تبادل یونی
یکی از روش های تصفیه آب استفاده از رزین های تعویض یون می باشد. رزین در انواع و گریدهای مختلفی تولید می گردد و در صنایع گسترده ای جهت تولید آب مورد استفاده قرار می گیرد.
تاریخچه:
پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال ۱۸۵۰ و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یونها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال ۱۸۷۰ با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بخصوص زئولیتها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزینهای معدنی، زئولیت می‌گویند و این مواد یونهای سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از این رو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیادی داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.
اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه ۱۹۳۰ در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف شدند، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیت آب را کاهش دهند.
برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب، گامهای اساسی در سال ۱۹۴۴ برداشته شد که باعث تولید رزینهای تعویض آنیونی شد. رزینهای کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزینهای آنیونی تمام آنیونهای آب از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود و امروزه اکثر رزینهای تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزینهای سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.
شیمی رزین‌ها:
رزینهای موازنه کننده یون، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزینهای تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال، یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکالهای آنیونی SO3-2 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.
این کاتیونهای متحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیونهای متحرکی مثل -Cl یا -OH به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون ، کاتیون‌ها یا آنیونهای موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیونهای موجود در رزین تعویض می‌شود، بگونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنکه یک 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 دانه رزین با آنیون غیر تحرک و یون متحرک +H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غلظت ۲۵% فرض نمود. این قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید.
طبقه بندی:
رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
۱٫ رزینهای کاتیونی قوی
۲٫ رزینهای کاتیونی ضعیف
۳٫ رزینهای آنیونی قوی
۴٫ رزینهای آمونیونی ضعیف
بطور کلی رزینهای نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزینهای نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولیکن با استفاده از رزینهای نوع ضعیف، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزینهای کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونهای هستند که به قلیائیت آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
مزیت رزینهای کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد. رزینهای آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونهای موجود در آب بوده ولی رزینهای آنیونی ضعیف قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزینهای آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهای آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب، رزینهای آنیونی قوی در پایین دست رزینهای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.
برخی از کاربردهای رزین‌ها:
• حذف سختی
• حذف آهن ومنگنز
• حذف سیلیکا
۰ تولید آب بدون یون (DM Water)
از آنجایی که روشهای متنوع و متفاوتی جهت تولید آب بدون یون وجود دارد (۱۰ روش) تولید آب بدون یون بوسیله رزینهای تعویض یونی، نیاز به آنالیز دقیق آب ورودی به سیستم دارد.
اصول طراحی:
طراحی رزین توسط نرم افزارهای مرتبط و بر اساس آنالیز و دبی آب ورودی، ساعت کارکرد و سرویس، کیفیت مورد نیاز خروجی و … انجام می گیرد. رزین ها در مخازنFRP، یا کربن استیل با پوشش مناسب و یا استنلس استیل بارگزاری می گردد.
راهبری سیستم های سختی گیر رزینی به سه صورت دستی، نیمه اتوماتیک و یا تمام اتوماتیک قابل طراحی و اجرا می باشد. در مورد سیستم های تولید آب بدون یون بهتر است فرآیند تولید بصورت تمام اتوماتیک انجام پذیرد.