bước được sử dụng. Các bước ở nồng độ cao hơn làm giảm lượng nước pha loãng và tăng hiệu quả của axit sunfuric.