Đề tài Vai trò của chất trao đổi ion trong quá trình làm sạch nước mía

Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 1 VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM Tiểu luận: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG BÁNH KẸO Đề tài: VAI TRÒ CỦA CHẤT TRAO ĐỔI ION TRONG QUÁ TRÌNH LÀM SẠCH NƯỚC MÍA GVHD:HỒ XUÂN HƯƠNG SVTH: NHÓM 4 NGUYỄN THỊ NGOC HẰNG NGUYỄN ĐỨC HẬU 9278921 NGUYỄN ĐỨC HẬU LỮ THỊ BÉ NGỌC LỚP: ĐHTP5LT Hồ Chí Minh, tháng 3, năm 2011 Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 2 MỤC LỤC MỤC LỤC ...........................................................................................................................2 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................3 CHƯƠNG 2 NÔI DUNG CHÍNH .......................................................................................4 2.1. Khái quát về chất trao đổi ion. ...................................................................................4 2.1.1. Khái niệm và phân loại .......................................................................................4 2.1.2. Tính chât, cơ chế hoạt động ...............................................................................4 2.2. Vai trò của chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía. ..............................................6 2.2.1. Làm mất ion của nước mía. ..............................................................................6 2.2.2. Làm mềm nước mía. ...........................................................................................8 2.2.3. Thay thế các ion có khả năng tạo mật lớn bằng các ion tạo mật ít. ......................9 2.2.4. loại ion Ca2+ trong nước mía). ...........................................................................9 CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN ................................................................................................. 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 12 Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 3 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Trong nước mía hổn hợp luôn luôn có mặt các chất không đường. các chất này ảnh hưởng lớn đến quá trình sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm, nó chứa một lượng lớn các chất không đường làm tăng độ hoà tan của saccaroza, tăng mật cuối, tăng tổn thất đườngtrong quá trình chế biến, ngoài ra nếu có acide thì sẽ gây chuyển hoá đường saccaroza. vì vậy trong công nghệ sản xuất đường quá trình làm sạch nước mía hổn hợp 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 nước mía dựa vào lý thuyết hoá học của các chất keo. 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. Trong bài tiểu luận này chúng em sẽ chú trọng đến vai trò của các chất trao đổi ion trong quá trình làm sạch nước mía.kỹ thuật trao đổi ion được sử dụng nhiều trong sản xuất đường tinh luyện nhằm mục đích tách các chất điện ly ra khỏi nước mía., nâng cao hiệu quả làm sạch, ngoài ra kỹ thuật này còn úng dụng cho việc thay thế ion tạo mật lớn bằng ion tạo mật ít hơn, tăng hiệu suất thu hồi đường. Do thời gian và kiến thức có hạn chắc chắn sẽ có sai sót mong cô và các bạn bỏ qua và đóng góp ý kiến. Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 4 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Khái quát về chất trao đổi ion. 2.1.1. Khái niệm và phân loại Chất trao đổi ion là hợp chất cao phân tử, không tan trong nước, có khả năng giải phóng ion và trao đổi ion của mình với ion khác có trong dung dịch. Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh hoặc yếu và trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh và yếu. P* là logarit hằng số phân ly cảu acid và kiềm. 2.1.2. Tính chât, cơ chế hoạt động.[1] Có thể biểu diễn sự trao đổi ion H+ với ion dương của dung dịch” 2RdH + Ca(HCO3)2 = Rd2Ca + 2H2O + 2CO2 Ở đây RdH chất trao đổi ion làm việc với chu kỳ hidro. Chất trao đổi ion dương có thể làm việc với chu kỳ khác. 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 Acid yếu Acid photphoric 2-3 Kiềm mạnh Amin bậc bốn 1 Kiềm yếu Amin bậc hai 6-9 SO3N PO(OH)2 CH2N+(Cl3)Cl- CH2NH Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 5 Ví dụ : 2RdNa + CaCl2 = Rd2Ca + 2NaCl RdNa 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 Những nhóm họat động tiêu biểu của chất trao đổi ion dương: R-SO3(H) -Nhóm sunfonic R-COOH -Nhóm cacboxylic R-OH -Nhóm phenol H- Đại diện cho ion H+ và được thay thế bởi ion dương khác. Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh chứa nhóm SO3H có thể trao đổi dễ dàng H+ của mình với tất cả trị số pH. Chất trao đổi ion dương có chứa nhóm COOH chỉ trao đổi trong môi trường trung tính và môi trường 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. Nhóm ion của chất trao đổi có liên quan đến tính chất kiềm và acid được ghi ở bảng 1. 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+ SO3- gắn chặt vào lóp 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. 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 Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 6 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 .Nhưnh 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. 2.2. Vai trò của chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía. Hiện 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 . Ví dụ : dùng chất trao đổi ion thấp để thay thế chất không đường có tính tạo mật cao là những chất có tính tạo mật, làm mếm nước cho vào lò, tách các chất điện ly ra khỏi nước mía. 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 .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 2.2.1. Làm mất ion của 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- Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 7 (muối bất kỳ) Chất trao đổi ion âm: Ra+OH- + H+Cl- Ra+Cl- = Ra+Cl- + H2O Qúa 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. Nước mía Nước mía trong Sơ đồ trao đổi ion 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. Rd- Ra+ Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 8 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. Cơ chế của mỗi loại trao đổi có thể biểu thị theo sơ đồ Nước mía Nước mía H2O H2O H2O Loại trao đổi thong thường Loại ngịch đảo Loại hỗn hợp Trong quá trình tái sinh phải dung một lượng NaCl vừa tốn tiền vừa tăng lượng mật cuối. Theo nghiên cứu nếu loại 10mg CaO/100g chất khô thì lượng mật cuối tăng 0.004%, nếu loại 130mg CaO/100g chất khô thì lượng mật cuối tăng 0.05%. Mặt khác lượng nước dùng để phun NaCl, để rửa trước và sau tái sinh khá lớn làm tăng tổn thất đường theo nước rửa và làm bẩn môi trường xung quanh(nước thải chứa ít đường và NaCl). Để khắc phục nhược điểm này người ta đã tìm được phương pháp tái sinh không dung NaCl mà dung mật đường gọi là phương pháp Gryllus. 2.2.2. Làm mềm nước mía. Làm mềm nước: trong nhà máy đường dung chất trao đổi để xử lý nước cho vào lò; trao đổi ion Ca2+ và Mg2+bởi Na+ được giải phóng từ chu kỳ Na. Rd- Ra+ Ra+ Rd- Ra+ Rd- Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 9 Cl- Làm mềm nước mía: làm mếm nước mía là quá trình phức tạp hơn nhiều so với làm mếm nước vì trong nước mía có các ion háo trị 2, 3 và những chất hửu cơ do đó ngoài việc loại Ca 2+ trong nước mía bằng Na+ đồng thời còn trao đổi những ion hữu cơ và vô cơ dẫn đến sự hấp phụ những chất hữu cơ và chất keo. 2.2.3. Thay thế các ion có khả năng tạo mật lớn bằng các ion tạo mật ít. Thay thế ion có khả năng tạo mật lớn bằng ion tạo mật ít hơn ( phương pháp này được dùng ở một số nước ngoài). Thường sự trao đổi ion theo hai quy trình sau: -Quy trình Quentin : được thiết lập trên cơ sở trao đổi ion K+ bởi ion Mg2+ có khả năng tạp mật lớn: Mg2+2(Rd)- + 2K+ 2(K+Rd-) + Mg2+ -Quy trình Moebes: nước mía trong đi qua chất trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh theo chu kỳ CO2 ở 90OC. Ở đây chừng 70% ion âm được trao đổi thành cacbonat: RaCO3 + (K,Na, Ca)A Ra(A,CO2) + (K,Na,Ca)(A,CO2) Sau đó cho dung dịch qua chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh theo chu kỳ NH4 . Phản ứng như sau: [(K.Na)CO3 + (K,Na)A] + NH4Rd NH4(CO3A) + (K,Na)Rd Muối amoni bị phân ly bới một lượng nhỏ Ca2+: NH4(CO3,A) + Ca(OH)2 NH4OH +CaCO3 + Ca2+2A- Phương pháp này loại chừng 50% tro và 10% chất chứa nitơ 2.2.4. loại ion Ca2+ trong nước mía). a) c Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl - Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 +Ca 2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + Ca2 + ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 10 ∞ b) v Sơ đồ trao đổi ion: ∞: Đại diện nhóm hoạt động COOH a: hạt trao đổi với chu kỳ Na b: hạt sau khi trao đổi Dùng chất trao đổi ion có thể loại được ion Ca2+ trong nước mía,đồng thời trao đổi những ion hữu cơ và vô cơ dẫn đến sự hấp phụ các chất keo và chất hữu cơ.[2] Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 11 CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN Trong quá trình làm sạch nước mía có nhiều yếu tố ảnh hưởng như pH, nhiệt độ, các chất điện ly, ngoài ra chất trao đổi ion cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình này, nó có vai trò lớn trong việc loại ion ra khỏi nước mía, làm mềm nước mía, thay thế những chất có khả năng tạo mật lớn bằng những chất tạo mật ít hơn nâng cao năng suất thu hồi đường. nội dung của bài tiểu luận này sẽ lý giải rỏ ràng hơn vai trò này, giải thích các cơ chế hoạt động của chẩt tỷao đổi ion. Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 12 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] Vai trò chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía Nhóm 4 GVHD: HỒ XUÂN HƯƠNG 13 BẢNG PHÂN CÔNG TÊN CÔNG VIỆC NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG Chương 1 mở đầu bố cục chỉnh sửa 2.1.2. Tính chât, cơ chế hoạt động 2.2.1. Làm mất ion của nước mía. NGUYỄN ĐỨC HẬU(09278921) 2.1.1. Khái niệm và phân loại 2.2. Vai trò của chất trao đổi ion trong làm sạch nước mía. Chương 3 kết luận NGUYỄN ĐỨC HẬU 2.2.3. Thay thế các ion có khả năng tạo mật lớn bằng các ion tạo mật ít. 2.2.4. loại ion Ca2+ trong nước mía. LỮ THỊ BÉ NGỌC 2.2.2. Làm mềm nước mía. 2.2.3. Thay thế các ion có khả năng tạo mật lớn bằng các ion tạo mật ít.