Nhựa cation là gì

Nhựa cation là các hạt nhựa được tạo thành từ một loại polymer có độ xốp cao, không hòa tan axit, bazo và nước  nhưng có khả năng trao đổi ion, khi ngâm trong nước các chất này hấp thụ cation của muối hòa tan lên bề mặt hạt và nhả vào nước một số lượng tương đương cation đã được cấy lên bề mặt hạt từ trước.

Sở dĩ nhựa cation có tính chất như vậy vì trong thành phần cấu tạo của nó có nhóm trao đổi ion hay còn gọi là nhóm hoạt tính. Đối với  nhựa cation với liên kết chéo, các nhóm trao đổi ion mang tính axit như nhóm axit sulfonic, nhóm axit cacboxylic.

Nhựa cation mạnh được cấu tạo từ chất nền polystyren với nhóm chức sulphonat (SO 3 – ) được tích điện với các ion natri (Na 2+ ) cho các ứng dụng làm mềm hoặc các ion hydro (H + ) để khử khoáng

Nhựa cation axit yếu được cấu tạo từ một polyme acrylic đã được thủy phân bằng axit sulfuric hoặc xút để tạo ra các nhóm chức axit cacboxylic. Do có ái lực cao với các ion hydro (H + ), nhựa WAC thường được sử dụng để loại bỏ một cách chọn lọc các cation liên quan đến độ kiềm.

Nhựa cation được sử dụng trong xử lý nước như làm mềm nước, khử kiềm nước, khử khoáng nước phục vụ cho lọc nước ăn uống, lọc nước sản xuất thực phẩm, đồ uống, dược phẩm, sản xuất linh kiện điện tử, chất bán dẫn, sản xuất sơn …

Nhựa cation được sử dụng trong làm mềm nước, khử kiềm nước và khử khoáng nước

Các loại nhựa cation

Nhựa cation axit mạnh

Nhựa cation axit mạnh là các sản phẩm dạng hạt có nhóm axit sulfonic trong khung styrene liên kết chéo. Chúng có thể được sử dụng trên pham vi PH rộng (0 -14) và tương đối ổn định với nhiệt độ, thậm chí chịu được nhiệt độ cao 100 – 120⁰C.

Nhựa cation axit mạnh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm lọc nước, làm mềm nước, xử lý nước thải, lọc dược phẩm, thực phẩm và xúc tác.

Nhóm axit sulfonic là nhóm trao đổi và hoạt động giống như một axit mạnh, phân ly thành SO₃ và H⁺ ngay cả trong dung dịch axit chưa kể trong dung dịch kiềm.

Nhựa cation axit mạnh hấp thụ tất cả các ion dương, cường độ hấp thụ phụ thuộc vào vào loại ion. Chỉ số hấp thụ này được gọi là độ chọn lọc. Nói chung độ chọn lọc sẽ tăng khi hóa trị ion tăng. (Ví dụ Na⁺ <Ca²⁺<Al³⁺<Th⁴⁺).

Đối với cùng một hóa trị độ chọn lọc tăng khi số nguyên tử tăng:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺ <Mg²⁺ <Ca²⁺< Sr²⁺ <Ba²⁺

Phản ứng trao đổi ion điển hình của nhựa cation axit mạnh

Khi nhựa ban đầu ở dạng hydro H + (R-SO 3 – H + , viết tắt ở đây là RH), nó có thể loại bỏ tất cả các cation khỏi dung dịch:

RH + Na + Cl —-> R-Na + H + Cl –

Ví dụ thứ hai với canxi bicacbonat:

2 RH + Ca ++ (HCO 3 – ) 2—> R 2 -Ca + 2 H 2 CO 3

Ở đây phản ứng là một phản ứng trung hòa, vì anion bicacbonat có tính kiềm. Nó không thể đảo ngược, vì bạn không thể tái tạo nhựa cation axit mạnh bằng axit cacbonic.

Các phản ứng trên thường xảy ra như một bước khử khoáng đầu tiên.

Khi nhựa ban đầu ở dạng natri Na + , nhựa cation axit mạnh loại bỏ các cation hóa trị hai khỏi nước, chứ không loại bỏ các catinon đơn hóa trị khác, vì ví dụ, sự khác biệt về độ chọn lọc với K + hoặc NH 4 + là quá nhỏ.

2 R-Na + Ca ++ (HCO 3 – ) 2—> R 2 -Ca + 2 Na + HCO 3 –

Phản ứng làm mềm này có thể đảo ngược, nhưng  sẽ không tái tạo bằng natri bicacbonat, vì có nguy cơ kết tủa canxi cacbonat. Thay vào đó, natri clorua được sử dụng.

Một số loại nhựa cation điển hình

Nhựa cation Trilite MC08

Nhựa cation Tulsion T42 Na

Nhựa cation Tulsion T42 H

Nhựa cation Diamond C08

Nhựa cation axit yếu

Nhựa cation axit yếu có nhóm axit cacboxylic (-COOH) là nhóm trao đổi. Có 2 loại, 1 loại axit metacrylic và một loại axit acrylic. Nhựa cation axit yếu axit acrylic được sử dụng để xử lý nước có độ cứng cacbonat cao ở PH > 4. Loại axit metacrylic được sử dụng để tinh chế kháng sinh và axit amin trong khoảng PH>5. Do giới hạn phạm vi PH hoạt động nên việc sử dụng nhựa cation axit yếu hạn chế hơn so với nhựa cation axit mạnh.

Ngoài ra nhựa cation axit yếu được sử dụng kết hợp với nhựa cation axit mạnhtrong hệ thống khử khoáng nước

Nhựa cation axit yếu có khả năng trao đổi với bazo như NaOH và muối của axit yếu như NaHCO₃.

Cường độ hấp phụ (tính chọn lọc ) của các ion nhau trên nhựa cation axit yếu thường tương tự như trên nhựa cation axit mạnh. Đó là tính chọn lọc cao hơn đối với các ion hóa trị cao hơn. Tuy nhiên nhựa cation axit yếu có tính chọn lọc rất lớn đối với ion hydro. Điều này có nghĩa là sau khi ion hydro được thay thế bằng một cation khác, nhựa có thể dễ dàng tái sinh trở lại dạng R -COOH. Lượng hóa chất tái sinh cần thiết chỉ lớn hơn một chút so với lượng hóa chất lý thuyết tương đương đối với nhựa có tính axit yếu.

Một nhược điểm của nhựa cation axit yếu là sự thay đổi thể tích nhanh chóng khi chuyển từ dạng có ion H⁺ sang dạng có ion khác. Vì nhựa có thể phồng lên gần gấp đôi kích thước của nó nên cần phải có biện pháp phòng ngừa kỹ lưỡng để chuẩn bị cho việc giảm áp suất chất lỏng cao hơn trên cột và để tránh làm hỏng cột.

Các thông số chủ yếu của các loại nhựa cation

Nhựa cation axit mạnh ở hình thức Natri – Hạt cation làm mềm nước

Nhựa cation axit mạnh ở dạng Hidro – Hạt cation gốc H+

Nhựa cation axit yếu

• Phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion cation
• Nhựa cation và nhựa anion giống và khác nhau như thế nào