Hạt nhựa trao đổi ion là gì? Ứng dụng trong đời sống con người

Chắc hẳn bạn đã một lần nghe nhắc đến hạt nhựa trao đổi ion. Tuy nhiên, có thể bạn sẽ không biết hạt nhựa trao đổi ion là gì? Các ứng dụng hạt nhựa ion vào đời sống ra sao? Vậy thì bạn hãy cùng Ocany theo dõi bài viết dưới đây để tìm ra lời giải đáp nhé!

Hạt nhựa trao đổi ion là gì?

Trao đổi ion là một quá trình phản ứng hóa học thuận nghịch. Trong đó các ion hòa tan bị loại bỏ và thay thế bằng một ion khác có cùng điện tích hoặc tương tự. Hạt nhựa trao đổi ion (hạt resin) là hạt nhựa có chứa các ion dễ dàng trao đổi với các ion khác có trong dung dịch khi dung dịch chảy qua cột trao đổi và không tan trong nước. Bản thân hạt nhựa trao đổi ion không tham gia phản ứng hóa học. Thay vào đó, môi trường vật lý sẽ tạo điều kiện cho các phản ứng trao đổi ion được diễn ra.

Cấu trúc của nhựa trao đổi ion được hình thành bởi các chuỗi hydrocacbon liên kết chéo trong một quá trình được gọi là quá trình trùng hợp. Liên kết ngang mang lại cho polyme nhựa một cấu trúc bền hơn, đàn hồi hơn và dung lượng lớn hơn (tùy thuộc vào thể tích).

Hầu hết các loại nhựa trao đổi ion đều được cấu tạo từ polystyrene, một số được sản xuất từ acrylic (có thể là acrylonitrile hoặc methyl acrylate). Cấu trúc cơ bản của nhựa trao đổi được tạo thành từ các phân tử styren.

Hạt nhựa trao đổi ion không có khả năng hòa tan trong nước

Tính chất vật lý của hạt nhựa trao đổi ion

Hình dạng phân tử, kích thước và cấu trúc của nhựa trao đổi có thể thay đổi từ loại này sang loại khác. Dưới đây là một số tính chất vật lý của hạt nhựa trao đổi ion.

Hạt nhựa trao đổi thường có dạng hình cầu, kích thước nhỏ và bán kính từ 0,25 – 1,25mm.
Màu sắc hạt nhựa trao đổi ion thường sẽ bị phai sau một thời gian sử dụng. Nhựa trao đổi ion thường có một số màu cơ bản như: Nâu, đen, vàng.
Hình thái của hạt trao đổi ion có dạng hình tròn với kích thước khoảng 0,04 – 1 mm.
Khối lượng của hạt trao đổi ion sẽ tăng lên khi nhúng vào nước.
Hạt nhựa trao đổi ion được chia thành độ ẩm khô và độ ẩm ướt.
Nhựa trao đổi ion chịu được nhiệt độ ở một giới hạn nhất định thường từ 20 – 500C sẽ cho hiệu quả làm việc tốt nhất. Nhiệt độ quá cao sẽ làm cho các hạt nhựa bị phân hủy.
Tùy thuộc vào dạng ion sẽ có độ dẫn điện khác nhau. Thông thường chất trao đổi ion ẩm sẽ dẫn nhiệt tốt hơn.

Hạt nhựa có khả năng làm mềm nước cứng

Ngoài ra, hạt nhựa ion có khả năng bị vỡ trong quá trình hoạt động nếu có va chạm. Đồng thời nó cũng sẽ bị giảm tuổi thọ khi tiếp xúc với chất oxi hóa mạnh.

Cấu tạo hạt nhựa trao đổi ion

Hầu hết các thành phần của nhựa trao đổi ion là polystyrene, một số được sản xuất từ acrylic hoặc methyl acrylate. Chúng được cấu trúc từ các chuỗi hydrocacbon liên kết chéo. Điều này mang lại cho các hạt ion một cấu trúc chắc hơn, độ đàn hồi tốt hơn và sức chứa lớn hơn. Nhìn chung, hạt nhựa trao đổi ion có cấu trúc rỗng gồm 2 phần có bản là gốc chức cố định và nhóm linh động (có khả năng trao đổi ion).

Cấu tạo hạt nhựa trao đổi ion

Ưu điểm và nhược điểm của hạt nhựa làm mềm nước là gì?

Một số ưu và nhược điểm nổi bật của hạt nhựa trao đổi ion mà chúng ta không thể không nhắc đến là:

Ưu điểm

Thời gian sử dụng lâu dài.
Dễ dàng cài đặt và vận hành.
Có thể tái sinh nhiều lần với giá thành rẻ.
Mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Chỉ hấp thụ các chất có sẵn trong nước nên rất thân thiện với môi trường.
Không tham gia phản ứng hóa học, khó tan nên không ảnh hưởng đến chất lượng nước.

Nhược điểm

Nếu trong nước có các hợp chất hữu cơ hoặc ion Fe3 +, chúng sẽ bám vào các hạt nhựa tạo thành ion làm giảm khả năng trao đổi hạt nhựa ion.
Chỉ được sử dụng để trao đổi ion, không dùng để lọc các hợp chất hữu cơ hoặc ion Fe3 +.
Cần loại bỏ các chất hữu cơ khác hoặc sắt trước khi qua hệ thống lọc nước để đảm bảo hạt nhựa trao đổi ion hoạt động hiệu quả.

Hạt nhựa trao đổi ion có nhiều ưu và nhược điểm khác nhau

Các loại hạt nhựa trao đổi ion

Có rất nhiều thương hiệu hạt nhựa trao đổi ion như: Hạt nhựa trao đổi ion mixbed, hạt nhựa purolit c100, Mitsubishi, laxness… Tuy nhiên, về công dụng thì chúng thường được chia thành 2 loại chính, bao gồm: hạt nhựa cation và hạt nhựa anion.

Nhựa cation

Nhựa trao đổi cation là một loại hạt có thể hấp thụ các ion dương từ dung dịch điện phân. Nó tính axit và thường được sử dụng để làm mềm nước. Có hai loại hạt cation chính:

Nhựa trao đổi cation có tính axit mạnh: Loại này chứa một lượng lớn nhóm axit mạnh SO3H dễ tách H + trong dung dịch.
Nhựa trao đổi cation có tính axit yếu: Chứa các nhóm axit yếu như cacboxyl-COOH, có thể phân ly H + và nước có tính axit.

Hạt nhựa có đa dạng màu sắc

Hạt nhựa Anion

Hạt nhựa anion có khả năng hấp thụ các ion âm từ dung dịch điện phân có tính kiềm. Loại hạt này thường được sử dụng để loại bỏ nitrat hoặc các tạp chất hữu cơ. Hạt nhựa trao đổi ion Anion cũng có 2 loại chính:

Hạt trao đổi anion có tính kiềm (bazơ) mạnh: Chứa các nhóm mạnh có tính bazơ như amin bậc 4 (hay còn gọi là amin bậc 4) -NR3OH (R là một nhóm hiđrocacbon), để phân ly OH- trong nước.
Chất trao đổi anion có tính kiềm (bazơ) yếu: Chứa một nhóm có tính kiềm yếu, chẳng hạn như amin bậc một. -NH2, hoặc -NHR và -NR2 có thể phân ly trong nước và OH-, có tính kiềm yếu.

Cách sử dụng hạt nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion là vật liệu trao đổi ion làm mềm nước không thể thiếu trong các hệ thống xử lý nước RO, máy lọc nước đầu nguồn. Tác dụng chính của loại hạt nhựa trao đổi ion này là:

Làm mềm nước, loại bỏ độ cứng của nước bằng cách giảm nồng độ Ca2 + và Mg2 + và tăng nồng độ Na +.
Loại bỏ các khoáng chất và kiềm cũng như các chất không cần thiết trong nước như: Bari, Canxi, Crom, Mangan, Magie, Radium, Asen, Uranium…
Giúp loại bỏ nitrat CO32-, CN-, NO3-, ClO4-, SO42.

Nguyên tắc trao đổi ion của hạt nhựa

Khi nước chảy qua cột chứa các hạt trao đổi ion thì trong cột sẽ diễn ra quá trình như sau: Hạt nhựa trao đổi ion H + lấy bất kỳ cation nào chúng gặp như: Na +, Ca2 +, Al3 +, Mg2 +… Tương tự hạt nhựa trao đổi anion sẽ trao đổi OH- với bất kỳ anion nào như: Cl– Các ion NO3-, SO42-… H + từ bộ trao đổi cation kết hợp với các ion OH– từ bộ trao đổi anion để tạo thành nước tinh khiết (H2O).

Hạt trao đổi ion hoạt động dựa trên nguyên tắc này vì các ion liên kết vĩnh viễn trong cấu trúc của hạt. Các ion tích điện sẽ dễ dàng liên kết với các ion mang điện tích trái dấu tạo thành một liên kết cố định. Đồng thời, các phản ứng này sẽ tiếp tục liên kết với các nhóm chức năng cho đến khi nó đạt được trạng thái cân bằng. Sau một thời gian sử dụng, các hạt trao đổi ion này sẽ mất tác dụng và cần được tái sinh bằng dung dịch phù hợp.

Có nhiều cách để sử dụng hạt nhựa trao đổi ion

Cách tái sinh hạt nhựa trao đổi ion

Để tái sinh nhựa trao đổi ion, bạn có thể sử dụng dung dịch Natri clorua (NaCl), axit clohydric (HCl) hoặc NaOH. Tuy nhiên, được sử dụng phổ biến nhất là natri clorua (NaCl). Quá trình tái sinh hạt nhựa trao đổi ion sẽ diễn ra phản ứng sau:

R2Ca + 2 NaCl <-> 2 RNa + CaCl2
R2Mg + 2 NaCl <-> 2 RNa + MgCl2

Lưu ý: Muối tái sinh phải là muối hoàn toàn tinh khiết hoặc muối hoàn nguyên có hàm lượng NaCl là 99,5%. Bạn không được sử dụng dung dịch muối ăn thông thường vì chứa nhiều tạp chất như: Ca2 +, Mg2 +, Cl-, SO42-, Br -… những tạp chất này sẽ ảnh hưởng lớn đến toàn bộ hệ thống xử lý nước, gây hỏng hạt nhựa.

Những ứng dụng của hạt nhựa trao đổi ion vào thực tế?

Nhựa trao đổi ion là một sự lựa chọn với chi phí thấp để làm sạch, cô lập và khử nhiễm các dung dịch có chứa các loài ion. Ngoài chi phí thấp, các quá trình trao đổi ion có thể thuận nghịch trong tự nhiên và nhựa trao đổi có thể được tái sinh bằng cách xử lý đơn giản với dung dịch có chứa lượng dư các ion bị dịch chuyển.

Những ứng dụng điển hình trong phòng thí nghiệm gồm việc tách axit hữu cơ và các phân tử sinh học như peptit hay protein. Tuy nhiên, hạt nhựa trao đổi ion còn có một số ứng dụng công nghiệp từ xử lý nước, quy trình lọc trong các ngành công nghiệp luyện kim, dược phẩm, thực phẩm và đồ uống, hạt nhân và chất bán dẫn. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu một số ứng dụng cơ bản của hạt nhựa trao đổi ion này.

Làm mềm nước

Xử lý nước cứng là một ứng dụng phổ biến nhất của nhựa trao đổi ion. Nước cứng có chứa muối canxi và magie dư thừa và hạt nhựa có chứa các ion natri được sử dụng để thay thế các ion canxi và magie đó. Sau khi làm mềm nước cứng, nhựa được tái sinh bằng dung dịch giàu ion natri như natri clorua. Các ion natri quay trở lại vị trí hoạt động trên nhựa và có thể được sử dụng lại để làm mềm nước cứng thêm.

Lọc nước

Trong quá trình này, hạt nhựa trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ các kim loại nặng độc hại như chì và cadmium khỏi nước. Loại nhựa hỗn hợp có chu kỳ tái sinh không đều, có thể được sử dụng để khử tạp chất.

Hạt nhựa trao đổi ion mang lại rất nhiều ứng dụng trong đời sống hằng ngày

Làm sạch kim loại

Chất trao đổi ion được sử dụng thường xuyên để tinh chế các nguyên tố như uranium khỏi plutonium. Trong nhiều năm, hạt nhựa trao đổi ion đã được sử dụng thường xuyên, nhưng chiết xuất bằng dung môi cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc tách nhóm lantan và actinide. Các thiết bị trao đổi ion cũng tìm thấy một ứng dụng quan trọng trong chế biến nhiên liệu hạt nhân và tái chế chất thải phóng xạ.

Dược phẩm

Nhựa trao đổi ion được sử dụng để làm sạch kháng sinh từ nước dùng lên men, làm tá dược để giải phóng có kiểm soát các thành phần hoạt tính. Đồng thời, nó cũng được dùng để khử mùi độc hại của một số hợp chất thuốc.

Nước trái cây và đồ uống

Nhựa trao đổi ion được ứng dụng trong một số ngành công nghiệp trái cây và nước giải khát để cải thiện mùi vị và hương thơm. Thông qua việc loại bỏ các thành phần không mong muốn, nó giúp cho nước uống thêm thơm ngon và hấp dẫn người dùng. Các ứng dụng phổ biến của hạt nhựa ion là loại bỏ các kim loại vi lượng, mùi và vị khó chịu, khử màu và xử lý sơ cấp nước được sử dụng trong sản xuất nước trái cây và đồ uống khác.

Qua nội dung bài viết trên, Ocany đã cùng bạn tìm hiểu về cấu tạo của hạt nhựa trao đổi ion và những ứng dụng của nó vào đời sống. Ocany chúc bạn sẽ ứng dụng thành công hạt nhựa này trong việc bảo vệ sức khỏe của các thành viên trong gia đình.

Nguyễn Kiều Linh

Nguyễn Kiều Linh hiện là chuyên viên SEO, chuyên phân tích lập kế hoạch và triển khai các chiến dịch SEO giúp Khách hàng gia tăng hiệu quả bán hàng trên website, đồng thời là tác giả chia sẻ Blog trên Ocany với sứ mệnh cung cấp những giá trị tốt nhất và thông tin hữu ích về sức khỏe, liftstyle, cách chăm sóc bản thân và gia đình.

drinkocany.com/