QUA TRINH TAY MAU DUONG BANG COT TRAO ĐOI ION LE VU HONG (10326741)

ĐỀ TÀI:

QUÁ TRÌNH TẨY MÀU ĐƯỜNG BẰNG CỘT TRAO ĐỔI ION

GVHD : Th.S HỒ XUÂN HƯƠNGSV : LÊ VŨ HỒNGMSSV : 10326741

TP. Hồ Chí Minh tháng 5 năm 2012

M C L CỤ ỤLỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI1

1.1 Tình hình sản xuất Mía đường trên thế giới1

1.2 Tình hình sản xuất đường ở Việt Nam 1

1.3. Phân tích swot ngành mía đường Việt Nam 2

1.4. Các phương pháp tẩy màu đường hiện nay 3

1.4.1. Khả năng sử dụng H2O2 để xử lý dung dịch mía đường................................................3

1.4.2.Phương pháp sunfat hóa ......................................................................................3

1.4.3 Phương pháp than hoạt tính............................................................................................7

1.4.4 Phương pháp trao đổi ion................................................................................................7

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TẨY MÀU ĐƯỜNG BẰNG CỘT TRAO ĐỔI ION 9

2.1. Cơ sở của phương pháp 9

2.2.Một vài thuật ngữ sử dụng trong kỹ thuật trao đổi ion 9

2.3. Khái quát về chất trao đổi ion 10

2.4.Các loại vật liệu trao đổi ion 10

2.4.1.Vật liệu tự nhiên...........................................................................................................10

2.4.2.Vật liệu tổng hợp...........................................................................................................11

2.5. Cấu tạo và phân loại chất trao đổi ion 12

2.5.1. Cấu tạo.........................................................................................................................12

2.5.2 . Phân loại: có 4 loại Resin...........................................................................................12

2.6. Tính chất của chất trao đổi ion 13

2.7.Cơ chế hoạt động 14

2.8. Vai trò của phương pháp trao đổi ion trong tẩy màu đường 15

2.9. Trao đổi với chất màu trong nước mía 15

2.10.Quá trình rửa ngược: (quá trình tái chế ) 17

2.10.1.Tái sinh Sau rửa ngược...............................................................................................17

2.10.2.Lượng tác nhân tái sinh TNTS sử dụng......................................................................17

CHƯƠNG III: THIẾT BỊ CỘT TRAO ĐỔI ION 18

3.1. Thiết bị trao đổi ion 18

3.2. Hạt nhựa trao đổi ion 19

LỜI MỞ ĐẦU

Với những điều kiện tự nhiên thuận lợi ở nước ta, ngành Mía đường là một trong những

ngành có thuận lợi để phát triển và ưu tiên đầu tư hàng đầu. Đầu tư vào Mía đường, thứ nhất

để đáp ứng trước mắt nhu cầu tiêu thụ đường trong nước đang dẫn được nâng cao theo điều

kiện mức sống của người dân ngày càng được nâng lên.Thứ hai là để phục vụ cho xuất khẩu

đường ra thế giới thu hút thêm lợi nhuận cho Quốc gia.

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì đời sống của con người

cũng ngày càng được cải thiện và nâng cao, kéo theo đó sự tăng lên về nhu cầu sử dụng

đường mía, các sản phẩm từ đường mía. Tuy nhiên phần đông người tiêu dùng hiện nay

thường rất ít các thông tin về cách sản xuất đường, cũng như những hướng dẫn về cách làm

sao có thể chọn một sản phẩm đường tốt, an toàn.

Trong công nghiệp sản xuất đường, thông thường thì khi cây mía được đưa vào sản xuất

không hề qua công đoạn rửa sơ bộ nào nên nước mía hổn hợp thu được sau khi ép luôn có

mặt các chất không đường. Các chất này ảnh hưởng lớn đến quá trình sản xuất cũng như chất

lượng của sản phẩm, phần lớn lượng chất này không có lợi cho khâu chế biến đường, nó làm

tăng độ hoà tan của saccaroza, tăng mật cuối, tăng tổn thất đường trong quá trình chế biến.

Ngoài ra, nếu có acide thì sẽ gây chuyển hoá đường saccharoza. Vì vậy, trong công nghệ sản

xuất đường thì quá trình làm sạch và tẩy màu nước mía hổn hợp sau khi ép là công đoạn hết

sức quan trọng không thể bỏ qua. Nước mía hổn hợp có nhiều thành phần hoá học phức tạp,

có thể coi nước mía là một hệ keo phức tạp. Do đó, quá trình làm sạch và tẩy màu nước mía

dựa vào lý thuyết hoá học của các chất keo chủ yếu dựa vào các yếu tố như: pH, nhiệt độ,

chất điện ly, chất trao đổi ion. Trong đó, các chất trao đổi ion là một trong những yếu tố quan

trọng tác động đến quá trình làm sạch.

Vì vậy, trong bài tiểu luận này chúng em sẽ chú trọng tìm hiểu về vai trò của các chất trao

đổi ion trong quá trình làm sạch và tẩy màu nước mía. Ngoài ra, kỹ thuật này còn ứng dụng

cho việc thay thế các ion tạo mật lớn bằng các ion tạo mật ít hơn, tăng hiệu suất thu hồi

đường. Do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn sẽ có những sai sót trong quá

trình làm bài, rất mong cô và các bạn bỏ qua và đóng góp ý kiến để bài làm của chúng em

được hoàn thiện hơn.

Tiểu luận CNSX ĐƯỜNG-BÁNH-KẸO GVHD: Th. S HỒ XUÂN HƯƠNG

CHƯƠNG I: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI1.1 Tình hình sản xuất Mía đường trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới sản xuất đường đạt khoảng 160 triệu tấn/năm. Các nước sản xuất đường lớn trên thế giới là Brazil, Ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc chiếm 50% sản lượng và 56% xuất khẩu của thế giới.

Theo báo cáo mới nhất từ Hiệp hội mía đường thế giới ISO, sau 2 năm nhu cầu tiêu thụ vượt tổng cung thế giới lên đến 15 triệu tấn, lượng đường tồn kho đang ở mức rất thấp và phải cần

ít nhất 2 năm để phục hồi lại mức tồn kho trước đây. Trong vụ mùa mới 2011-2012 bắt đầu từ tháng 10 sắp tới, lượng đường thặng dư được dự báo chỉ đạt khoảng 779,000 tấn đường, sụt giảm mạnh so với dự báo sẽ thặng dư khoảng 3 triệu tấn đường, nguyên nhân xuất phát từ sự sụt giảm sản lượng bất ngờ tại Brazil

Nguồn cung đường trên thị trường thế giới dự báo tiếp tục giảm trong năm 2011 do thời tiết xấu làm giảm sản lượng mía và củ cải đường. Công ty tư vấn Kingmsan SA đã dự báo thị trường đường thế giới niên vụ 2010/11 sẽ thiếu hụt 370.000 tấn khi sản lượng chỉ ở 165,14 triệu tấn còn tiêu thụ 165,51 triệu tấn. Ấn Độ, nước sản xuất đường lớn thứ hai và tiêu thụ lớn nhất thế giới, được dự báo tăng sản lượng lên 24,5 triệu trong năm nay và sẽ có lần đầu tiên trong vòng 3 năm nguồn cung vượt cầu. Ấn Độ cũng là nước sản xuất đường lớn duy nhất đựơc dự báo sản lượng tăng.1.2 Tình hình sản xuất đường ở Việt Nam

Ngành sản xuất đường tại Việt Nam đã có từ lâu đời, từ khi người dân chúng ta biết làm nên mật mía từ cây mía, nhưng ngành công nghiệp mía đường tại Việt Nam chỉ mới bắt đầu phát triển vào đầu những năm 1990, vẫn còn rất non trẻ và khá lạc hậu. Cho đến giai đoạn hiện nay ngành mía đường tại Việt Nam vẫn chưa phát triển mạnh để có thể trở thành ngành công nghiệp chủ lực của nền kinh tế. Nước ta sản xuất 3 loại đường chính:

- Đường tinh luyện RE hay còn gọi là đường cát trắng - Đường vàng RS - Đường xay (hay đường thô) Đặc trưng của ngành mía đường Việt Nam là có tính thời vụ, thường chủ yếu thu

hoạch,vận chuyển và sản xuất trong thời gian khoảng 5 tháng (tháng 11 đến tháng 4 năm sau),sau đó tồn kho thành phẩm để bán cho các tháng còn lại trong năm. Vì vậy nên chi phí tồn trữ hàng hóa này rất cao và giá thành sản phẩm khá cao.

Hiện tại, sản xuất đường trong nước mới chỉ đáp ứng được khoảng 70% nhu cầu tiêu thụ, phần còn lại chủ yếu nhập khẩu từ Trung Quốc và Thái Lan. Thị phần tiêu thụ hiện nay ngoài SBT, LSS, BHS và NHS, trên thị trường đường còn có Công ty đường Quảng Ngãi và Công ty đường Cần Thơ là các công ty lớn có sức cạnh tranh cao. Phần còn lại của thị trường là các công ty đường nhỏ chiếm dưới 2% thị phần và các doanh nghiệp nhập khẩu đường để kinh doanh chiếm dưới 2% thị phần. Nhìn chung qua các năm, tình trạng cạnh tranh không diễn ra dữ dội do nguồn cung yếu hơn cầu.

Tuy nhiên trong năm 2011, sản lượng đường trong nước đã đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ, Bộ Công Thương lại cho nhập 250.000 tấn đường gây tình trạng dư thừa.

Sản lượng sản xuất trong nước các năm gần đây chỉ dao động quanh mức 900.000 tấn – 1,1 triệu tấn/năm; trong khi nhu cầu khoảng 1,4 – 1,5 triệu tấn. Loại trừ các khoản nhập khẩu lậu qua biên giới, mỗi năm Việt Nam cần nhập khẩu trong hạn ngạch khoảng 300.000 tấn đường. Quota nhập khẩu đường: kể từ năm 2010, khi thuế nhập khẩu chính ngạch giảm về 5% và áp dụng chính sách quota nhập khẩu linh hoạt, thay đổi theo hướng lăng lên tùy thuộc vào nhu cầu nội địa. Việt Nam phải nhập khẩu đường gần 30% sản lượng tiêu thụ hàng năm,

QUÁ TRÌNH TẨY MÀU ĐƯỜNG BẰNG CỘT TRAO ĐỔI ION trang 1


trong khi sự cạnh tranh của các doanh nghiệp nội địa còn thấp, do vậy giá đường trong nước bị tác động lớn bởi giá đường thế giới.

Hình 1. Hình cây mía đường1.3. Phân tích swot ngành mía đường Việt NamĐiểm mạnh - Ngành mía đường đóng vai trò rất quan trọng cung cấp nguyên liệu cho ngành thực phẩm và nhu cầu tiêu thụ của người dân. Điều này cho thấy đầu ra của ngành mía đường rất ổn định. - Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển của cây mía do đó có thể mở rộng vùng nguyên liệu. - Chi phí nhân công rẻ, thị trường tiêu thụ lớn. Nhu cầu tiêu thụ nội địa của Việt Nam ngày càng tăng cao ( năm 2011 khoảng 1,4 triệu tấn) - Được sự ưu đãi về thuế và các chính sách của chính phủ nên hoạt động của ngành ít chịu rủi ro do biến cố của thị trường.

Điểm yếu - Giá thành đường cao do máy móc công nghệ lạc hậu, công suất thấp, hiệu suất thu hồi đường của các nhà máy thấp, đồng thời Việt Nam là nước mới tham gia vào thị trường này. - Giá đường trong nước chịu ảnh hưởng lớn bởi giá nguyên vật liệu và giá đường thế giới. - Diện tích trồng mía nhỏ lẻ, năng suất mía thấp. Các doanh nghiệp sản xuất đường chưa phát triển vùng nguyên liệu tập trung dẫn đến cạnh tranh nguyên liệu đầu vào gay gắt. - Vốn đầu tư cho công nghệ sản xuất lớn, do đó các doanh nghiệp khó mở rộng sản xuất và nâng cao chất lượng.

Cơ hội - Tốc độ tăng trưởng GDP cao, nền kinh tế nhận được sự quan tâm của nhà đầu tư nước ngoài. Điều này được chứng minh từ thự tế là dòng vốn FDI và Việt Nam ngày càng cao, đây chính là yếu tố thu hút đầu tư mới vào ngành mía đường. - Ngành mía đường thế giới đang trên đà phục hồi đồng thời nhu cầu về ethanol tăng cao. Trong thời gian tới giá đường thế giới có khả năng tăng nhẹ. - Mức tiêu thụ đường bình quân đầu người của Việt Nam tăng trưởng khá cao. Trong khi đó sản xuất đường trong

Thách thức - Chịu ảnh hưởng lớn bởi giá đường thế giới và quan hệ cung cầu. - Các doanh nghiệp trong nước còn non trẻ nên sẽ khó chủ động trong hoạt động sản xuất kinh doanh dẫn đến chưa có hướng phát triển vùng nguyên liệu ổn định - Với chính sách bảo hộ của nhà nước một mặt thúc đẩy các doanh nghiệp mở rộng phát triển sản xuất đồng thời cũng sẽ ảnh hưởng đến tính hoạt động liên tục của ngành khi thuế nhập khẩu đường cao. - Chịu rủi ro lớn bởi thay đổi khí hậu và có tính thời vụ cao. - Các nhà máy đường trong nước có quy



nước chỉ đáp ứng 70% nhu cầu do đó tiềm năng từ nội địa còn rất lớn.

mô vừa và nhỏ, thiết bị và công nghệ lạc hậu, hiệu quả và chất lượng sản phẩm thấp.

1.4. Các phương pháp tẩy màu đường hiện nay1.4.1. Khả năng sử dụng H2O2 để xử lý dung dịch mía đường

Các số liệu thu được trong phòng thí nghiệm cho thấy dùng H2O2 có kết quả tốt hơn so với phương pháp sulfit hóa về mặt khử màu, khử polyphenol, axit amin và tinh bột cho dung dịch mía đường ảnh hưởng đối với các tính chất khác như: độ tinh khiết, hàm lượng tro khi xử lý bằng H2O2 cũng đang được thử nghiệm.

Nước mía ép là dung dịch chứa nhiều thành phần gồm đường saccharozo, đường khử, các axit hữu cơ và các chất màu. Trong quá trình chế biến, các sản phẩm như melanoidin, melanin và caramen được hình thành làm dung dịch mía ép biến màu. Khử các chất màu trong nước mía ép là vấn đề khó mà ngành sản xuất đường phải giải quyết. Tại Ấn Độ, người ta thường sử dụng SO 2

để làm trong và tẩy nước mía ép để sản xuất đường trắng. Mặt hạn chế của quá trình sulfit hóa là đưa thêm thành phần SO2 vào đường. Vì H2O2 có một

vài ưu điểm hơn SO2 như chi phí thấp, sẵn có, không độc hại và là chất tẩy sạch nên nó đã được người ta thử dùng làm chất tẩy màu cho nước mía mới ép. H2O2 không những khử được màu của nước mía ép mà còn tiếp tục khử các chất còn lại có khả năng tạo màu trong suốt quá trình sản xuất.

Các thực nghiệm đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm một nhà máy đường địa phương ở ấn Độ. Người ta đã lấy 5kg nước mía cô đặc từ quy trình sản xuất thông thường đem xử lý ở nhiệt độ 50oC với H2O2 50% và nồng độ H2O2 trong nước mía cô đặc là 10-50 phần triệu (ppm).

Những hạn chế trong quá trình sử dụng SO2 làm trong nươc mía ép và tẩy màu nước mía cô đặc cũng được khắc phục khi người ta bổ sung thêm. H2O2 đã được sử dụng thử nghiệm trong quá trình tẩy màu nước mía ép, nước mía cô đặc, đường tinh luyện nóng chảy và rượu màu. H 2O2

oxy hóa các chất màu thành loại không còn khả năng tạo ra màu và chúng sẽ dễ bị loại bỏ nhờ các chất hấp phụ. Trong các thử nghiệm ở nước đường mía cô đặc được sulfit hóa, xử lý thêm bằng H2O với liều lượng 20-50 ppm người ta thấy màu của nước đường mía cô đặc còn giảm tiếp 3 -5% nữa.

Xử lý nước đường mía cô đặc bằng H2O2 không chỉ làm chất màu bị khử, mà còn làm cho chất lượng nói chung của đường tốt hơn vì đã giảm được cả các polyphenol, axit amin và tinh bột, Hàm lượng polyphenol có thể giảm 8-9%. H2O2 có thể phân hủy axit amin thành amoniac và hợp chất cacbonyl, đạt tỷ lệ khử 4%.

Tinh bột là thành phần có vai trò chính làm tăng độ nhớt và làm chậm quá trình kết tinh đường. Tỷ lệ khử tinh bột đạt 20% khi xử lý bằng H2O2, H2O2 là chất thân môi trường, không độc, có tác dụng tẩy, đáng được ngành mía đường quan tâm.1.4.2.Phương pháp sunfat hóa Kỹ thuật sunfit hoá là phương pháp bảo quản rau quả hoặc loại bỏ màu trong công nghệ sản xuất đường bằng SO2 hoặc H2SO3. Có hai phương pháp sunfit hoá là khô và ướt.

- Đối với phương pháp ướt: người ta dùng dung dịch SO2 đã được chuẩn bị sẵn trong nước lạnh với nồng độ thích hợp để hoà dần vào sản phẩm

- Đối với phương pháp khô: thì có thể nạp trực tiếp khí SO2 từ các bình chứa vào trong phòng, hoặc đơn giản hơn là đốt lưu huỳnh trong phòng cũng sinh ra khí SO 2. Dùng SO2 và



H2SO3 có hại đến sức khoẻ, vì thế việc sunfit hoá chỉ được dùng cho những quy trình công nghệ nhằm xử lý bán thành phẩm chế biến có đun sôi (vì khi đun sôi khí SO2 sẽ bay lên) .Trong công nghệ sản xuất đường là một ví dụ điển hình Để khử khí SO2 ra khỏi thành phẩm, người ta có thể dùng nhiệt độ của hơi nước để xử lý trực tiếp bằng cách cho bán thành phẩm vào nồi, đáy nồi có hệ thống ống phun hơi nước. Phương pháp này khử rất nhanh và sạch nhưng có nhược điểm là do hơi nước phun trực tiếp cho nên hàm lượng nước tăng lên và khi cô đặc thì tốn thời gian cũng như năng lượng và có khi làm cho phẩm chất thành phẩm bị giảm về hiệu suất thu hồi.

Còn gọi là phương pháp SO2, vì ta sử dụng lưu huỳnh dưới dạnh khí SO2 để làm sạch nước mía. Có thể chia làm 3 loại:

1.4.2.1. Phương pháp sunfit hoá axit (thông SO2 vào nước mía đến pH axit)Dùng phổ biến trong sản suất đường kính trắng




Gia nhiệt 1

(t = 60 – 65oC)

Gia vôi

(pH = 6,4–6,6)

Hỗn hợp nước mía

Sữa vôi

H3PO4

Xông SO2 (lần 1)

(pH = 3,4 – 3,8)

Trung hoà

(pH = 7,0 – 7,3)

Sữa vôi

SO2

Thùng lắng Nước bùn

Lọc

Bùn Nước lọc trong

Nước lắng trong

Gia nhiệt 2

(t = 102 – 105oC)

Gia nhiệt 3

(t = 110 – 115oC)

Cô đặc

Xông SO2 (lần 2)

(pH = 6,2 – 6,4)

Mật chèSO2


1.4.2.2. Phương pháp sunfit hoá kiềm nhẹ (Chỉ xông SO2 vào nước mía, không thông SO2 vào mật chè và sản phẩm đường thô)Dùng để sản xuất đường thô, nếu so với phương pháp vôi thì hiệu quả loại chất không đường tốt hơn, tuy nhiên thiết bị phức tạp và tiêu hao nhiều hoá chất nên hiện nay ít phổ biến.


SO2 Trung hoà

(pH = 7,0 – 7,2)

Thùng lắng Nước bùn

Lọc

Bùn Nước lọc trong

Nước lắng trong

Cô đặc

Gia nhiệt 2

(t = 100 – 105oC)

Gia vôi kiềm nhẹ

(pH = 8,0 – 9,0)

Gia nhiệt 1

(t = 60 – 65oC)

Hỗn hợp nước mía

Ca(OH)2


1.4.2.3. Phương pháp sunfit hoá kiềm mạnhĐặc điểm của phương pháp này là dùng 2 điểm pH (pH trung tính và pH kiềm mạnh), do đó

có thể loại được P2O5, SiO2, Al2O3, FeO3, MgO... Nhưng điều kiện công nghệ của phương pháp này còn chưa ổn định.

1.4.3 Phương pháp than hoạt tính Than hoạt tính được dùng trong công nghiệp đường chủ yếu để khử màu cho đường có màu

tốt hơn và cải tiến đáng kể những đặc tính của quá trình sản xuất. Xử lý bằng than hoạt tính giúp cho việc tách những tác nhân trên bề mặt và chất keo (chất đực trong phân tử lớn) làm tăng sức căng của bề mặt và giảm độ nhớt. Điều này làm tăng tỷ lệ kết tinh của đường và tăng sự phân tách si rô và chất kết tinh bằng phương pháp ly tâm

. 1.4.4 Phương pháp trao đổi ion

Phân loại nhựa trao đổi Tính chất trao đổi của nhựa T Đ ion được quyết định bởi các nhóm đặc tr ưng trong sườn (khung) cao phân tử của nhựa và các ion linh động. Các nhóm này mang điện tích âm hoặc dương tạo cho nhựa có tính kiềm hoặc acid. Các nhóm đặc trưng 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 nhựa có mang điện tích âm (nhóm đặc trưng 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 TĐ 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), H 2PO3- Các nhóm đặc trưng càng nhiều, khả năng trao đổi càng tăng, đồng thời, độ hoà tan trong nướ c của nhựa cũng tăng. Nếu tăng độ nối ngang trong cấu trúc của nhựa aionit thì khả năng trao đổi, độ hoà tan giảm nhưng độ trương sẽ tă ng. - Có hai loại cationit:

Cationit acid mạ nh: nhóm đặc trưng là -SO3H, -PO3H.Có khả năng phân ly thành ion linh độ ng, 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 trư ng -COOH, -OH.Phân ly yếu trong môi trường acid, khả năng trao đổi phụ thuộc vào pH của môi trường. Trong môi trường kiề m, 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

Nhựa trao đổi anion (anioit): Các nhóm hoạt động mang điện tích dương, tạo cho anionit có tính kiềm, các anion linh động có thể trao đổi với các anion khác trong dung dịch. Nhóm đặc trưng: kiềm amin bậc 1, 2, 3, 4. Các anion linh động thường là OH, Cl. . .

Anionit kiềm mạnh: Nhóm đặc trưng là kiềm amin bậc 4. Nhóm OH đính vào nhờ lực tĩnh điện. Anionit kiềm mạnh có mức độ phân ly ion tốt trong tất cả các môi trường nên khả năng trao đổi của chúng không phụ thuộc pH của môi trường.

Anionit kiềm yếu: Nhóm đặc trưng là kiềm amin bậc 1–NH 2 , bậc 2 =NH và bậc N ≡. Anionit kiềm yếu chỉ phân ly trong môi trường kiềm yếu



Hình 2. Quy trình sản xuất đường tinh luyện có sử dụng phương pháp tẩymàu bằng trao đổi ion

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TẨY MÀU ĐƯỜNG BẰNG CỘT TRAO ĐỔI ION2.1. Cơ sở của phương pháp

Phương pháp này được thực hiện bằng nhựa trao đổi ion.Nhựa trao đổi ion được quyết định bởi các nhóm đặc trưng trong sườn (khung) cao phân tử của nhựa và các ion linh động. Các nhóm này mang điện tích âm hoặc dương tạo cho nhựa có tính kiềm hoặc acid. Các nhóm đặc trưng 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. 2.2.Một vài thuật ngữ sử dụng trong kỹ thuật trao đổi ion

Khối lượng riêng của hạt nhựa (density of resin) Độ bền cơ học (mechanical resistance) Kích thước hạt nhựa (grain size) Dung lượng tổng (total capacity): là lượng ion được trao đổi trong một đơn vị trọng

lượng của nhựa Khả năng tách muối (salt splitting): lượng ion Na bị hấp thụ bởi nhựa dạng H (hay lượng

H đi ra khỏi nhựa) trong một đơn vị khối lượng hay một đơn vị thể tích Độ xốp (porosity) Dung lượng trao đổi (exchange capacity): khối lượng ion giữ được trên một đơn vị thể

tích vật liệu trao đổi ‘Ion leakage’: nồng độ của ion không mong muốn bị tách ra trong dung dịch xử lý. Đường cong ‘Breakthrough’

2.3. Khái quát về chất trao đổi ion



Là hợp chất cao phân tử, không tan trong nước, làm trong sáng nước khi qua chất trao đổi ion, có khả năng giải phóng ion và trao đổi ion của mình với ion khác có trong dung dịch.Chất trao đổi ion cũng còn được gọi là nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit, các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit. Còn các ionit vừa có khả năng hấp thu cation, vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡng tính Chất trao đổi ion có hai dạng: chất trao đổi ion dương (cationit) và chất trao đổi ion âm(anionit). Mỗi dạng của chất trao đổi ion đều có những tính chất riêng biệt.2.4.Các loại vật liệu trao đổi ion Các loại vật liệu trao đổi ion được phân thành nhiều loại phụ thuộc vào các ứng dụng khác nhauCác loại vật liệu vô cơ được sử dụng khi yêu cầu về độ tinh khiết không cao lắm. Để cải thiện độ bền vật lý của hạt nhựa, phương pháp gắn các loại vật liệu trao đổi ion vào một loại vật liệu khác (có thể vô cơ hoặc hữu cơ) được nghiên cứu và phát triển mạnh.Vật liệu trao đổi cần: độ bền hoá, độ hoà tan thấp, chi phí thấp. 2.4.1.Vật liệu tự nhiên2.4.1.1. Loại vô cơ Nhiều khoáng vô cơ trong thiên nhiên được sử dụng: sét (bentonite, kaolinite,illite), mica và zeolite (như analcite, chabazite, sodalite và clinoptilolite) có tính chất trao đổi ion. Trong đó zeolite tự nhiên là loại vật liệu được sử dụng đầu tiên trong công nghệ trao đổi ion. Sét thường sử dụng làm chất độn, chất chôn lấp chất thải phóng xạ . Đất sét thường sử dụng trong các thiết bị gián đoạn, ít khi sử dụng cho hoạt động dạng cột vì có thể hạn chế dòng chảy qua cột.Các loại aluminosilicate tự nhiên cũng thường được sử dụng trong xử lý nước thải. Nó hoạt động như là: vật liệu trao đổi ion và chất lọc đặc biệt.Sét và zeolite thiên nhiên tuy được thay thế dần bởi các loại vật liệu tổng hợp song nó vẫn được dùng trong một số ứng dụng nào đấy do rẻ và sẵn có trong thiên nhiên. Một số nhược điểm của loại vật liệu này:

- Dung lượng trao đổi thấp-Bền cơ thấp - Kích thước lỗ xốp không khống chế được- Các hạt sét có khuynh hướng tạo thành các hạt keo- Khó gia công đúng kích thước theo yêu cầu- Có thể bị phân huỷ trong môi trường acid hoặc kiềm

2.4.1.2. Loại hữu cơ Một lượng lớn các chất hữu cơ có tính chất trao đổi ion như : polysaccharides(cellulose, algic acid, rơm, than bùn), proteins (như casein, keratin và collagen) và các loại than (như than bùn, than nâu). Mặc dù dung lượng hoạt động của các loại vật liệu này thấp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi do giá thành thấp. Các nhược điể m chính của loại vật liệu này:

- Dung lượng trao đổi thấp so với các loại vật liệu khác- Trương nở lớn và dễ bị pettize hoá-Vật liệu cenllulose và protein rất không bền với

phóng xạ - Cấu trúc vật lý kém-Tính chất vật lý không đồng nhất- Độ chọn lọc kém- Không bền khi pH nằm ngoài dãy pH trung tính.

2.4.1.3. Vật liệu biến tính



Để cải thiện dung lượng trao đổi, độ chọn lọc một số vật liệu hữu cơ được biến tính.Ví dụ vật liệu trao đổi ion trên cơ sở cellulose được biến tính bằng cách đưa thêm vào nhóm phosphate, carbonic hoặc nhóm chức acid khác. 2.4.2.Vật liệu tổng hợp2.4.2.1. Vật liệu vô cơ tổng hợp *Zeolites: là loạ i vậ t liệu vô cơ đầu tiên được sử dụng trên một quy mô lớn tách chất ô nhiễm phóng xạ. Zeolite là loại vật liệu trên cơ sở là aluminosilicate, có thể tổng hợp dưới dạng bột, hạt hoặc viên. Ưu điểm:

Ưu điểm của loại này là có thể thay đổi tính chất hoá học trong một khoảng rộng, kích thước lỗ xốp được khống chế , bền nhiệt. Nhược điểm:

Chi phí cao hơn so với loại có sẵn trong thiên nhiênBền hoá học, bền trong các môi trường pH khắc nghiệt kémDễ nứt, bền cơ học kém. Độ chọn lọc và dung lượng của zeolite có thể phù hợp với các công

nghệ có độ muối thấp. Nếu trong dòng thải có mặt các ion khác, các tâm hoạt động của zeolite bị các ion này chiếm giữ do đó sẽ giảm dung lượng hoạt động.

Ví dụ khi có K, khả năng trao đổi của zeolite với Ce bị giảm đi. Trong dung dịch có nồng độ muối cao, dung lượng hoạt động của zeolite là rất nhỏ .Các hợp chất của Ti, Si-Ti:

Trong nhiều năm qua, oxide và hydro oxide của Ti được biết đến khả năng tách loại ion trong dung dịch. Năm 1955 ở UK và sau đó là Đức và Nhật sử dụng hydroustitanium oxide (HTiO) để tách uranium trong nước biển với quy mô lớn 2.4.2.2.Vật liệu hữu cơ tổng hợp

Ngày nay, nhóm lớn nhất trong loại vật liệu này là nhựa trao đổi ion dạng bột (5-150µm) hay dạng hạt (0,5-2mm). Mạch hydrocarbon phân bố ngẫu nhiên tạo nên một mạng lưới rất linh động. Trên mạch này có mang các điện tích cố định trên các vị trí khác nhau. Nhựa không tan do có các liên kết nối ngang. Lượng nối ngang sẽ ảnh hưởng đến kích th ước hạt nhựa qua sàng, khả năng trương, chuyển động của các ion linh động, độ cứng và độ bền cơ học. Lượng nối ngang lớn, sẽ làm tăng độ cứng của nhựa, tăng độ bền cơ , ít lỗ xốp và ít trường trong dung môi. Khi vật liệu này ngâm trong dung môi hoặc trong nước, nó sẽ trương lên. Mức độ trương phụ thuộc vào đặc tính của cả dung môi và chính vật liệu, nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: độ phân cực của dung môi, độ liên kết ngang, dung lượng trao đổi, độ solvat hoá mạnh hay yếu của nhóm cố định, kích thước solvat của các ion trao đổi, nồng độ dung dịch.

Ưu điểm nổi bật của loại vật liệu này dung lượng trao đổi lớn, áp dụng rộng rãi, đa lĩnh vực, chi phí khá rẻ so với một vài loại vô cơ tổng hợp khácCác loại nhựa chính trong nhóm này là:

Polystyrene divinylbenzene (DVB): Là sản phẩm copolymer của styrene và DVB. Độ nối ngang được quy ết định bởi lượng DVB. Nồng độ DVB thấp sẽ làm cho nhựa mề m, khả năng trương rất mạnh trong các dung môi. Các nhóm chức cố định (nhóm đặc trưng) được gắn vào trong mạng lưới mạch polymer để tạo nên khả năng trao đổi ion.

Ví dụ như nhóm –SO3H, thường từ 8 đến 10 nhóm cho 10 vòng benzene. H+ sẽ là ion linh động (hay ion đối – counterion) sẽ tham gia trao đổi với các cation trong dung dịch. Khi gắn các nhóm –NH3+ hay –N2+ vào trong mạch polymer, nhựa trao đổi anion được tạo ra. Các ion đối sẽ là OH - , Cl - .



Phenolic: Là sản phẩm trùng ngưng của phenol và formaldehyde với nhóm OH- là nhóm đặc trưng, cố định trong mạch polymer, là loại nhựa trao đổi cation acide yếu. Để tăng cường độ acid cho nhựa, nhóm -SO3H được gắn vào nhựa. Như vậy nhựa sẽ có hai chức năng chứa cả nhóm acid mạnh –SO3H và nhóm acid yếu –OH. Sản phẩm đa trùng ngưng (polycondensation) của resorcinol, formaldehyde được sử dụng rộng rãi ở Ấn Độ để tác Cs. Cũng có thể gắn thêm nhóm phosphoric acid vào mạch polymer để tăng khả năng làm việc của nhựa.

Acrylic : Là nhựa trao đổi ion acid yếu, có nhóm -COOH trong mạch. Là sản phẩm copolymer của acrylic hay methacrylic acid với DVB.

Nhóm –COOH có khả năng tách muối thấp nhưng trong môi trường kiềm nó có ái lực mạnh với Ca 2+ và các ion tương tự khác. Các nhóm acid khác có thể gắn vào nhựa như PO 3

2- ,PO 33- ,HPO 2-

2.4.2.3.Vật liệu compositeLà loại vật liệu kết hợp một hay nhiều vật liệu trao đổi ion với các loại vật liệu khác.Tạo ra các composite này sẽ làm tăng độ bền để có thể sử dụng trong cột. Zeolite tạo ra ở dạng hạt trên chất mang là aluminium oxide. Một loại khác được biết đến là phủ cupric ferric haxacyanoferrate trên sợi polyacrylic. Vật liệu này sử dụng để tách nước thải phóng xạ trong nhà máy nguyên tử .Một loại composite khác là sự kết hợp vật liệu trao đổi vô cơ với magnetic Fe3O4 .Do vậy sẽ dễ dàng tách loại ra khi đã bão hoà nhờ từ trường. Loại vật liệu này đã trở thành thương phẩm.

2.5. Cấu tạo và phân loại chất trao đổi ion2.5.1. Cấu tạo

Trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần. Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính). Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử.

Dùng phương pháp tổng hợp hoá học, người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựa trao đổi ion (resin). Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styren và divinylbenzen (DVB). Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những cầu nối giữa các polime có tính không hoà tan và giai bền. Cầu nối trong Resin là cầu nối 3 chiều. Trong Resin có cấu trúc rỗng. Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh hoặc yếu và trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh và yếu.2.5.2 . Phân loại: có 4 loại Resin

+ Resin Cation acid mạnh+ Resin Cation acid yếu + Resin Anion bazơ mạnh+ esin Anion bazơ yếu

Phân loại Nhóm hoạt động

P* Cấu hình tiêu biểu

Acid mạnh Acid sunfuric 1

Acid yếu Acid cacboxylic 4-5 CH2-CH-CH2- COOH


SO3N


Acid yếu Acid photphoric 2-3

Kiềm mạnh Amin bậc bốn 1

Kiềm yếu Amin bậc hai 6-9

P* là logarit hằng số phân ly cảu acid và kiềm.2.6. Tính chất của chất trao đổi ion

Tính chất vật lí:- Màu sắc: vàng, nâu, đen, thẩm. Trong quá trình sử dụng nhựa, màu sắc của nhựa mất

hiệu lực thường thâm hơn một chút.- Hình thái: nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn - Độ nở: khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước, thể tích của nó biến đổi lớn.- Độ ẩm: là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) hoặc ở dạng

ướt (độ ẩm ướt).- Tính chịu nhiệt: các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định, vượt

quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được. Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20-50 oC.

- Tính dẫn điện: chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộc vào dạng ion.

- Kích thước hạt: Resin có dạng hình cầu d = 0,04 - 1,00 mm.- Tính chịu mài mòn: trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và nở ngót, có

khả năng dể vỡ vụn. Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó.- Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ) Tính chất hóa học

- Dung lượng trao đổi: là biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion có thể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion. Có 2 phuơng pháp biểu thị dung lượng trao đổi: theo thể tích đlg/m3 và theo khối lượng mgđl/g.

- Tổng dung lượng trao đổi: chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi.

- Dung lượng trao đổi cân bằng: biểu thị dung lượng trao đổi lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch nào đó đã định, nên không phải là hằng số.

- Dung lượng trao đổi làm việc: Dung lượng trao đổi được xác định dưới điều kiện vận hành thực tế. Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion

- Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch. Dựa trên tính chất này người ta dùng dung dịch chất hoàn nguyên, thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó .

- CaR2+ 2H+ nhựaThí dụ : 2HR + Ca2+ trao đổi2HR+,Ca2+(hoàn nguyên)CaR2+ 2H+


PO(OH)2

CH2N + (Cl3)Cl-

CH2NHR


Tính acid, kiềm: tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH, giống chất điện giải acid, kiềm.

Tính trung hoà và thuỷ phân: Tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường.

Tính chọn lựa của chất trao đổi ion: Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch, nhiệt độ bình thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng.

2.7.Cơ chế hoạt động Chất trao đổi ion dương có tính axit mạnh

- Chứa nhóm SO3H có thể trao đổi dễ dàng H+ của mình với tất cả trị số pH. - Chứa nhóm COOH chỉ trao đổi trong môi trường trung tính và môi trường biểu thị

tính kiềm. - Chất trao đổi ion dương với nhóm hoạt động OH có tính acid yếu chỉ cho ion H+

trong dung dịch kiềm. Chất trao đổi ion âm chứa nhóm hoạt động có tính kiềm, có khả năng phân ly trong

dung dịch. Những nhóm hoạt động tiêu biểu của chất trao đổi ion âm là: -NH2 , =NH , ≡N

Những chất trao đổi ion âm kiềm mạnh có khả năng cho ion ở pH bất kỳ. Cơ chế phản ứng của chất trao đổi ion âm còn chưa biết rõ như chất trao đổi ion dương. Có thể coi HCl như là chất bị hấp phụ hoặc hai phản ứng sau có thể xảy ra:

RNH2 + HCl RNH3Cl (1)RNH3 + OH- + Cl- RNH3Cl + H2O (2)

Phản ứng (1) là phản ứng hấp phụ. Còn phản ứng (2) là phản ứng trao đổi. - Khi sử dụng chất cao phân tử là chất trao đổi ion trong dung dịch khi tiếp xúc với nước. Chất

trao đổi ion khi tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vào bên trong, dẫn đến sự phân ly chất hoạt động :

RSO3H R-SO3- + H+

- Nhóm SO3- gắn chặt vào lớp lưới có thể chuyển động nhưng không rời vị trí của mình,

ngược lại ion H+ có thể chuyển động tự do bên trong hạt trao đổi và xoay quanh nó, và được gắn chặt bằng lực hút tĩnh điện. Khi tiếp xúc với dung dịch, chất điện ly có thể xâm nhập vào mạng lưới của hạt trao đổi. Nếu ion dương của chất điện ly có ái lực lớn hơn ion dương của chất trao đổi thì xảy ra sự trao đổi ion . Ion H+ của chất trao đổi ion, trao đổi với ion dương của chất điện ly và ion H+ khuếch tán vào dung dịch.

o Có thể biểu diễn sự trao đổi ion H+ với ion dương của dung dịch2RdH + Ca(HCO3)2 = Rd2Ca + 2H2O + 2CO2

Ở đây RdH chất trao đổi ion làm việc với chu kỳ hydro. Chất trao đổi ion dương có thể làm việc với chu kỳ khác.

Ví dụ: 2RdNa + CaCl2 = Rd2Ca + 2NaClRdNa Chất trao đổi ion làm việc với chu kỳ Na

Qúa trình trao đổi trên được biểu diễn bằng phương trình:2(Rd2COO-Na+) + CaCl2 2(RdCOO)-Ca2+ + 2NaCl

Có rất nhiều giả thuyết giải thích cơ chế quá trình trao đổi ion hiện nay còn chưa thống nhất. Trong công nghệ xử lý nước giả thuyết thích hợp nhất coi chất trao đổi ion là vật chất có cấu tạo dạng keo. Trên quan điểm đó, nguời ta cho rằng trên bề mặt cao phân tử của chất trao đổi ion có rất nhiều lớp điện tích kép giống bề mặt keo. Ion trong lớp điện tích kép theo mức độ hoạt động lớn nhỏ có thể phân ra: lớp hấp phụ và lớp khuếch tán. Lớp ion có tính



hoạt động tương đối kém bị hấp phụ bám chặt vào bề mặt cao phân tử gọi là lớp hấp phụ hay lớp cố định, nó bao gồm lớp ion bên trong và một bộ phận ion ngược dấu Cạnh ngoài lớp hấp phụ, các ion có tính hoạt động tương đối lớn, có khả năng khuếch tán vào trong dung dịch nên gọi là lớp khuếch tán. Khi nhựa trao đối ion gặp dung dịch nước có chất điện giải, các tác dụng sau đây sẽ diễn ra: Tác dụng trao đổi :

Các ion ngược dấu trong lớp khuếch tán và ion ngựoc dấu khác trong dung dịch trao đổi vị trí lẫn nhau. Nhưng do quá trình trao đổi ion không giới hạn ở lớp khuếch tán, do quan hệ cân bằng động trong dung dịch cũng có một số ion ngược dấu trước tiên trao đổi đến lớp khuếch tán, sau đó sẽ trao đổi với các ion ngược dấu trong lớp hấp phụ.

Tác dụng nén ép:Khi nồng độ muối trong các dung dịch tăng lớn, có thể làm cho lớp khuếch tán bị nén ép lại. Từ đó một số ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp khuếch tán biến thành ion ngược dấu trong lớp hấp phụ…Pham vi hoạt động của lớp khuếch tán nhỏ lại làm bất lợi cho quá trình trao đổi ion. Do đó cần chú ý nếu nồng độ dung dịch hoàn nguyên quá lớn, không những không thể nâng cao mà còn giảm thấp hiệu quả hoàn nguyên.

2.8. Vai trò của phương pháp trao đổi ion trong tẩy màu đườngHiện nay, việc ứng dụng chất trao đổi ion trong ngành đường khá phổ biến và phong phú,

đặc biệt trong sản xuất đường tinh luyện và glucoza tinh thể.Phương pháp trao đổi ion: Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion

trong pha lỏng và ion trong pha rắn (cột nhựa). Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau.2.9. Trao đổi với chất màu trong nước mía

Chất trao đổi ion khi tiếp xúc với nước bị trương lên, nước thâm nhập vào bên trong dẫn đến sự phân ly chất hoạt động. Khi tiếp xúc với dung dịch, chất điện ly có thể xâm nhập vào mạng lưới của hạt trao đổi ion. Nếu ion của chất điện ly có ái lực lớn hơn ion của chất trao đổi thì xảy ra sự trao đổi ion.

Chất trao đổi ion dương:H+Rd

- + K+A- K+Rd- +H+A- (muối bất kỳ)

Chất trao đổi ion âm:Ra

+OH- + H+Cl- Ra+Cl- = Ra

+Cl- + H2OQúa trình trao đổi ion trong nước mía xảy ra như sau. Trước hết, nước mía đi qua cột trao

đổi ion dương loại những chất ion dương của chất không đường trong nước mía.Trước khi cho nước mía vào cột ion dương cần làm lạnh khoảng 20OC để ngăn ngừa sự

chuyển hoá đường. Sau đó nước mía đi qua cột ion âm loại acid tự do.Chất trao đổi ion qua nhiều lần sử dụng khả năng trao đổi kém dần , cần tái sinh lại. Có

thể dung acid mạnh, ví dụ H2SO4 (4-8%) tái sinh chất trao đổi ion dương. Nếu lớp trao đổi có nhiều ion Ca2+ trước khi tái sinh cần cho NaCl qua lớp trao đổi để loại ion Ca2+.

Nếu không cho muối NaCl thì khi cho H2SO4, CaSO4 kết tủa sẽ tạo thành và đọng lại trên bề mặt chất trao đổi.

Phản ứng tái sinh chất trao đổi dương : 2(K+Rd

-) + 2H+SO42- 2(H+Rd-) + 2K+SO42-



Tái sinh chất trao đổi ion âm thường dung kiềm mạnh như NaOH (2-4 %) . Có thể dung NH4OH thay thế cho NaOH sẽ tạo thành NaCl có vị mặn ảnh hưởng đến vị mặn của nước mía. Dùng NH4OH lượng tái sinh tổn thất nhiều hơn.

Phản ứng tái sinh: Ra

+Cl- + OH- Ra+OH- + Na+Cl-

Chất trao đổi ion sau khi qua xử lý acid và kiềm, rửa nước và đưa dung lại. Lượng nước dung để rửa gấp 7 lần trạng lượng chất trao đổi ion.

Hình 3: hệ thống cột trao đổi ion trong quá trình tẩy màu đường

Để giảm lượng tổn thất đường do chuyển hóa có thể dung cơ chế trao đổi ion hỗn hợp và nghịch đảo và dung chất trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh để có thể loại ion âm ở cả môi trường trung tính và kiềm yếu

Nước đường được đưa qua các cột nhựa có khả năng trao đổi ion Anionit sẽ tách các ion mang màu làm giảm độ màu của nước đường.Sau đó nước đường được bơm qua bàn lọc ceramic (lọc sứ) thành nước đường tinh lọc (fine liquor).Ưu, nhược điểm của phương pháp Ưu điểm: của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng. Trong công nghệ

tẩy màu đường thì phương pháp này có khà năng khử màu đến 90% Nhược điểm: của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được sử

dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao.

2.10.Quá trình rửa ngược: (quá trình tái chế ) Đây là bước đầu tiên cần thiết chu ẩn bị cho quá trình tái sinh hạt nhựa (đã sử dụng hết hoặc

bảo hoà)Dòng rửa đi từ dưới lên.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, đư a các tạp chất lơ lửng thải ra ngoài. Thông thường, nước được dùng để rửa ngược vì sử dụng một lượng lớn, rẻ tiề n.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.

2.10.1.Tái sinh Sau rửa ngượcTác nhân tái sinh (TNTS) 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 tác nhân tái sinhTNTS Nồng độ của tác nhân tái sinh TNTS Thời gian tiếp xúc

2.10.2.Lượng tác nhân tái sinh TNTS sử dụngNếu tác nhân tái sinh là đơn hoá tr ị, 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 t ăng nồng độ tác nhân tái sinh có thể cải thiện được khả năng giải hấp các ion hoá trị 2. Nồng độ tác nhân tái sinh thông thường 2-30%, hay dùng nhất là 5-10%. Trong một vài trường hợp, kết tủa có thể làm tắt nghẽn tầng hạt nhựa.

Ví dụ : giải hấp Ca từ nhựa trao đổi cation bằng H2SO4 . Kết tủa CaSO4 có thể được tháo đi khi hoạt động gián đoạn. Dùng nồng độ tác nhân tái sinh loãng ban đầu, sau đó tăng dần đến cuối quá trình giải hấp.Các ion khác nhau, mứ c độ gắn vào nhựa cũng khác nhau do đó khả năng giải hấp cũng khác nhau. Cuối quá trình, các ion khó giải hấp sẽ bị giữ lại trong tầng nhựa,các ion dễ giải hấp sẽ bị rửa sạch nước rửa ngược. Độ tinh khiết của tác nhân tái sinh cũng được chú ý.

Ví dụ : Cl có ái lực mạnh với nhự a anion kiềm mạnh loại 1. Dùng NaOH (tái sinh) có chứa một lượng Cl đáng kể sẽ không tốt vì sự giải hấp không hoàn toàn Cl sẽ làm giảm khả năng làm việc của hạt nh ựa.Tốc độ chảy của tác nhân tái sinh là một nhân tố rất quan trong. Thời gian tiếp xúc phải đảm bảo để tái sinh đạt cực đại. Thời gian phụ thuộc vào từng loại nhựa, loại ion cần tách.

Ví dụ : nhựa cation polystyrene đã sulfonat hoá, có 8% nối ngang, tái sinh 30 phút bằng dung dịch tương ứng. Cùng loại nhựa này, lượng nối ngang là 12% thì phải cần đến 60 phút.Các anion Cl - , SO4- , CO3- dễ dàng bị giải hấp ra khỏi nhự a kiềm mạnh. SiO2 tách khó hơn, thời gian tiếp xúc là 90 phút để tái sinh một lượng tương đương. Trong lúc đó chỉ cần 30 phút đối với các ion khác. Trong tr ường hợp đặc biệt cần lưu ý khi tái sinh nhựa cation bằng H 2SO4. Khi dòng chảy rất nhỏ, hoặc nồng độ tác nhân tái sinh quá lớn,CaSO4 sẽ tạo ra, bịt kín tầng nhựa. Khắc phục bằng cách tăng dòng chảy hoặc giảm nồng độ H2SO4 .Mức độ giải hấp sẽ quyết định hiệu suất tái



sinh và cũng như khả năng làm việc của hạt nhựa. Nếu tác nhân tái sinh sử dụng đúng, đầy đủ, các ion có thể trao đổi sẽ bị giải hấp từ nhựa và nhựa T Đ khôi phục lại khả năng làm việc. Việc này chi phí cao, ít sử dụng CHƯƠNG III: THIẾT BỊ CỘT TRAO ĐỔI ION3.1. Thiết bị trao đổi ion

Hình 4.Hình thiết bị khử màu đường

Trao đổi ion là một phương pháp làm mềm, khử khoáng vẫn đang được sử dụng rộng rãi. Nguyên lý hoạt động của các loại vật liệu hầu như giống nhau. Sự khác biệt chỉ thể hiện rõ ở cấu tạo và quy trình công nghệ sản xuất vật liệu trao đổi ion

Ion là một nguyên tử mang điện tích, nguyên tử mang điện tích âm gọi là Anion. Nguyên tử mang điện tích dương gọi là Cation

Hình 5.Hình mô tả về trao đổi ion trong quá trình tẩy màuChu trình vận hành của bộ trao đổi ion:Khi gặp điều kiện thuận lợi, các ion trái dấu có thể kết hợp với nhau tạo thành cặn, váng. Một số có hại cho sức khỏe, một số gây mất mỹ quan. Để xử lý hiện tượng này, người ta dùng “ Hạt nhựa trao đổi ion”. Theo nguyên lý, những hạt mang điện tích trái dấu sẽ hút nhau, người ta dùng loại hạt nhựa tích Cation để hút các ion âm và ngược lại. Khi các hạt nhựa đã bão hòa



(không thể hút thêm được nữa) người ta phải “sạc” lại. Quá trình này có thể diễn ra liên tục hay theo chu kì, tự động hay thủ công tùy vào quy mô và sản phẩm cụ thể.3.2. Hạt nhựa trao đổi ionTuỳ theo ứng dụng hoặc yêu cầu xử lý cụ thể, có thể sử dụng loại vật liệu trao đổi ion

khác nhau.Tuy nhiên, có thể dùng các vật liệu điển hình như sau:

Làm mềm nước: sử dụng hạt nhựa chuyên làm mềm nước hoặc hạt nhựa trao đổi cation mạnh;

Khử khoáng: sử dụng hạt nhựa trao đổi cation và anion trong nhiều thiết bị khác nhau

Khử ion hỗn hợp: sử dụng hạt nhựa hỗn hợp trong cùng một thiết bị; Khử ion toàn bộ: sử dụng hạt nhựa trao đổi cation mạnh, yếu và anion mạnh, yếu

trong các thiết bị khác nhau. Khử màu đường: Hạt nhựa ion khử màu được ứng dụng rộng rãi trong các nhà

máy đường tinh luyện. Tùy theo độ màu đầu vào cao hay thấp mà ta sử dụng các loại nhựa nào để đạt được hiệu quả và kinh tế nhất.

Đặc điểm hạt nhựa khi dùng trong tẩy màu đường : Nguồn gốc xuất xứ rõ ràng Kích thước đồng đều cho phép hệ thống vận hành với năng suất cao và chi phí

vận hành thấp hơn các loại hạt thừờng, đồng thời tuổi thọ vận hành cho phép cũng cao hơn.

3.2.1. Một số loại hạt nhựa trao đổi ion hiện nay sử dụng trong tẩy màu đường FFIP Nhựa trao đổi anion gốc bazơ mạnh:

- FFIP là loại nhựa trao đổi anion gốc bazơ mạnh – dạng 1 (tính kiềm mạnh nhất), dạng hạt, được sản xuất từ polystyrene copolymer với nhóm chức trimethyl benzyl ammonium (-N+R3).- Indion FFIP là loại nhựa có dung lượng trao đổi, độ thẩm thấu và độ bền cơ học cao, có khả năng tái sinh nhanh. Với cấu trúc lổ đồng nhất, Indion FFIP ít bị nhiễm bẫn bởi các chất hữu cơ và dễ dàng rửa sạch khi tái sinh. Indion FFIP thường được sử dụng trong các thiết bị sản xuất nước siêu tinh khiết vì có khả năng khử các axít yếu như silic và cabonic. Có thể dùng trong bể lọc anion hoặc bể lọc cation – anion hỗn hợp.- Khi độ trao đổi bão hòa có thể tái sinh bằng dung dịch NaOH theo cùng chiều hoặc ngược chiều dòng nước. Độ bền sử dụng: ít nhất 3 năm nếu thực hiện theo đúng quy trình của nhà sản xuất.- Indion FFIP là sản phẩm của Tập đoàn Ion Exchange, sản xuất tại Ấn Độ từ năm1964 và được xuất sang các nước Mỹ, Anh, Nhật, Nga, Thái Lan, Philippin, Mã Lai,…

Chế độ làm việc tối ưu:- Nhiệt độ làm việc tối đa: 60oc. Khoảng pH làm việc: 0 – 14. Độ dày tối thiểu của lớp vật

liệu: 750 mm. Tốc độ lọc tối đa: 60 m/giờ. Tốc độ rửa ngược: 3 m/giờ



- Thời gian rửa ngược: 5 phút. Tốc độ tái sinh: 3 – 18 m/giờ. Thời gian hút hóa chất tái sinh: 30 – 45 phút. Nồng độ dung dịch tái sinh: NaOH 2 – 5%. Tổng lưu lượng nước rửa: 3 – 6 lần thể tích hạt nhựa

TÀI LIỆU THAM KHẢO



1. Kỹ nghệ sản xuất đường mía,Nguyễn Ngô- Lê Bạch tuyết – Phan Văn Hiệp-Phạm Vĩnh Viễn- Mạnh Hùng, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 1984, Trang 114

2. Giáo trình công nghệ sản xuất đường - Trường ĐHCN TP Hồ Chí Minh.3. Giáo trình công nghệ sản xuất đường – NXB Nông Nghiệp Hà Nội 2000, Chủ biên Trần

Mạnh Hùng4. Robert H. Perry, Don W. Green, James O. Maloney, Perry’s Chemical engineers Handbook

, Chapter 16 Adsorption and ion exchange, 19995. Ronald W. Rousseau, Handbook of separation process technology , 1987,chapter 13.A. Tager, Physical Chemistry of Polymer , 19726. F.C Nachod, J. Schubert, Ion Exchange resin , 1956, Academic press inc.7. Andrei A. Zagorodni, Ion Exchange Materials Properties and Applications ,20078. http://yeumoitruong.com/forum/showthread.php?2748-PHU%C6%A0NG 9. PH%C3%81P-TRAO-%C4%90%E1%BB%94I-ION 10. http://giaoan.violet.vn/present/show?entry_id=4119955 11. http://www.google.com.vn/imgres?q=cot+trao+doi+ion12. http://www.oxychemicals.com.vn/attachments/183_Nhua%20trao%20doi%20ion.pdf 13. http://tanatech.com.vn


http://tanatech.com.vn/

http://www.oxychemicals.com.vn/attachments/183_Nhua%20trao%20doi%20ion.pdf

http://www.google.com.vn/imgres?q=cot+trao+doi+ion

http://giaoan.violet.vn/present/show?entry_id=4119955

http://yeumoitruong.com/forum/showthread.php?2748-PHU%C6%A0NG

Documents

QUA TRINH TAY MAU DUONG BANG COT TRAO ĐOI ION LE VU HONG (10326741)