رزین تبادل یونی – رزین کاتیونی و رزین آنیونی :

پدیده تبـــادل یــــون رزین برای اولین بار در ســــال ۱۸۵۰ و به دنبال مــشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمــــونیوم با یــــون کــلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال ۱۸۷۰ با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بـخصوص زئولیت‌ها واجـــد توانایی انجام تبــادل یون هستند.

در واقع به رزین‌ معـدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف مـی‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند کـه استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای مـــحدودیتهایی بودند. ایــن زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کــلـسـیـم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغــیـیـر بـاقـی مــی‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست.

پس از انجام تحقیقات در اواســط دهه ۱۹۳۰ در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلـیـس نـداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.

نکته :

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال ۱۹۴۴ برداشته شد که بــاعـث تولید زرینهای تعویض آنیونی شد. زرینهای کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حــذف می‌کنند و رزینهای آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌تـوان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریـافـتـنـد کـه سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد.

این نتیجه گـیـری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلــومـینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امــروزه اکـثر زرینهای تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.

شــیــمــی رزیــن‌ها :

رزیــن مـوازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در مــحـلول را بـا هـمان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزینهای تعــویـض یــونی شـامــل بـار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بــگـونـه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند.

موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت ایــن تـفـاوت را دارنـد که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال ، یک تعویض کــنـنـده کــاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامـل رادیـکـالـهای آنــیونی SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.

ایـن کـاتـیـونــهـای مـتحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کــنـنـده آنیونی دارای نقــاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل -Cl یا -OH به آن متصل می‌باشد.

در اثــر تــعــویــض یــون ، کــاتــیــون‌هــا یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شود ، بــگــونــه‌ای کـه هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامـد مایـع ســروکــار داریـم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنــکه یـک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:

۱. خود دارای یون باشد.

۲. در آب غیر محلول باشد.

۳. فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد ، بطوریکه یونها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.

در مورد رزینهای کاتیونی هر دانــه رزیــن با آنیـون غیر تحرک و یون متحرک +H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غـــلظـت ۲۵% فرض نمود. این

قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید.

نکات کلی در مورد رزین ها :

۱- این ماده شیمیایی را همواره در آب قرار دهید تا کاملاً خیس باقی بمانند.

۲- قبل از شروع به کار، فیلترهای حاوی رزین تعویض یونی باید شستشوی معکوس شوند تا رزین ها برحسب اندازه مرتب گردند. ۳- اگر رزینهای خریداری شده به فرم هیدروژنی یا کلردار است ابتدا باید آن را با محلول سود ۴٪ شستشو داد و اگر رزین به صورت سدیمی یا هیدروکسیل دار است ابتدا باید آن را با کلریدریک اسید ۴٪ شستشو داد.

۴- مواد روغنی باعث پوشش سطح رزین و مسدود کردن مسیر عبور یون به داخل و یا خروج آن از سایتهای رزین می شود. برای حذف آلودگی رزین به مواد روغنی باید از مواد سرفکتنت (مواد فعال سطحی) استفاده کرد که البته در انتخاب ماده ی سرفکتنت باید دقت کرد که خود ماده ی فعال سطحی باعث آلودگی رزین نشود.

رزین آنیونی اگر به مواد روغنی آلوده شود باید فقط از مواد فعال سطحی غیر یونی استفاده کرد.

۵- اگر در واحدهای رزینی در زمان آماده باش، خطر آلودگی بیولوژیکی این واحدها مطرح باشد، بهتر است که یک جریان ثابتی از آب در حال گردش در داخل بستر رزین داشته باشیم.

۶- معمول ترین و پرهزینه ترین آلودگی رزین، ناشی از آلاینده های آلی است. به مرور زمان آلاینده های آلی باعث تخریب سایتهای فعال رزینهای آنیونی می شوند و رزین را از حالت قوی به رزین ضعیف تبدیل می کنند و درنهایت این سایت ها را غیرفعال می سازند.

نکته :

از این رو یک رزین قوی در مراحل اولیه ی تخریب دارای ظرفیت تبادلی بیشتری شده ولی قدرت حذف سیلیکا و اسید کربنیک آن ها کم میشود (به خاطر تبدیل شدن به رزین ضعیف) و در زمان سرویس، آب تصفیه شده دارای هدایت الکتریکی بالا و pH پایین می شود.

۷- عمر کاری متوسط رزینها (به شرط یک بار احیا در روز) در شرایطی که آلودگی رزین مطرح نباشد به صورت زیر است:

رزین اسیدی قوی ۱۰-۸ سال

رزین بازی قوی۵-۴ سال

و رزین اسیدی ضعیف ۱۰-۸ سال

رزین بازی ضعیف۵-۴ سال

به طور تقریبی می توان گفت که هزینه سرمایه گذاری تصفیه آب با روش تعویض یونی متناسب با مقدار رزین است. در حالی که نوع آنیونی گران تر از رزین کاتیونی و رزین نوع ضعیف معمولا گران تر از نوع قوی است. عموماً هزینه سرمایه گذاری اولیه (ثابت) در واحدهای تعویض یونی با هزینه سرمایه در گردش این واحدها نسبت عکس دارد.

برای تصفیه حجم معینی از آب، هر چه سرمایه گذاری اولیه بیشتر باشد هزینه روزانه کمتر است.

۸- اگر TDS آب خیلی بیش از ppm ۴۰۰ باشد استفاده از روش های دیگر (به ویژه اسمز معکوس) برای کاهش TDS آب ورودی به رزین ها توصیه می شود.

۹- علل عمده کاهش زمان سرویس دهی رزین ها در شکل ۵-۵، تشریح شده است.

طبقه بندی رزین‌ها :

رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

۱. رزینهای کاتیونی قوی(( SAC) Strongacidis Cation)

۲. رزینهای کاتیونی ضعیف(( WAC) Weak acidis Cation)

۳. رزینهای آنیونی قوی SBA) Strongbasic anion) ))

۴. رزینهای آمونیونی ضعیف WBA) Weak basic anion))

بــطــور کلی رزینهای نوع قوی در یک محــدوده وسـیــع PH و رزیـن‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولـیـکـن با استفاده از رزینهای نوع ضعیف ، صرفه جویی قابل توجهی در مــصــرف مــوادشیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود.

رزینهای کــاتیونی قــوی قـادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونــهای هـستند که به قلیائست آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.

نوع قوی

Ca(HCO3)2 OR MgSO4 + 2ZSO3H —–> Ca2++2H2CO3 OR Mg2+ + H2SO4

نوع ضعیف

Mg(HCO3)2 OR Ca(HCO3)2 + 2ZCOOH —–> (ZCOO)2+ + Mg(ZCOO)2+Ca + 2H2CO3

مزیت رزینهای کاتیونی ضعـیف بــازدهی بالای آنها در مقــایـسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد ، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مـکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکــارگیری تــوام رزیــن کــاتـیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی مــی‌بــاشد.

رزینهای آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونــهای موجــود در آب بوده ولـــی رزینهای آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قــوی نــظـیر اسـیـدسـولفوریک ، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهــای آنـیـونـی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب ، رزین‌های آنیونی قوی در پاین دسـت رزیـنـهـای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

۲HCl OR 2H2SiO3 + 2ZOH —–> 2ZHSio3ZCl + H2O

۲HCl OR 2HNO3 + ZOH —–> 2ZCl OR 2ZNO3 + H2O

برخی از کاربردهای رزین ها :

· رزینهای کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیون‌های سختی آور آب بلکه همه یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا این نوع رزین‌های کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.

· بــا نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کــاتیونـها حـذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزینها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد.

اولا بـاید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا ، آهن و منــگـنـز مـحـلول در اب اکـسیـده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات این ماده رســوب کــرده و بــاعـث آلــوده شدن رزین می‌گردد.

· با استفاده از این ماده شیمیایی می‌توان لیــزیــن را که جــز اســـیـدآمــینــه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خــوکــها ، مــاکـیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسـیــد آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مـصـرف مـواد خـام و … اسـت با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

· حذف سیلیکا از آبهای صنعتی با استفاده از رزینهای آنیونی قوی

· حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت)