Hạt nhựa Cation làm mềm nước, được sử dụng trong công nghệ xử lý canxi và magie trong nước. Nếu gia đình bạn ở những vùng núi đá vôi, hoặc những vùng đồng bằng thì không còn xa lạ gì với cặn vôi cả. Cặn vôi, là những ion hòa tan trong nước, chính vì vậy muốn loại bỏ canxi, phương pháp phổ biến nhất là sử dụng các ion để thay thế.

1:Hoàn cảnh ra đời của hạt nhựa Cation làm mềm nước.

Lịch sử phát triển của hạt nhựa Ion, có từ rất lâu đời. Tuy nhiên cho đến năm 1905, Các nhà hoá học người Đức mới ứng dụng, Ion vào lĩnh vực làm mềm nước. Khi đó được sử dụng là các hạt nhựa trao đổi cation.

Tuy nhiên, để được phát triển rộng thì phải đên năn 1935, do một nhà khoa học người Mỹ, tên là Permutit Company nghiên cứu và phát triển mạnh.

Tuy nhiên, đề tài này bị hạn chế do rất nhiều yếu tố. Nhưng vào Năm 1944, đề tài này lại được phát triển, nhờ một nhóm các nhà nghiên cứu của Mỹ, D’ Alelio phát triển nhựa trao đổi  cation, đồng trùng hợp của styrene và divinylbenzen.

Nhựa anion, loại này được phát  triển năm 1948, có thể tách hoàn toàn các khoáng trong nước, và được dùng rộng rãi cho đến ngày nay.

2:Phân loại hạt nhựa Cation làm mềm nước.

Tính chất trao đổi của nhựa trao đổi ion, được quyết định bởi các nhóm đặc trưng, trong khung cao phân tử của hạt nhựa, và các ion linh động.

Các nhóm này, mang điện tích âm hoặc dương, tạo cho hạt nhựa có tính kiềm hoặc acid. Các nhóm đặc trưng có trong ionit, nối với các ion linh động có dấu ngược lại bằng liên kết ion.

Các ion linh động này, có khả năng trao đổi với các ion khác trong dung dịch.

Nhựa trao đổi cation (cationit) 

Là những chất có đặc trưng acid. Trong cấu tạo mạng lưới của hạt nhựa có mang điện tích âm, kèm theo nhóm đặc trưng có một cation linh động, có khả năng trao đổi với các cation khác trong dung dịch.

Các ion linh động của cationit thường là H, thường được gọi là nhựa trao đổi cation dạng H. Nếu thay H bằng Na, nhựa được gọi là Na-cationit
Các nhóm đặc trưng của cationit : -SO3H, -COOH, -OH (của phenol), H2PO3Các nhóm đặc trưng càng nhiều, khả năng trao đổi càng tăng, đồng thời độ hoà tan trong nước của nhựa cũng tăng.

Nếu tăng độ nối ngang trong cấu trúc của nhựa ionit, thì khả năng trao đổi, độ hoà tan giảm, nhưng độ trương sẽ tăng. Có hai loại cationit:

Cationit acid mạnh:

nhóm đặc trưng là -SO3H, -PO3H, Có khả năng phân ly thành ion linh động, ít linh động trong tất cả các môi trường trung tính, kiềm, acid.

Do đó khả năng trao đổi của chúng, không bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch. 

Cationit acid yếu:

nhóm đặc trưng -COOH, -OH Phân ly yếu trong môi trường acid, khả năng trao đổi, phụ thuộc vào pH của môi trường nước.

Trong môi trường kiềm, khả năng phân ly mạnh nên khả năng trao đổi lớn. Trong môi trường acid, khả năng phân ly thấp, dẫn đến khả năng trao đổi thấp.

3:Khả năng hoạt động của hạt nhựa Cation làm mềm nước.

Dung lượng hoạt động ổn định của hạt nhựa, được xác định từ các giá trị tổng lượng ion có thể trao đổi, trong cột tại điểm cuối, và phần của mỗi loại ion trao đổi được giải hấp trong quá trình tái sinh.

Khả năng làm việc của ‘nhựa bình thường’ , hay ‘nhựa chuẩn’ không chỉ phụ thuộc vào khả năng của ion linh động trao đổi, với các ion trong dung dịch, mà còn khả năng của các ion thay, thế khuếch tán sâu vào trong nhựa.

Khi chất hoạt tính, có nguồn gốc khoáng sử dụng, khả năng thâm nhập của các ion, phụ thuộc vào độ xốp của chất hoạt tính, và kích thước của ion thay thế. Với lỗ xốp nhỏ, ion lớn sẽ không có quá trình trao đổi ion.

Tương tự với các chất hoạt tính, có nguồn gốc từ khoáng, người ta cũng sử dụng từ ĐỘ XỐP (porosity) khi sử dụng nhựa trao đổi ion.

Độ xốp của nhựa trao đổi ion, có thể dự đoán bằng cách cho hấp thu hơi của một chất lỏng trơ, hay hấp thu hơi N 2 ở nhiệt độ thấp.

Các phương pháp. Hạt nhựa Cation làm mềm nước

Các phương pháp này, được sử dụng để đánh giá độ xốp, thường gọi là chất trao đổi ion chuẩn, là nhựa trao đổi ion được copolymer hoá, bằng phương pháp thông thường của styrene hay monomer, khác với tác nhân liên kết ngang như divinylbenzene.

Nguời ta chỉ ra rằng, thể tích lỗ xốp tổng của nhựa trao đổi ion với 2% divinylbenze, là 0,004cm 3/g, 16% divinylbenzene là 0,001cm3/g.

Giá trị này nhỏ hơn 10 lần đối với polymer mạch thẳng, (tuyến tính) và nhỏ hơn 100 lần, so với thể tích lỗ xốp tổng cộng của than xốp loại tốt.

Diện tích bề mặt riêng, của chất trao đổi ion này khoảng 0,1 m 2/g, với chất hoạt tính có nguồn gốc khoáng chất là 600-800 m2/g.
Dĩ nhiên, khả năng hấp thụ cao của nhựa tiêu chuẩn, không liên quan gì đến độ xốp của nó. Chất trao đổi ion này chỉ hấp thụ các ion nhỏ.

Các ion lớn hơn như terramycin, penicillin và các hoạt chất sinh học khác, có thể bị hấp thu chỉ trong môi trường mà nó có thể trương.

Trong trường hợp này, sẽ có mối quan hệ trực tiếp giữa khả năng hấp thụ của nhựa trao đổi ion, và độ trương trong môi trường.

Sự hấp thu. Hạt nhựa Cation làm mềm nước

Hấp thu ion, chỉ diễn ra trong môi trường lỏng, vì vậy khả năng trương của nhựa trước tiên phụ thuộc vào khả năng hydrat hoá, của các nhóm phân ly – xác định ái lực của nhựa trong nước.

Độ hydrat hoá cao, nhựa trương tốt. Mức độ trương phụ thuộc vào ion trong dung dịch.

Nếu khả năng hydrat của các ion thay thế nhỏ hơn độ hydrat, Nhựa Trao Đổi Ion hoá của các ion bị thay thế, trong dung dịch muối hoặc acid đậm đặc, hạt nhựa sẽ bị co lại do nước đi ra dung dịch.

Mức độ trương của hạt nhựa,  phụ thuộc vào số lượng nối ngang trong polymer. Lượng nối ngang lớn, độ trương sẽ thấp.

Định lượng. Hạt nhựa Cation làm mềm nước

Định lượng mối quan hệ này rất khó, vì định lượng chính xác nối ngang thường khó biết được, (khó xác định phần nào trong polymer tham gia phản ứng, mặc dù hàm lượng chất tạo nối ngang biết được).

Trong khi trương, cấu trúc của hạt nhựa thay đổi đáng kể – giống như các chất hoạt tính không rắn điển hình, vì vậy với nhựa trao đổi ion xốp, cụm từ ‘độ xốp vi mômicroporosity’, và ‘độ xốp giữa các phân tử – intramolecular porosity’ không được sử dụng.

Trong quá trình hấp thu trên nhựa trao đổi, polymer trương, có nghĩa, nhựa là một dung dịch vi phân tử trong polymer liên kết ngang và khả năng hấp thu của nhựa có thể dự đoán từ độ trương.

Độ trương cho ta dự đoán, định lượng của tổng thể tích chiếm bởi chất lỏng vi phân tử trong polymer xốp. Thường thể tích này không quan trọng so với thể tích lỗ xốp tổng – thể tích này gấp hằng trăm lần.

Trương có thể giảm độ bền của polymer, và giảm thời gian sử dụng của hạt nhựa. Với nhựa trao đổi ion, cụm từ ‘khả năng thấm’ có thể dùng nhưng với một nghĩa đặc biêt.

Rửa hạt lọc trao đổi Ion. Hạt nhựa Cation làm mềm nước

Rửa ngược hạt nhựa Cation làm mềm nước

Đây là bước đầu tiên cần thiết chuẩn bị cho quá trình tái sinh hạt nhựa, (đã sử dụng hết hoặc bảo hoà). Dòng rửa đi từ dưới lên sẽ tác động vật lý của rửa ngược:

• Tầng vật liệu được tơi xốp hơn, giản ra, sắp xếp lại làm cho dòng chất lỏng đi từ trên xuống sẽ được phân bố đồng đều hơn khi hoạt động trở lại.
• Cặn bẩn được rửa sạch khỏi thiết bị
• Các ion được phân bố đồng đều hơn trong toàn bộ tầng nhựa. Khối lượng riêng của hạt nhựa, kích thước hạt, độ nhớt của dung dịch, ảnh hưởng đến khả năng làm sạch hạt nhựa, bằng quá trình rửa ngược, đưa các tạp chất lơ lửng thải ra ngoài. Thông thường, nước được dùng để rửa ngược vì sử dụng một lượng lớn, rẻ tiền.
• Trong một điều kiện nào đó, hoạt động như một máy lọc các chất rắn lơ lửng. Khi làm mềm nước đã xử lý bằng vôi, lớp kết tủa có thể hình thành trên tầng nhựa trao đổi. Quá trình rửa là cần thiết. Có thể dùng khí nén, để phá vỡ lớp kết tủa này trước khi rửa ngược. Đôi khi, người ta sử dụng các hoá chất để khống chế sự hình thành các khối kết tủa này.

Quá tình tái sinh Hạt nhựa Cation làm mềm nước

Sau rửa ngược là quá trình tái sinh.Tác nhân tái sinh, sử dụng phụ thuộc vào loại nhựa và loại ion sẽ trao đổi. Nhựa anion được tái sinh bởi dung dịch NaOH hoặc Na2CO3. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tái sinh:

• Loại nhựa và lượng nối ngang.
• Loại tác nhân tái sinh.
• Thành phần của tầng nhựa sau khi hoạt động.
• Tốc độ chảy
• Nhiệt độ
• Độ tinh khiết của TNTS
• Nồng độ của TNTS
• Thời gian tiếp xúc

Nếu tác nhân tái sinh là đơn hoá trị, thì nồng độ của nó ít ảnh hưởng đến quá trình giải hấp, của các ion đơn hoá trị. Nếu thể tích của tác nhân tái sinh không đủ để tiếp xúc tốt, quy luật này sẽ bị phá vỡ.

Khi tăng nồng độ tác nhân tái sinh, có thể cải thiện được khả năng giải hấp các ion hoá trị