Nước khử ion (nước DI) là một loại nước tinh khiết đã loại bỏ các ion khoáng như muối hòa tan, khoáng chất vô cơ và hữu cơ. Nước khử ion được tạo ra từ quá trình trao đổi ion giữa ion H⁺ và OH^– gắn trên hạt nhựa cation và anion với tất cả các cation và anion cần loại bỏ trong nước.

Các loại nhựa trao đổi ion

Nhựa trao đổi ion để sản xuất nước khử ion (khử khoáng hoặc DI) là những hạt nhựa nhỏ bao gồm các chuỗi polymer hữu cơ có các nhóm chức năng tích điện được tích hợp trong hạt nhựa. Mỗi nhóm chức có điện tích dương hoặc âm cố định.

Trong đó nhựa cation có nhóm chức âm và thu hút các ion tích điện dương: Có 2 loại nhựa cation: Nhựa cation axit yếu (WAC) và cation axit mạnh (SAC). Nhựa cation axit yếu được sử dụng chủ yếu trong quá trình khử kiềm và một số ứng dụng đặc biệt. Nhựa cation axit mạnh được sử dụng phổ biến hơn trong nhiều ứng dụng như làm mềm nước, khử khoáng nước (khử ion) …

Nhựa anion có nhóm chức dương và thu hút các ion tích điện âm: Có 2 loại nhựa anion là nhựa anion bazo yếu WBA và nhựa anion bazo mạnh. Cả 2 loại đều được sử dụng để sản xuất nước khử ion, tuy nhiên chúng có khác nhau: Nhựa anion bazo yếu không loại bỏ silica, CO₂ hoặc trung hòa axit yếu và độ PH thấp hơn trung tính khi được sử dụng trong hệ thống cột kép riêng biệt. Nhựa anion bazo mạnh loại bỏ tất cả các anion bao gồm cả CO₂ và có độ PH cao hơn mức trung tính khi được sử dụng trong hệ thống cột kép riêng biệt do rò rỉ natri.

Nhựa trao đổi ion hỗn hợp còn được gọi là nhựa mixbed là nhựa được trộn giữa nhựa cation axit mạnh và nhựa anion bazo mạnh theo tỷ lệ nhất định.

Quy trình tạo ra nước khử ion 

Để tạo ra nước khử ion, nhựa cation được tái sinh bằng axit HCl. Hydro H⁺ tích điện dương và tự gắn vào hạt nhựa cation tích điện âm. Nhựa anion tái sinh bằng Natri hydroxit (NaOH), hydroxyl OH^– tích điện âm và tự gắn vào hạt nhựa anion tích điện dương.

Các ion khác nhau bị thu hút bởi hạt nhựa có ái lực khác nhau. Ví dụ canxi bị hút vào hạt nhựa cation mạnh hơn natri. Hydro trên hạt nhựa cation và hydroxyl trên hạt nhựa anion không có lực hút mạnh đối với hạt. Đây là cơ sở để quá trình trao đổi ion diễn ra.

Khi các cation tích điện dương chảy qua các hạt nhựa cation, các cation được trao đổi thành hydro. Tương tự như vậy, khi các anion tích điện âm chảy qua các hạt nhựa anion, các anion này được trao đổi thành hydroxyl OH^–. Khi kết hợp H⁺ và OH^– tạo thành H₂O tinh khiết.

Cuối cùng khi tất cả các vị trí trao đổi trên hạt nhựa cation và anion đều bị sử dụng hết và không còn khả năng trao đổi ion nữa là thời điểm cần tái sinh hạt nhựa để chuẩn bị sử dụng lại.

Cột trao đổi ion riêng biệt và cột trao đổi ion hỗn hợp

Quá trình sản xuất nước khử ion cần ít nhất 2 loại nhựa trao đổi ion trong đó một loại tích điện dương  loại bỏ các ion âm còn gọi là anion và một loại tích điện âm để loại bỏ các ion dương còn gọi là cation. Trong hệ thống cột trao đổi ion riêng biệt nối tiếp nhau, nhựa cation được bố trí ở cột đầu tiên. Nước đi vào cột chứa nhựa cation, tất cả các cation tích điện dương sẽ bị hút vào hạt nhựa và trao đổi vị trí với ion H⁺ có trong hạt nhựa. Các anion không bị hút vào hạt nhựa cation và đi qua. Nước đi ra từ cột cation sẽ bao gồm các axit mạnh và yếu. Nước có tính axit này sẽ đi vào cột chứa nhựa anion, nhựa này sẽ thu hút các anion tích điện âm trong nước và trao đổi chúng với ion OH^–. Kết quả là ion H⁺ và OH^– tạo thành H₂O.

Tuy nhiên trong điều kiện thực tế, hệ thống 2 cột cation và anion nối tiếp nhau không tạo ra nước khử ion chất lượng cao do sự rò rỉ Natri. Nếu Natri rò rỉ (còn) trong nước sau khi qua cột cation nó sẽ kết hợp với OH^– để tạo thành NaOH làm cho nước có độ dẫn điện cao. Sự rò rỉ Natri xảy ra do Natri và hydro có sức hút rất giống với các hạt nhựa cation và đôi khi Natri không tự trao đổi với ion H⁺ gắn trên hạt nhựa.

Cột trao đổi ion hỗn hợp chứa hạt cation axit mạnh và anion bazo mạnh được trộn lẫn tạo ra các lớp hạt nhựa mixbed đem  lại hiệu quả loại bỏ ion cao hơn so với 2 cột nối tiếp. Đó là do sự trao đổi cation và anion diễn ra liên tục trong lớp nhựa tạo thành nước tinh khiết. Natri bị rò rỉ sẽ được giải quyết ngay qua số lần trao đổi cation và anion liên tục lặp đi lặp lại. Do đó sử dụng cột trao đổi ion hỗn hợp mixbed sẽ tạo ra nước khử ion chất lượng cao nhất.