Tìm hiểu các thông số của hạt nhựa trao đổi ion cho biết điều gì

Bất kỳ hạt nhựa trao đổi ion nào đều có các thông số cơ bản về kích thước hạt, dạng ion vận chuyển, độ ẩm, trọng lượng riêng, mật độ hạt, cấu trúc hạt … Bài viết này đi sâu giải đáp các thông số kỹ thuật của hạt nhựa trao đổi ion cung cấp thông tin gì

Thông số dạng ion

Hầu hết các hạt nhựa trao đổi ion luôn đề cập đến dạng ion vì các giá trị khác nhau tùy theo các ion trong hạt nhựa. Điều này đặc biệt áp dụng cho các thuộc tính sau:

• Sức chứa
• Độ ẩm
• Tỷ trọng
• Và ở mức độ thấp hơn với kích thước hạt.

Ví dụ nhựa, Amberjet 4400 có tổng công suất khoảng 1,5 eq / L ở dạng Cl ^– và 1,2 eq / L ở dạng OH ^– . Sự khác biệt chỉ là do sưng nhựa: nó phồng lên tới 30% giữa dạng Cl ^– và OH ^– . Số lượng các nhóm hoạt động trong một mẫu nhựa rõ ràng là không đổi, do đó khi nhựa phồng lên, mật độ của các nhóm hoạt động này giảm và dung lượng thể tích là thước đo mật độ của các nhóm hoạt động này.

Ví dụ: Thông số của hạt nhựa Amberlite IRA 96

Kích thước hạt

Bộ sàng 

Theo truyền thống, sự phân bố kích thước hạt của nhựa được đo bằng cách sử dụng một bộ sàng. Thể tích trên phần nhựa còn lại trên mỗi sàng được đo trong một xi lanh thủy tinh. Nó đã được tìm thấy thực tế để thể hiện kết quả theo tỷ lệ phần trăm tích lũy thông qua một lần mở sàng cho trước.

Ngày nay, phép đo hạt được đo bằng các bộ đếm hạt được liên kết với máy tính và tính toán tất cả các tham số kích thước hạt. Các thành phần của phân bố kích thước hạt là:

• Đường kính
• Hệ số đồng nhất
• Kích thước hiệu quả
• Kích thước trung bình
• Số lượng hạt mịn
• Số lượng hạt lớn

Chúng tôi sẽ xem xét từng thuộc tính này.

Đo kích thước hạt

Ví dụ về phân tích truyền thống đo thể tích nhựa được giữ lại trên mỗi sàng:

Nhựa thông thường UC = 1,6

Nhựa đồng nhất UC = 1,07

• Kích thước hiệu quả là giá trị của lỗ sàng thông qua đó chính xác 10% mẫu nhựa đi qua. Nó được viết tắt là “d ₁₀ “.
• Hệ số đồng nhất được xác định là: UC = d ₆₀ / d ₁₀ 
  Hệ số này đo “chiều rộng” của phân bố và được phản ánh trong chiều rộng của đường cong chuông Gaussian. Nếu tất cả các hạt có cùng kích thước, nó sẽ bằng 1,0. Nhựa Amberjet có UC từ 1,05 đến 1,20, Ambersep và SB loại 1,15 đến 1,30, RF loại 1,20 đến 1,50, loại tiêu chuẩn 1,3 đến 1,7. 
• Kích thước trung bình  được viết tắt là HMS là một biểu thức toán học được tính từ hàm phân phối. Xem công thức bên phải. HMS rất hữu ích cho những cân nhắc về mặt lý thuyết liên quan đến tính chất thủy lực và động học của nhựa. Đối với các mục đích thực tế, giá trị của HMS gần với đường kính trung bình, nhưng nhỏ hơn một chút. Cả hai giá trị này gần như giống hệt nhau cho các loại nhựa có kích thước hạt đồng đều.

Đối với các loại nhựa có kích thước hạt đồng đều, đường kính trung bình, kích thước trung bình và kích thước hiệu quả là gần giống nhau. Chúng sẽ giống hệt nhau cho các loại nhựa hoàn toàn đồng nhất, nghĩa là có hệ số đồng nhất bằng 1,00.

Ý nghĩa của kích thước hạt:

• Hạt nhựa mịn: Động học tốt và áp suất cao
• Hạt nhựa thô: Giảm giáp và không có vấn đề bị tắc

Việc xem xét kích thước hạt là rất quan trọng đối với các ứng dụng: Hỗn hợp hạt nhựa, các lớp nhựa phân tầng, rửa ngược, sắc ký .

Sự lựa chọn kích thước hạt là sự cân nhắc: Hạt mịn mang lại công suất cao hơn nhưng gây ra tổn thất đầu và và cặn quá cao có thể tạo ra tắc nghẽn vòi phun. Trong khi hạt thô thường nhạy cảm hơn với khả năng thẩm thấu và có động học chậm hơn do đó khả năng hoạt động thấp hơn. Đối với tất cả các ứng dụng yêu cầu tách các loại nhựa khác nhau trong cùng một cột, việc lựa chọn kích thước hạt phù hợp và rất quan trọng.

Khả năng trao đổi ion

Tổng công suất là số lượng nhóm hoạt động tức là số lượng các ion đơn trị có thể trao đổi. Cả 2 giá trị khối lượng và trọng lượng khô phải được báo cáo

Năng lực điều hành là số lượng ion trao đổi thực sự diễn ra trong một chu kỳ

Tổng công suất của nhựa mới được đo để kiểm soát chất lượng. Công suất được thể hiện bằng eq/l nhựa hoặc eq/kg nhựa khô.

Khả năng trọng lượng khô cho biết nhựa có được hoạt động đúng hay không, không phân biệt hàm lượng nước.

Mặc dù tổng công suất cao thường được mong muốn nhưng không phải tất cả các vị trí trao đổi đều được sử dụng trong một chu trình trao đổi ion hoàn chỉnh.

Độ ẩm

Độ ẩm có liên quan đến độ xốp và dạng ion. Độ ẩm được biểu thị bằng phần trăm khối lượng nhựa ẩm ở dạng ion nhất đinh. Dưới đây là ảnh hưởng của độ xốp đến hiệu suất nhựa:

Độ ẩm cao:

• Trao đổi nhanh
• Tính chất hấp phụ tốt
• Tổng công suất thấp

Độ ẩm thấp:

• Tổng công suất cao
• Khó tái sinh
• Không loại bỏ các ion lớn
• Xu hướng bị lỗi

Khoảng một nửa trọng lượng của tất cả các loại nhựa trao đổi ion là nước, trừ khi chúng được sấy khô hoặc nước được thay thế bằng dung môi hữu cơ. Nước  bao quanh các nhóm hoạt động và lấp đầy các lỗ rỗng trong ma trận nhựa.

Một loại nhựa trao đổi ion có độ ẩm cao có ít chất khô hơn do đó các nhóm ít hoạt động hơn và công suất ít hơn nhưng giúp các ion lớn dễ dàng gắn kết vào cấu trúc của nó.

Đối với nhựa gel, lượng nước tỷ lệ nghịch với mức độ liên kết ngang của ma trận. Điều này không đúng đối với các loại nhựa macropious bởi vì macroporosity của chúng có thể được thay đổi như một tham số độc lập với liên kết chéo.

Thông thường nhựa trao đổi ion có độ ẩm thấp có tốc độ trao đổi chậm hơn và dễ bị bẩn hơn so với nhựa có độ ẩm cao.

Trọng lượng riêng (mật độ hạt)

Mật độ hạt nhựa trao đổi ion là quan trọng đối với việc tách các lớp nhựa hỗn hợp, các tầng nhựa, lớp nhựa nổi và rửa ngược.

Trọng lượng riêng là một thông số quan trọng để vận hành hệ thống xử lý nước bằng trao đổi ion. Điều này đặc biệt quan trọng đối với tất cả các quy trình liên quan đến việc trộn hoặc tách 2 hoặc 3 loại nhựa trong cùng 1 cột và để điều chỉnh tốc độ dòng chảy ngược của nhựa.

Trọng lượng riêng thay đổi theo dạng ion của nhựa. Thành phần ion của nhựa thay đổi mọi lúc trong một chu kỳ do đó rất khó để tính toán trọng lượng riêng chính xác.

Dưới đây là một số giá trị điển hình

Mật độ khối và trọng lượng vận chuyển

Mật độ khối của nhựa trao đổi ion thường được biểu thị bằng khối lượng của một lít nhựa. Vì có sự thay đổi nhỏ của mật độ khối từ lô này sang lô khác, một giá trị tiêu chuẩn được gọi là trọng lượng vận chuyển được sử dụng để đóng gói nhựa trong nhà máy sản xuất.

Sự thay đổi của mật độ khối chủ yếu là do nước dư trong nhựa sau khi loại bỏ nước kẽ trên vành đai thoát nước ngay trước khi đóng gói.

Ví dụ : 
Giả sử các giá trị mật độ khối cho một loại nhựa nhất định có phạm vi từ 720 đến 780 g / L. Đặt trọng lượng vận chuyển ở mức 770 g / L sẽ có kết quả như sau:

• Mỗi túi 25 L sẽ chứa 0,770 x 25 = 19,25 kg nhựa.
• Nếu lô nhựa có mật độ khối 720 g / L, là 1.389 L / kg, khách hàng sẽ nhận được nhựa 19,25 x 1,389 = 26,7 L trong túi 25 L.
• Nếu lô nhựa có mật độ khối 780 g / L, là 1.282 L / kg, khách hàng sẽ nhận được nhựa 19,25 x 1,282 = 24,7 L trong túi 25 L.

Nếu mật độ khối lượng ở mức tối đa, nhà sản xuất nhựa chỉ giảm xuống một chút, trong khi nếu mật độ thấp hơn trọng lượng vận chuyển, anh ta đang vận chuyển một số nhựa, vì vậy khách hàng sẽ nhận được ít nhất số lượng đặt hàng với 83% các trường hợp. Nếu trọng lượng vận chuyển đã được đặt ở giữa phạm vi, khách hàng sẽ nhận được ít nhựa hơn so với đặt hàng trong 50% các trường hợp. 

Khía cạnh quang học

Khía cạnh quang học của một loại nhựa là số lượng hạt và mảnh vỡ, là một phần quan trọng của kiểm soát chất lượng nhựa trong sản xuất. Hạt nhựa trao đổi tốt nhất là không bị nứt và không bị vỡ.

Khía cạnh quang học có thể cung cấp thông tin có giá trị về các vấn đề vận hành.

Ví dụ trong một mẫu hạt nhựa được sử dụng, các giá trị sau được báo cáo:

Điều này có nghĩa là mẫu có:

• 65% hạt hoàn hảo
• 29% hạt nứt
• 6% mảnh

Dạng ion và thay đổi thể tích

Nhựa trao đổi ion thay đổi thể tích theo các ion được gắn trên chúng. Ví dụ một loại nhựa trao đổi anion bazo mạnh có thể phồng lên hơn 25% nếu nó được chuyển đổi hoàn toàn từ dạng clorua sang dạng hydroxit.

Dưới đây là các dạng ion phổ biến nhất của nhựa trao đổi ion và sự thay đổi thể tích của chúng

Dữ liệu chính xác hơn về thay đổi thể tích nhựa thường được công bố trong các thông số được công bố bởi các nhà sản xuất nhựa.

Sở dĩ có sự thay đổi thể tích nhựa trao đổi ion là do trạng thái hydrat hóa khác nhau của các ion trong nhựa. Ví dụ nhựa yếu hầu như không được phân ly ở dạng tái sinh do đó không có các ion tự do trong hạt hạt nhựa. Tuy nhiên khi chúng đã trao đổi ion, các ion này được hydrat hóa:

Nhựa trao đổi ion hiếm khi được chuyển đổi hoàn toàn từ 100% được tái sinh thành 100% cạn kiệt do đó sự thay đổi khối lượng tối đa theo lý thuyết không đạt được. Tuy nhiên một sự thay đổi thể tích diễn ra trong quá trình hoạt động và có thể nhìn thấy nếu xe bề mặt các lớp nhựa trong một cột trước và sau khi tái sinh

Ổn định

Nhựa trao đổi ion phải chịu được các dạng căng thẳng khác nhau trong hoạt động:

• Căng thẳng vật lý trong trường hợp chuyển nhựa hoặc giảm áp suất cao
• Căng thẳng thẩm do thay đổi thể tích
• Ứng suất nhiệt trong trường hợp nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ thay đổi
• Các chất hữu cơ

Tính chọn lọc

Hệ số chọn lọc của nhựa được xác định trong phản ứng trao đổi ion. Ái lực của nhựa đối với một ion bị chi phối bởi kích thước của dạng ngậm nước cũng như điện tích của nó. Ion càng lớn, hạt nhựa càng phải mở rộng để chứa nó trong cấu trúc. Sự giãn nở bị chống lại bởi các liên kết ngang hạn chế, do đó các ion lớn đòi hỏi một lực lớn hơn để xuyên qua nhựa so với các liên kết nhỏ. Các ion có điện tích cao hơn có ái lực cao hơn với nhóm chức của nhựa trao đổi ion nhất định.

Mặc dù đường kính ion thực tế của mỗi ion tăng khi chúng ta tăng số nguyên tử, số lượng phân tử nước bị thu hút khi khối cầu hydrat hóa giảm khi số nguyên tử tăng. Điều này có nghĩa là mật độ điện tích tăng theo số nguyên tử.

Trong số các ion kim loại kiềm, do đó, Caesium là chất chọn lọc nhất và lithium là ít chọn lọc nhất.

Đối với nhựa carboxylic và chelating, tác dụng trên không được áp dụng, vì các ion hóa trị hai được tạo phức và không còn ngậm nước. Mặt khác, sự phức tạp làm tăng đáng kể độ chọn lọc nhựa. Xem trang về cấu trúc nhựa .

Kích thước lỗ của nhựa loại gel là khoảng 10 đến 20, có nghĩa là lỗ chân lông có thể chứa các ion vô cơ dễ dàng. Các loại nhựa có mức độ liên kết chéo cao hơn có độ đàn hồi ít hơn và lỗ chân lông nhỏ hơn một chút. Nhựa Macropious có – ngoài các lỗ gel nhỏ – lỗ chân lông lớn hơn nhiều (200 đến 1000 trở lên), có thể chứa các ion hữu cơ lớn.

Bài viết:

• Phương pháp tính toán thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước
• Nước cấp cho hệ thống trao đổi ion cần quan tâm đến những chỉ tiêu nào