Ứng dụng trao đổi ion trong các ngành công nghiệp

Trao đổi ion là quá trình hóa học trong đó các ion hòa tan không mong muốn được trao đổi với các ion khác với một điện tích tương tự. Trao đổi ion là một phản ứng hóa học đảo ngược mà một ion được trao đổi với một ion có cùng điện tích được gắn liền trên hạt nhựa.

Trao đổi ion được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước, sản xuất mía đường, trong ngành thực phẩm, ngành công nghiệp hóa chất, công nghiệp dược phẩm, khai khoáng …

Bài viết tham khảo:

Ứng dụng của trao đổi ion trong xử lý nước

Làm mềm nước

Một loại nhựa trao đổi cation có tính axit mạnh được sử dụng ở dạng natri. Các ion hình thành độ cứng của nước như canxi, magie được trao đổi với các ion natri của nhựa. Nước được làm mềm có thể được sử dụng cho một số mục đích:

Giặt là
Nước sinh hoạt ăn uống
Nước dùng cho nồi hơi công nghiệp áp suất thấp
Dệt may

Nhựa được sử dụng:

Chất lượng nước sau xử lý: Độ cứng còn lại <0,02 meq/l (1mg/l CaCO₃) với tái sinh dòng chảy ngược

Dung dịch tái sinh: Dung dịch muối tinh khiết nồng độ 10%

Làm mềm nước là gì – Các phương pháp làm mềm nước

Khử kiềm nước

Nước có chứa bicacbonat – canxi và magie liên kết với các ion bicacbonate được trao đổi ion với các ion hydro từ nhựa trao đổi cation có tính axit yếu. Quá trình này được gọi là loại bỏ độ cứng tạm thời của nước.

Nước được xử lý có chứa cacbon dioxide có thể được loại bỏ bằng khử khí, độ mặn của nước được xử lý thấp hơn nước cấp.

Khử kiềm nước được sử dụng:

Để xử lý nước sản xuất đồ uống trong nhà máy bia và nước giải khát
Làm mềm nguồn cung cấp nước uống ở thành phố
Làm mềm, khử khoáng một phần nước sử dụng để pha trà, café
Là bước khử khoáng đầu tiên của quy trình khử khoáng nước
Sử dụng trong một số quy trình công nghiệp nhất định

Chất lượng nước đã xử lý:

Độ kiềm dư rất thấp ( điểm cuối ở mức 10% độ kiềm của nước thô)

Độ cứng còn lại = độ cứng vĩnh cửu

Hóa chất tái sinh: Axit (tốt nhất là HCl nồng độ 5%)

Khử ion của nước

Tất cả các ion phải được loại bỏ khỏi nước. Đầu tiên nước đi qua nhựa trao đổi cation ở dạng hydro sau đó qua nhựa trao đổi anion ở dạng hydroxyl hoặc gốc tự do. Tất cả các cation được thay thế bởi các ion từ nhựa cation và tất cả các anion cho các ion của nhựa anion. Các ion H⁺ và OH^– này tái hợp để tạo ra các phân tử nước mới. Nước được xử lý chỉ chứa dấu vết của natri và silica.

Nhựa trao đổi ion được sử dụng:

Nhựa trao đổi cation axit yếu
Nhựa trao đổi cation axit mạnh
Nhựa trao đổi anion bazo yếu
Nhựa trao đổi anion bazo mạnh

Việc sử dụng nhựa chức năng yếu phụ thuộc vào phân tích nước thô và kích thước của hệ thống xử lý nước.

Bài viết tham khảo : Nhựa trao đổi ion là gì – Các loại nhựa trao đổi ion

Chất lượng nước đã xử lý:

Độ dẫn điện đạt 0,2 -1µs/cm với tái sinh dòng chảy ngược

Silic dư 5 -50µg/l tùy thuộc vào nồng độ silica trong nước cấp và lượng hóa chất tái sinh

Các giá trị này thấp hơn so với các công nghệ khác như thẩm thấu ngược hoặc chưng cất.

Lưu ý rằng: Giá trị PH không nên được sử dụng như một biện pháp kiểm soát quá trình vì không thể đo độ PH của nước với độ dẫn nhỏ hơn 5µS/cm

Hóa chất tái sinh:

Nhựa trao đổi cation: Axit mạnh
Nhựa trao đổi anion: Xút

Cột trao đổi ion hỗn hợp

Cột đánh bóng hỗn hợp

Khi cần chất lượng nước được xử lý tốt hơn, gần với nước hoàn toàn tinh khiết, một cột đánh bóng được lắp đặt sau hệ thống khử khoáng chính. Nó chứa đầy nhựa trao đổi cation và anion, được trộn đều nhưng phải được tách ra để tái sinh. Việc phân tách được thực hiện với bước rửa ngược dòng và yêu cầu các loại nhựa có kích thước hạt và mật độ thích hợp.

Đối với các ứng dụng cụ thể chẳng hạn như nước siêu tinh khiết hoặc mạch trong các nhà máy điện hạt nhân các loại tinh khiết cao khác cũng được sử dụng.

Chất lượng nước đã xử lý

Độ dẫn điện: 0,055 – 0,1 µS/cm
Silic dư: 1-10 µg/l

Tái sinh:

Nhựa trao đổi cation: Axit mạnh
Nhựa trao đổi anon: Xút

Đánh bóng ngưng tụ

Lò hơi trong các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hạt nhân và hóa thạch đòi hỏi nước khử khoáng cực kỳ tinh khiết để ngăn chặn căn trên các cánh tuabin và tránh ăn mòn trong mạch hơi. Trong nhiều trường hợp mạch ngưng tụ được trang bị cột trao đổi ion hỗn hợp. Các đơn vị được vận hành ở tốc đồng chảy cao.

Nước siêu tinh khiết

Trong quá trình sản xuất các mạch tích hợp, chip bán dẫn và màn hình tinh thể lỏng hoặc plasma, yêu cầu nước có độ tinh khiết cao. Cột đánh bóng hỗn hợp sử dụng các loại nhựa đặc biệt với mức độ chuyển đổi cao.

Nước siêu tinh khiết và vai trò quan trọng của nó trong sản xuất chất bán dẫn

Ứng dụng của nhựa trao đổi ion trong ngành công nghiệp đường

Làm mềm nước dùng để chiết xuất đường

Làm mềm nước ép củ cải đường trước khi bay hơi

Độ cứng của nước ép củ cải đường dẫn đến sự co giãn của bộ trao đổi nhiệt trong thiết bị bay hơi. Để ngăn chặn nó, tăng hiệu quả nhiệt và tiết kiệm nặng lượng, thông thường là làm mềm nước đường. Sau đó nhà máy có thể hoạt động liên tục, không bị gián đoạn thường xuyên để khử cặn thiết bị.

Trong quy trình này, loại nhựa được sử dụng giống như làm mềm nước, nhưng nhựa phải được tính đến là loại sử dụng được với thực phẩm, chống lại sự căng thẳng do nhiệt độ và nồng độ của nước ép.

Các ion canxi và magie có trong nước đường được trao đổi với các ion natri từ nhựa cây. Quá trình này được áp dụng cho nước ép loãng tức là sau khi cacbonat. Một số cột hoạt động song song để đảm bảo hoạt động liên tục.

Quá trình NRS

Đây là quá trình thông minh trong đó nhựa được tái sinh bằng dung dịch xút pha loãng trong nước ép mỏng. Ý tưởng cơ bản là trong khi canxi hydroxit không hòa tan trong nước, các ion canxi tạo thành phức chất hòa tan với sucrose. Chất tái sinh đã qua sử dụng được tái chế ở thượng nguồn, trước bước cacbon hóa, do đó việc sản xuất chất thải là không đáng kể. Hơn nữa, nước trái cây không được pha loãng như nước trong quy trình làm mềm nước bởi vì quy trình NRS không bao gồm các bước làm ngọt.

Quá trình Gryllus

Đây là một quá trình cũ hơn, trong đó nhựa làm mềm được tái sinh với nước ép đặc, chứa nồng độ natri cao. Do đó tiêu thụ muối giảm và một lần nữa không có chất thải được tạo ra vì chất tái sinh đã qua sử dụng được tái chế.

Khử ion nước ép đường trước khi bay hơi

Trong quá trình này, không đường được loại bỏ khỏi nước ép mỏng để tăng hiệu quả của quá trình kết tinh tức là năng suất đường. Nói chung, mỗi kg không đường loại bỏ tạo ra 1,4 kg đường bổ sung. Quá trình này tương tự như khử khoáng nước: Nhựa trao đổi cation axit mạnh và nhựa trao đổi anion bazo yếu được sử dung, tái sinh tương ứng với axit và xút.

Loại bỏ màu từ xiro đường mía sau khi bay hơi

Xiro mía thường chứa nhiều hợp chất hữu cơ truyền màu cho đường kết tinh và làm giảm năng suất kết tinh. Quá trình loại bỏ màu sử dụng nhựa trao đổi anion bazo mạnh được tái sinh bằng dung dịch natri clorua. Các loại nhựa này là vĩ mô, do đó các hợp chất phân tử cao có thể được loại bỏ. Phương pháp hiệu quả nhất sử dụng 2 cột nối tiếp, cột đầu tiên chứa đầy nhựa acrylic, cột thứ 2 đánh bóng bằng nhựa styrenic.

Quá trình Quentin

Sự kết tinh của đường củ cải bị ức chế một phần bởi các ion kali và natri có trong nước ép, do đó một lượng lớn đường vẫn còn trong mật rỉ sau khi kết tinh. Magie ít melassigenous hơn natri hoặc kali, ý tưởng là để truyền nước ép mỏng qua một cột nhựa trao đổi cation axit mạnh ở dạng magie. Điều này làm tăng sản xuất đường trắng và giảm lượng mật rỉ.

Thu hồi đường từ mật rỉ

Quá trình này dựa trên loại trừ ion, một loại sắc ký trao đổi ion sử dụng lưới mịn, nhựa kích thước hạt đồng nhất. Nó tách đường từ không đường và làm tăng sự phục hồi của đường có trong mật đường.

Nghịch đảo Sucrose

Surcrose (đường thông thường) là một di-sacarit. Trong môi trường axit, phân tử sucrose phân tách thành 2 mono-sacarit: glucose và fructose với tỷ lệ bằng nhau. Đường nghịch đảo có sức mạnh làm ngọt mạnh hơn sucrose và xu hướng kết tinh thấp hơn, một tính năng quan trọng đối với một số sản phẩm thực phẩm công nghiệp. Nghịch đảo được tạo ra bằng cách cho xiro đường qua nhựa trao đổi cation axit mạnh liên kết ngang ở dạng H⁺.

Phân tách sắc ký

Vì fructose có khả năng làm ngọt cao hơn glucose, xi rô đường đảo ngược có thể được làm giàu với fructose bằng cách cho xiro qua một lưới min, nhựa trao đổi cation axit rất đồng đều ở dạng canxi. Khi dòng xiro di chuyển xuống cột, fructose di chuyển chậm hơn glucose. Điều này dẫn đến các dải riêng biệt có độ tinh khiết cao hơn của từng thành phần trong cột. Phần fructose được thu hồi riêng. Phần glucose có thể được bán dưới dạng xiro glucose hoặc được đồng phân hóa bằng enzyme để tạo ra nhiều fructose hơn.

Khử khoáng glucose

Xiro glucose được khử khoáng để tăng độ tinh khiết. Nguyên tắc này giống hệt như khử khoáng bằng nước hoặc đường.

Ứng dụng trao đổi ion trong ngành công nghiệp thực phẩm

Whey khử khoáng

Whey, sản phẩm phụ của sản xuất phô mai, chứa protein có giá trị và được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Nó được khử khoáng để tăng độ tinh khiết. Nguyên tắc này giống khử khoáng nước hoặc đường

Đồ uống

Một số ứng dụng trao đổi ion trong sản xuất đồ uống như:

Xử lý nước dùng để làm bia, nước ngọt
Khử axit hóa đồ uống
Loại bỏ kim loại
Loại bỏ mùi vị hoặc mùi hôi
Loại bỏ màu và độ đục bằng chất hấp phụ không ion
Xử lý nước ép trái cây
Loại bỏ axit bằng nhựa anion bazo yếu
Loại bỏ vị đắng từ nước cam bằng nhựa hấp phụ không ioin
Loại bỏ màu bằng nhựa hấp phụ

Phục hồi polyphenol

Polyphenol được ca ngợi vì đặc tính chống oxy hóa, chúng được tìm thấy trong nhiều loại trái cây như quả mọng hoặc nho đỏ. Anthocyanin là polyphenol có thể được phục hồi từ nho. Hạt nhựa được sử dụng là nhựa hấp phụ không ion.

Axit citric

Axit này được sử dụng làm chất bảo quản trong nhiều sản phẩm thực phẩm công nghệp. Nó được sản xuất bằng cách lên men. Thanh lọc nó bằng khử khoáng trao đổi ion sử dụng nhựa cation tính axit mạnh và nhựa anion styrenic bazo yếu hoặc phenolic bazo yếu.

Lysine

Lysine và các amino axit thiết yếu khác (không được sản xuất bởi cơ thể người) được sản xuất bằng quá trình lên men. Lysine được thu hồi từ dịch lên men với nhựa trao đổi cation axit mạnh ở dạng amoni

Khử khoáng Sorbitol

Sorbitol là một polyol, một chất làm ngọt mạnh và chất làm mềm nước được sử dụng trong kẹo cao su. Nó có thể được sản xuất bằng cách hydro hóa glucose hoặc các quá trình enzyme. Sản phẩm cuối cùng thường yêu cầu khử khoáng.

Khử khoáng gelatin

Gelatine được sản xuất từ collagen có trong da lợn và xương. Để sản xuất gelatin có độ tinh khiết cao cần phải khử khoáng bằng nhựa cation axit mạnh và nhựa acrylic bazo yếu.

Ứng dụng trao đổi ion trong ngành hóa chất

Phục hồi và loại bỏ kim loại

Trong các cửa hàng hoàn thiện bề mặt và mạ, kim loại có thể được phục hồi hoặc loại bỏ:

Thu hồi vàng từ các đồ trang sức công nghiệp dưới dạng phức xyanua
Tái chế các dòng nước rửa khác nhau trong các cửa hàng mạ
Loại bỏ đồng và sắt từ các cửa hàng mạ crom
Thu hồi axit cromic trong các cửa hàng mạ
Loại bỏ sắt từ tấm kẽm
Thanh lọc, loại bỏ sắt và kẽm dưới dạng phức clorua.

Sản xuất clo và xút

Những hóa chất này được sản xuất bằng cách điện phân nước muối bão hòa. Trong quá trình sản xuất, sự vắng mặt của kim loại hóa trị II là rất quan trọng. Do đó một loại nhựa chelating chọn lọc được sử dụng để loại bỏ chúng (chủ yếu là canxi) làm giảm nồng độ canxi ban đầu từ 10 -20 mg/l xuống mức rất thấp.

Phenol

Hai ứng dụng:

Loại bỏ axit sunfuric và axit hữu cơ khỏi dòng quá trình trong sản xuất phenol. Một loại nhựa gốc yếu đặc biệt với ma trận phenol-formaldehyd được sử dụng
Loại bỏ phenol từ chất thải công nghiệp. Phenol được loại bỏ trên nhựa hấp thụ không ion. Tái sinh được thực hiện với acetone.

Làm sạch hydro peroxide

Nhựa được sử dụng trong 2 quy trình khác nhau:

Loại bỏ các dẫn xuất anthraquinone. Các chất hữu cơ này có thể được loại bỏ trên một chấp hấp phụ không ion. Tái sinh được thực hiện với methanol.
Loại bỏ các vết kim loại như sắt với nhựa có tính axit mạnh. Việc điều trị được thực hiện ở tốc độ dòng chảy rất cao

Loại bỏ aldehyde

Nhựa trao đổi anion bazo mạnh ở dạng bisulfite có thể loại bỏ aldehyde khỏi các dung dịch nước khác nhau. Các ion bisulfite tạo thành một sản phẩm bổ sung với aldehyde. Nhựa được tái sinh bằng dung dịch natri hydro sunfite 5%

Ứng dụng trao đổi ion trong ngành công nghiệp dược phẩm

Chiết xuất và tinh chế kháng sinh

Nhiều loại kháng sinh sử dụng nhựa trao đổi ion và nhựa hấp phụ trong quá trình sản xuất của chúng. Mục tiêu là để làm sạch chúng sau khi chiết xuất từ nước dùng lên men. Ví dụ: streptomycin, gentamycin, cephalosporin, tetracyclin.

Nhựa trao đổi ion được sử dụng là nhựa hấp phụ styrenic không ion và nhựa hấp phụ acrylic không ion.

Tá dược

Một số loại nhựa trao đổi ion có độ tinh khiết cao được sử dụng làm tá dược trong các công thức dược phẩm. Các thành phần hoạt động được hấp phụ trên nhựa và được phát hành chậm hơn trong cơ thể so với nếu nó ở trạng thái ban đầu.

Nhựa trao đổi ion dùng làm thuốc

Các loại nhựa có thể được sử dụng làm hoạt chất trong thuốc. Rõ ràng là chúng phải đáp ứng các thông số kỹ thuật rất nghiêm ngặt và được các cơ quan y tế phê duyệt.

Ví dụ:

Cholestyramine, một loại thuốc dùng để giảm mức cholesterol, là một loại bột dựa trên nhựa trao đổi anion bazo mạnh ở dạng chloride

Polacrilin kali, một loại thuốc dùng để điều chỉnh nồng độ kali trong máu, là một loại bột dựa trên nhựa có tính axit yếu với ma trận methacrylic

Ứng dụng trao đổi ion trong các ngành công nghiệp khác

Ứng dụng trao đổi ion trong ngành khai khoáng

Ứng dụng quan trọng nhất, liên quan đến hàng ngàn mét khối nhựa, là khai thác uranium. Quặng nghiền được xử lý bằng axit sunfuric, đưa urani vào dung dịch dưới dạng uranu sunfat. Dung dịch được truyền qua các lớp nhựa trao đổi anion bazo mạnh, có ái lực cao đối với phức hợp urani sunfat.

Ứng dụng trao đổi ion trong thủy canh

Hydroculture Nhựa trao đổi cation và anion được sử dụng để giữ lại các chất dinh dưỡng thực vật trong nuôi cấy thủy canh: amoni, kali, sắt, kẽm cũng như nitrat, phốt phát. Kỹ thuật này cho phép các chất dinh dưỡng được giải phóng chậm như là một chức năng của các yêu cầu của nhà máy

Ứng dụng trao đổi ion loại bỏ dầu bằng cách kết hợp

De-oiling Một loại nhựa đặc biệt có chức năng oleophilic được sử dụng để loại bỏ dấu vết dầu trong nước ngưng và các dung dịch bị ô nhiễm khác. Nước chảy ngược lên trên lớp nhựa. Các giọt dầu được hình thành ở bề mặt các hạt nhựa và khi chúng đạt đến kích thước tới hạn chúng sẽ chảy lên đỉnh cột. Nhựa không yêu cầu tái sinh, chỉ thỉnh thoảng rửa