Hạt nhựa trao đổi ion trong lọc nước: Tính kinh tế và hiệu quả

Tác giả: Phạm Quang Huy. Ngày đăng: 23/03/202423/03/2024

Trên thị trường hiện nay, có nhiều phương tiện lọc nước khác nhau như lọc cát, lọc than hoạt tính, lọc sợi, lọc RO, lọc nano, lọc UF, và lọc bằng hạt nhựa. Trong số đó, hạt nhựa là một trong những phương tiện lọc nước hiệu quả và kinh tế nhất. Hạt nhựa là gì và vai trò của chúng trong hệ thống lọc nước như thế nào? Bài viết này sẽ giúp bạn tìm hiểu về hạt nhựa trong lọc nước, từ định nghĩa, loại, cơ chế hoạt động, tính kinh tế, hiệu quả lọc, ưu và nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn hạt nhựa, và cách chọn hạt nhựa phù hợp. Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ có thêm kiến thức và kinh nghiệm để lựa chọn hạt nhựa cho hệ thống lọc nước của mình.

1. Định nghĩa

Hạt nhựa là những hạt nhựa tổng hợp có chứa các nhóm chức năng có khả năng trao đổi ion với dung dịch nước. Hạt nhựa không tan trong nước, có hình dạng tròn, kích thước từ 0.25 đến 1.25 mm, và có màu sắc khác nhau tùy thuộc vào loại. Hạt nhựa được sử dụng trong lọc nước có thể phân loại thành hai loại chính là hạt nhựa cation và hạt nhựa anion.

• Hạt nhựa cation là hạt nhựa có khả năng hấp thụ các ion dương trong nước, thay thế chúng bằng các ion natrium (Na+) hoặc hydro (H+). Hạt nhựa cation được sử dụng để làm mềm nước, tức là loại bỏ các ion gây cứng nước như canxi (Ca2+), magiê (Mg2+), sắt (Fe2+), mangan (Mn2+),… Hạt nhựa cation có hai loại là hạt nhựa cation axit mạnh và hạt nhựa cation axit yếu. Hạt nhựa cation axit mạnh có nhóm chức năng là sulfonat (SO3-), có khả năng trao đổi ion với tất cả các ion dương trong nước ở mọi pH. Hạt nhựa cation axit yếu có nhóm chức năng là carboxylat (COO-), chỉ có khả năng trao đổi ion với các ion dương có độ kiềm cao trong nước.
• Hạt nhựa anion là hạt nhựa có khả năng hấp thụ các ion âm trong nước, thay thế chúng bằng các ion clo (Cl-) hoặc hydroxit (OH-). Hạt nhựa anion được sử dụng để khử khoáng nước, tức là loại bỏ các ion âm như clo (Cl-), sunfat (SO4 2-), nitrat (NO3-), nitrit (NO2-),… Hạt nhựa anion cũng có hai loại là hạt nhựa anion bazơ mạnh và hạt nhựa anion bazơ yếu. Hạt nhựa anion bazơ mạnh có nhóm chức năng là amin (NH2), có khả năng trao đổi ion với tất cả các ion âm trong nước ở mọi pH. Hạt nhựa anion bazơ yếu có nhóm chức năng là amoni (NH4+), chỉ có khả năng trao đổi ion với các ion âm có độ axit cao trong nước.

2. Cơ chế hoạt động của hạt nhựa trong lọc nước

Cơ chế hoạt động của hạt nhựa trong lọc nước dựa trên nguyên lý trao đổi ion, tức là quá trình diễn ra giữa các ion trong dung dịch nước và các nhóm chức năng trên bề mặt hạt nhựa. Khi nước chứa các ion tạp chất chảy qua cột lọc có chứa hạt nhựa, các ion tạp chất sẽ bị hấp thụ bởi hạt nhựa, thay thế bằng các ion có sẵn trên hạt nhựa. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi hạt nhựa bão hòa, tức là không còn khả năng trao đổi ion nữa. Lúc này, hạt nhựa cần được tái sinh, tức là phục hồi khả năng trao đổi ion bằng cách sử dụng dung dịch muối, axit, hoặc kiềm để rửa hạt nhựa, loại bỏ các ion tạp chất và bổ sung lại các ion cần thiết.

Ví dụ, khi sử dụng hạt nhựa cation axit mạnh để làm mềm nước, cơ chế hoạt động như sau:

• Hạt nhựa cation axit mạnh có nhóm chức năng là sulfonat (SO3-), có khả năng trao đổi ion với tất cả các ion dương trong nước ở mọi pH. Khi nước chứa các ion gây cứng nước như Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+,… chảy qua cột lọc có chứa hạt nhựa cation axit mạnh, các ion này sẽ bị hấp thụ bởi hạt nhựa, thay thế bằng các ion Na+ hoặc H+ có sẵn trên hạt nhựa. Trong đó, R là cấu trúc polystyren của hạt nhựa.
• Hạt nhựa cation axit yếu có nhóm chức năng là carboxylat (COO-), chỉ có khả năng trao đổi ion với các ion dương có độ kiềm cao trong nước. Khi nước chứa các ion kiềm như Na+, K+, NH4+,… chảy qua cột lọc có chứa hạt nhựa cation axit yếu, các ion này sẽ bị hấp thụ bởi hạt nhựa, thay thế bằng các ion H+ có sẵn trên hạt nhựa.
• Hạt nhựa anion bazơ mạnh có nhóm chức năng là amin (NH2), có khả năng trao đổi ion với tất cả các ion âm trong nước ở mọi pH. Khi nước chứa các ion âm như Cl-, SO4 2-, NO3-, NO2-,… chảy qua cột lọc có chứa hạt nhựa anion bazơ mạnh, các ion này sẽ bị hấp thụ bởi hạt nhựa, thay thế bằng các ion Cl- hoặc OH- có sẵn trên hạt nhựa.
• Hạt nhựa anion bazơ yếu có nhóm chức năng là amoni (NH4+), chỉ có khả năng trao đổi ion với các ion âm có độ axit cao trong nước. Khi nước chứa các ion axit như HCO3-, HSO4-, H2PO4-,… chảy qua cột lọc có chứa hạt nhựa anion bazơ yếu, các ion này sẽ bị hấp thụ bởi hạt nhựa, thay thế bằng các ion OH- có sẵn trên hạt nhựa.

3. Tính kinh tế của việc sử dụng hạt nhựa trong lọc nước

Việc sử dụng hạt nhựa trong lọc nước có tính kinh tế cao so với các phương tiện lọc khác. Điều này được thể hiện qua hai khía cạnh là chi phí ban đầu và chi phí vận hành và bảo dưỡng.

• Chi phí ban đầu: Để lắp đặt một hệ thống lọc nước sử dụng hạt nhựa, bạn cần phải bỏ ra một khoản chi phí ban đầu cho các thiết bị như cột lọc, van điều khiển, bình chứa, bơm, đồng hồ đo, ống dẫn, và hạt nhựa. Tuy nhiên, chi phí này không quá cao so với các hệ thống lọc nước khác như lọc RO, lọc nano, lọc UF, vì hạt nhựa có giá thành rẻ hơn và không cần đến các thiết bị phức tạp như màng lọc, bộ nguồn điện, bộ điều khiển,… Theo thống kê, chi phí ban đầu cho một hệ thống lọc nước sử dụng hạt nhựa dao động từ 5 đến 10 triệu đồng cho một khối lượng nước lọc từ 1 đến 5 m3/h¹.
• Chi phí vận hành và bảo dưỡng: Đây là chi phí thường xuyên phải trả cho việc vận hành và bảo dưỡng hệ thống lọc nước sử dụng hạt nhựa. Chi phí này bao gồm chi phí cho điện năng, nước, dung dịch tái sinh, và thay thế hạt nhựa. Chi phí này cũng không quá cao so với các hệ thống lọc nước khác, vì hạt nhựa có tuổi thọ cao, có thể tái sử dụng nhiều lần, và không cần đến nhiều điện năng để hoạt động. Theo thống kê, chi phí vận hành và bảo dưỡng cho một hệ thống lọc nước sử dụng hạt nhựa khoảng từ 500 đến 1000 đồng cho một khối lượng nước lọc từ 1 đến 5 m3/h².

Từ những số liệu trên, có thể thấy rằng việc sử dụng hạt nhựa trong lọc nước có tính kinh tế cao, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời mang lại hiệu quả lọc nước tốt.

4. Hiệu quả lọc của hạt nhựa

Ngoài tính kinh tế, hạt nhựa còn có hiệu quả lọc nước cao, so sánh với các phương tiện lọc khác. Điều này được thể hiện qua hai khía cạnh là so sánh hiệu quả lọc và ứng dụng cụ thể.

• So sánh hiệu quả lọc: Hạt nhựa có khả năng loại bỏ các ion tạp chất trong nước một cách hiệu quả và chính xác, bằng cách trao đổi ion với các nhóm chức năng trên bề mặt hạt nhựa. Hạt nhựa có thể loại bỏ được các ion gây cứng nước, các ion gây ô nhiễm, các ion gây màu, mùi, vị, và các ion gây ảnh hưởng đến pH của nước. Hạt nhựa cũng có thể loại bỏ được một số chất hữu cơ và vô cơ có trong nước, như phenol, formaldehyd, amoni, nitrit, nitrat, sunfat, clo,… Hạt nhựa có thể đạt được hiệu quả lọc cao hơn so với các phương tiện lọc khác như lọc cát, lọc than hoạt tính, lọc sợi, vì hạt nhựa có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, và khả năng trao đổi ion cao. Hạt nhựa cũng có thể đạt được hiệu quả lọc tương đương hoặc cao hơn so với các phương tiện lọc khác như lọc RO, lọc nano, lọc UF, vì hạt nhựa có thể loại bỏ được các ion có kích thước nhỏ hơn các lỗ màng lọc, và không bị ảnh hưởng bởi áp suất, nhiệt độ, độ pH, và độ động của nước.
• Ứng dụng cụ thể: Hạt nhựa được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề liên quan đến xử lý nước, như:
  • Làm mềm nước: Hạt nhựa cation được sử dụng để loại bỏ các ion gây cứng nước như Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+,… trong nước sinh hoạt, nước công nghiệp, nước nồi hơi, nước làm lạnh, nước giặt, nước tắm, nước uống,… Hạt nhựa cation giúp cải thiện chất lượng nước, bảo vệ thiết bị sử dụng nước, tiết kiệm năng lượng, và giảm chi phí bảo dưỡng.
  • Khử khoáng nước: Hạt nhựa cation và anion được sử dụng để loại bỏ các ion tạp chất trong nước, như Na+, K+, NH4+, Cl-, SO4 2-, NO3-, NO2-,… trong nước công nghiệp, nước nồi hơi, nước làm lạnh, nước dược phẩm, nước thực phẩm, nước uống,… Hạt nhựa cation và anion giúp giảm độ dẫn điện, độ kiềm, độ axit, độ cứng, và độ ô nhiễm của nước, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước cao.
  • Điều chỉnh pH nước: Hạt nhựa cation và anion cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh pH nước, bằng cách thêm hoặc bớt các ion H+ hoặc OH- vào nước. Hạt nhựa cation và anion giúp duy trì pH nước ở mức ổn định, phù hợp với các yêu cầu của các quy trình sản xuất, sử dụng, và xả thải nước.
  • Loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ: Hạt nhựa cation và anion cũng có thể loại bỏ được một số chất hữu cơ và vô cơ có trong nước, như phenol, formaldehyd, amoni, nitrit, nitrat, sunfat, clo,… Hạt nhựa cation và anion giúp giảm độ độc hại, màu, mùi, vị, và các chỉ số sinh học của nước, bảo vệ sức khỏe người dùng và môi trường.

5. Ưu và nhược điểm của hạt nhựa trong lọc nước

Việc sử dụng hạt nhựa trong lọc nước có cả ưu và nhược điểm, từ góc độ kinh tế và hiệu quả lọc. Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của hạt nhựa trong lọc nước:

• Ưu điểm:
  • Hạt nhựa có giá thành rẻ, dễ dàng mua và sử dụng.
  • Hạt nhựa có tuổi thọ cao, có thể tái sử dụng nhiều lần bằng cách tái sinh.
  • Hạt nhựa có khả năng loại bỏ các ion tạp chất trong nước một cách hiệu quả và chính xác, không bị ảnh hưởng bởi áp suất, nhiệt độ, độ pH, và độ động của nước.
  • Hạt nhựa có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề liên quan đến xử lý nước, như làm mềm nước, khử khoáng nước, điều chỉnh pH nước, loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ,…
• Nhược điểm:
  • Hạt nhựa cần được tái sinh thường xuyên, tốn nhiều nước, dung dịch muối, axit, hoặc kiềm, và thời gian.
  • Hạt nhựa có thể bị lão hóa, bào mòn, vỡ vụn, hoặc mất khả năng trao đổi ion khi tiếp xúc với các chất oxy hóa mạnh, nhiệt độ cao, hoặc các tác nhân vật lý khác.
  • Hạt nhựa có thể bị nhiễm khuẩn, sinh ra các chất hữu cơ, hoặc các ion khác khi không được bảo quản và vệ sinh tốt.
  • Hạt nhựa không thể loại bỏ được các tạp chất không phải là ion, như cặn, cát, đất, vi khuẩn, virus, khuẩn, nấm, giun, sán, rong rêu, tảo, các chất hữu cơ lớn, các chất vô cơ lớn,…

6. Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn hạt nhựa

Khi lựa chọn hạt nhựa cho hệ thống lọc nước, bạn cần phải xem xét các yếu tố sau:

• Chất lượng nước đầu vào: Bạn cần phải kiểm tra các chỉ số chất lượng nước đầu vào, như độ cứng, độ dẫn điện, độ kiềm, độ axit, độ ô nhiễm, độ độc hại, độ màu, độ mùi, độ vị, độ pH, độ động, nhiệt độ, áp suất,… để lựa chọn loại hạt nhựa phù hợp với nhu cầu lọc nước.
• Mục tiêu lọc nước: Bạn cần phải xác định mục tiêu lọc nước, như loại bỏ các ion gây cứng nước, loại bỏ các ion gây ô nhiễm, loại bỏ các ion gây màu, mùi, vị, loại bỏ các ion gây ảnh hưởng đến pH nước, loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ,… để lựa chọn loại hạt nhựa có khả năng trao đổi ion với các ion tạp chất cần loại bỏ.
• Điều kiện sử dụng: Bạn cần phải xem xét các điều kiện sử dụng của hệ thống lọc nước, như khối lượng nước lọc, tốc độ dòng chảy, thời gian hoạt động, thời gian tái sinh, phương pháp tái sinh, phương pháp bảo quản, phương pháp vệ sinh,… để lựa chọn loại hạt nhựa có tuổi thọ và hiệu suất cao.

7. Cách chọn hạt nhựa phù hợp

Sau khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn hạt nhựa, bạn có thể tham khảo các hướng dẫn cụ thể sau đây để chọn hạt nhựa phù hợp cho hệ thống lọc nước của mình:

• Nếu bạn muốn làm mềm nước, bạn nên chọn hạt nhựa cation axit mạnh, vì loại hạt này có khả năng loại bỏ tất cả các ion gây cứng nước ở mọi pH. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có kích thước nhỏ, vì loại hạt này có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng hiệu quả trao đổi ion. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có màu sáng, vì loại hạt này dễ dàng nhận biết khi bị bão hòa hoặc nhiễm khuẩn. Một số hạt nhựa cation axit mạnh phổ biến trên thị trường là hạt nhựa styrenen ở dạng gel, màu vàng trong suốt¹ hoặc hạt macroporous cation styrene màu vàng nhạt hay màu nâu xám².
• Nếu bạn muốn khử khoáng nước, bạn nên chọn hạt nhựa cation axit mạnh kết hợp với hạt nhựa anion bazơ mạnh, vì loại hạt này có khả năng loại bỏ tất cả các ion tạp chất trong nước, cả ion dương và ion âm. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có kích thước nhỏ, vì loại hạt này có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng hiệu quả trao đổi ion. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có màu sáng, vì loại hạt này dễ dàng nhận biết khi bị bão hòa hoặc nhiễm khuẩn. Một số hạt nhựa cation axit mạnh và anion bazơ mạnh phổ biến trên thị trường là hạt nhựa styrenen ở dạng gel, màu vàng trong suốt¹ hoặc hạt macroporous cation styrene màu vàng nhạt hay màu nâu xám² kết hợp với hạt macropous anion styrene màu trắng³ hoặc hạt crylic màu trắng hoặc trắng sữa⁴.
• Nếu bạn muốn điều chỉnh pH nước, bạn nên chọn hạt nhựa cation axit yếu kết hợp với hạt nhựa anion bazơ yếu, vì loại hạt này có khả năng thêm hoặc bớt các ion H+ hoặc OH- vào nước, tùy thuộc vào độ pH của nước đầu vào. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có kích thước nhỏ, vì loại hạt này có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng hiệu quả trao đổi ion. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có màu sáng, vì loại hạt này dễ dàng nhận biết khi bị bão hòa hoặc nhiễm khuẩn. Một số hạt nhựa cation axit yếu và anion bazơ yếu phổ biến trên thị trường là hạt nhựa acrylic màu trắng hoặc trắng sữa⁴.
• Nếu bạn muốn loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ, bạn nên chọn hạt nhựa cation axit mạnh kết hợp với hạt nhựa anion bazơ mạnh, vì loại hạt này có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ có trong nước, như phenol, formaldehyd, amoni, nitrit, nitrat, sunfat, clo,… Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có kích thước nhỏ, vì loại hạt này có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng hiệu quả trao đổi ion. Bạn cũng nên chọn hạt nhựa có màu sáng, vì loại hạt này dễ dàng nhận biết khi bị bão hòa hoặc nhiễm khuẩn. Một số hạt nhựa cation axit mạnh và anion bazơ mạnh phổ biến trên thị trường là hạt nhựa styrenen ở dạng gel, màu vàng trong suốt¹ hoặc hạt macroporous cation styrene màu vàng nhạt hay màu nâu xám² kết hợp với hạt macropous anion styrene màu trắng³ hoặc hạt crylic màu trắng hoặc trắng sữa⁴.

8. Kết luận

Hạt nhựa trong lọc nước là một phương tiện lọc nước hiệu quả và kinh tế, có khả năng loại bỏ các ion tạp chất trong nước bằng cách trao đổi ion với các nhóm chức năng trên bề mặt hạt nhựa. Hạt nhựa có nhiều loại khác nhau, phù hợp với các mục tiêu và điều kiện lọc nước khác nhau. Khi lựa chọn hạt nhựa cho hệ thống lọc nước, bạn cần phải xem xét các yếu tố như chất lượng nước đầu vào, mục tiêu lọc nước, và điều kiện sử dụng. Bạn cũng nên tham khảo các hướng dẫn cụ thể để chọn hạt nhựa phù hợp cho hệ thống lọc nước của mình. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích về hạt nhựa trong lọc nước. Chúng tôi luôn sẵn sàng phục vụ bạn với giá cả hợp lý và dịch vụ tận tâm. Xin cảm ơn bạn đã đọc bài viết này. Chúc bạn có một ngày tốt lành!

➢ Xem thêm sản phẩm trên Google Doanh Nghiệp: Danh mục sản phẩm – Google Doanh Nghiệp.

➢ Xem danh mục các loại sản phẩm khác: Danh mục sản phẩm xử lý nước – Filtech Co.