Hiện nay phương pháp lọc nước bằng trao đổi ion là công nghệ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, y tế, dược phẩm… Nó được sử dụng để có thể kiểm soát độ pH và độ tinh khiết của nước bằng cách loại bỏ ion không mong muốn và thay thế bằng những ion khác có thể chấp nhận được.

Đây là quá trình diễn ra 2 chiều bởi sự kết hợp của hạt trao đổi ion và dung dịch cần trao đổi ion. Đây là nguyên liệu không thể thiếu trong ngành lọc nước. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết này.

1. Hạt trao đổi ion là gì

Hạt trao đổi ion là các hạt nhựa không hòa tan trong nước hay còn được gọi là hạt resin có chứa ion để trao đổi với ion của dung dịch khác. Quá trình trao đổi ion này diễn ra nhanh chóng và không làm thay đổi tính chất của dung dịch hay tính chất vật lý của hạt trao đổi. Vật liệu để làm nên hạt nhựa trao đổi ion tổng hợp là nhựa polystyrene với nhóm amin trao đổi ion âm và nhóm sulphonate trao đổi ion dương.

Các hạt nhựa trao đổi ion được tạo bằng phương pháp hóa học chính là phản ứng trùng ngưng Styrene và divinylbenzen DVB. Trong đó phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của resin, còn DVB là cầu nối các polymer có tính không tan bền vững. Những kết nối này tạo nên cấu trúc 3 chiều – cấu trúc rỗng trong hạt trao đổi ion.

Hạt trao đổi ion được chia làm hai phần:

• Gốc của chất trao đổi ion
• Nhóm ion có khả năng trao đổi hay còn gọi là nhóm hoạt tính

2. Tính chất của hạt nhựa trao đổi ion

• Hình dáng/kích thước: Hình tròn với kích thước khoảng 0,04 – 1mm
• Màu sắc: Màu sẽ nhạt dần theo thời gian sử dụng với các loại hạt màu vàng, đen hay nâu…
• Độ nở: Thể tích tăng nếu ngâm trong nước
• Độ ẩm: Chia làm độ ẩm ướt và độ ẩm khô
• Tính chịu nhiệt: Thường chịu được ở nhiệt độ giới hạn từ 20 – 500 độ C, nhiệt độ cao hơn sẽ khiến hạt nhựa bị phân giải.
• Tính dẫn điện: Phụ thuộc từng loại hạt, thông thường hạt trao đổi ion ẩm sẽ dẫn điện tốt hơn.
• Tính chịu oxy hóa: Hạt nhựa trao đổi ion sẽ bị oxy hóa khi tiếp xúc với chất oxy hóa mạnh.
• Tính chịu mài mòn: Hạt nhựa trao đổi ion có thể bị vỡ trong quá trình hoạt động nếu có sự cọ xát hay va chạm mạnh.

Chúng ta có thể thấy hạt nhựa trao đổi ion trong ứng dụng lọc nước thông thường như:

• Nhựa styrene dạng gel trong suốt, màu vàng.
• Nhựa macroporous có độ trong suốt ít hoặc không trong suốt.
• Nhựa macroporous cation styrene màu nâu xám nhạt hoặc vàng nhạt.
• Nhựa macroporous anion styrene có màu trắng.
• Nhựa acrylic màu trắng sữa hoặc trắng.

3. Phân loại hạt trao đổi ion

Người ta thường chia hạt trao đổi ion thành 3 loại chính dựa trên cấu tạo: 

3.1. Loại Cationit

Hạt trao đổi ion dạng cationit có khả năng hút ion dương từ dung dịch điện ly mang tính axit. Loại này được ứng dụng để làm mềm nước và trong nhóm Cationit này người ta cũng chia làm 2 loại:

• Cation axit mạnh: 

Hạt trao đổi cation axit mạnh chứa một lượng lớn những axit mạnh như axit sulfonic, nhóm SO3H có thể phân tách ion H+ dễ dàng. Sau phản ứng này các nhóm điện tích âm như SO3- có thể hấp thụ các cation khác.

Phản ứng phân ly nhựa cation axit mạnh diễn ra cực nhanh và mạnh. Do đó dễ hao mòn nhưng vẫn có thể hoàn nguyên để tái sử dụng bằng cách sử dụng dung dịch hóa học để phản ứng trao đổi ion theo chiều ngược lại.

• Cation axit yếu:

Hạt trao đổi cation axit yếu chứa một lượng lớn những axit yếu như Carboxyl- COOH có thể phân ly H+ và nước có tính axit, nhóm mang điện tích âm như R-COO- sẽ kết hợp với cation khác trong dung dịch kiềm hoặc trung tính.

3.2. Loại Anionit

Hạt trao đổi ion dạng Anionit có khả năng hút ion âm từ dung dịch điện ly mang tính kiềm. Các loại hạt dạng này thường để loại bỏ nitrat hay tạp chất hữu cơ trong nước và trong nhóm Anionit này người ta cũng chia làm 2 loại:

• Anion bazơ mạnh: 

Hạt trao đổi anion bazơ mạnh chứa một lượng lớn các nhóm kiềm mạnh như amin bậc 4 –N(CH2)3-OH có thể phân ly OH- trong nước. Nhựa anion bazo mạnh có thể hấp thụ nhóm điện tích dương trong dung dịch có môi trường pH khác nhau dẫn đến hiệu ứng trao đổi anion. 

Loại hạt này cũng có thể được hoàn nguyên để tái sử dụng lại bằng cách sử dụng dung dịch kiềm mạnh.

• Anion bazơ yếu

Hạt trao đổi anion bazo yếu có thể chứa một lượng lớn các nhóm kiềm yếu bậc q như –NH3-CL, amin bậc 3 –NR2, nhóm amin thứ cấp NHR, có thể phân ly trong nước và OH- kiềm yếu. Loại nhựa này có thể hấp thụ các nhóm điện tích dương để trao đổi anion và chỉ có thể hoạt động tốt trong môi trường pH trung tính hoặc môi trường axit.

Để tái sinh hạt trao đổi anion bazo yếu chúng ta có thể sử dụng Na2CO3, NH4OH

3.3. Loại Anionit lưỡng tính

Hạt trao đổi ion dạng anionit lưỡng tính chứa những nhóm có khả năng trao đổi cả cation và anion, với sự kết hợp này sẽ có thể giúp loại bỏ hầu hết cặn bẩn có trong nước.

4. Ưu và nhược điểm của hạt trao đổi ion trong ứng dụng thực tế

Ưu điểm:

• Tuổi thọ dài, có thể tái sinh nhiều lần nên mang tính kinh tế cao
• Tiêu thụ điện năng ít
• Dễ lắp đặt và vận hành
• Thân thiện với người dùng và môi trường

Khuyết điểm 

• Do tính chất chỉ có thể trao đổi ion nên hạt trao đổi ion không thể dùng để lọc các hợp chất hữu cơ hay ion Fe3+ vì Fe3+ có thể bám dính trên hạt ion làm giảm hiệu suất của hạt nhựa. Do đó cần loại bỏ Fe3+ và các hợp chất hữu cơ trước khi đưa đến tầng lọc nhựa hạt trao đổi ion để đảm bảo tuổi thọ cũng như hiệu suất của hạt.

Kết luận: Hạt trao đổi có nhiều ưu điểm đặc biệt là tuổi thọ cao và có thể tái sinh nhiều lần. Do đó được nhiều nhà sản xuất máy lọc nước ứng dụng để chất lượng nước đạt chất lượng cao.

Nguyệt Vi