رزین تعویض یونی یا پلیمر تعویض یونی معمولا یک ماتریکس نامحلول (ساختار بستر) است که به طور طبیعی در شکل مهره های کوچک، معمولا به رنگ سفید یا زرد و از یک ماده پلیمری آلی ساخته شده است. مهره ها معمولا متخلخل بوده، منطقه سطحی بالایی را فراهم میکنند. به دام انداختن یو نها همزمان با آزادسازی سایر یو نها اتفاق می افتد؛ بنابراین به این فرآیند تعویض یونی می گویند. انواع مختلفی از رزین های تعویض یونی وجود دارد. تجاری ترین رزین ها از جنس سولفانات پلی استیرن هستند.
رزین های تعویض آنیونی به طور گسترده در فرآیندهای مختلف جداسازی، تخلیص و ضدعفونی استفاده میشوند. رایج ترین مثال ها تخلیص و سختی گیری آب است. در بسیاری از موارد، رزین های تعویض یونی در چنین فرآیندهایی به عنوان انعطاف پذیرترین جایگزین برای استفاده از زئولیت های طبیعی یا مصنوعی هستند.
انواع رزین ها
رایج ترین رزین های تعویض یونی بر پایه پلیاستیرن هایی با پیوندهای عرضی هستند. مکان های تعویض یون واقعی پس از پلیمریزاسیون وارد شده اند. به علاوه، در مورد پلی استیرن، اتصالات عرض از طریق پلیمریزاسیون همزمان استیرن و چند درصد معدود از دی ونیل بنزن (پلیمرهای بدون پیوند عرضی که در آب محلول هستند)، ایجاد شدند. اتصالات عرضی، توانایی تعویض یونی رزین را کاهش داده و زمان دستیابی به پروسه تعویض یون را طولانی تر کرده اما استحکام رزین را بهبود می بخشد. همچنین اندازه ذره پارامترهای رزین را تحت تاثیر قرار می دهد؛ ذرات کوچکتر سطح بیرونی بزرگتری را دارند اما موجب از دست رفته گی سر بزرگتر در فرآیندهای ستونی میشوند.
رزین های تعویض یونی، علاوه بر اینکه به شکل مواد مهره مانند ساخته میشوند، به صورت غشا نیز سنتز می شوند. غشاها، از رزین های تعویض یونی همراه با اتصالات عرضی فراوان ساخته شده اند که تنها به یون ها اجازه عبور داده و به آب اجازه عبور نمیدهد که برای الکترولیز مورد استفاده قرار میگیرند.
چهار رزین تعویض آنیونی مهم وجود دارند که تنها در گروه های عملکردی شان با هم تفاوت دارند و عبارتند از:
رزین های به شدت اسیدی که معمولا گروه های سولفونیک اسید را نشان می دهند مانند سولفانات پلی استیرن یا polyAMPS
رزین های به شدت بازی که گروه های آمینو چهارگانه مانند گروه های تری متیل آمونیوم را نشان میدهند. برای مثال polyAPTAC
رزین های اسیدی ضعیف که معمولا گروه های کربوکسیلیک اسید را نشان میدهند.
رزین هایی با خاصیت بازی ضعیف که معمولا گروه های آمین نوع اول، نوع دوم و نوع سوم را نشان میدهند مانند پلی اتیلن آمین
رزین های تعویض یونی تخصصی نیز شناخته شده اند که از آن جمله می توان رزین های شلاته کننده (ایمینودی استیک اسید، رزین های مبتنی بر تیائورا و بسیاری دیگر)
رزین های آنیونی و کاتیونی دو مورد از رایج ترین انوع رزین های استفاده شده در فرآیند تعویض یونی هستند. در حالی که رزین های آنیونی یون هایی با بار منفی را جذب می کند، رزین های کاتیونی هم یون هایی با بار مثبت را به خود جذب میکنند.
رزین های آنیونی
رزین های آنیونی ممکن است، به صورت شدید یا ضعیف بازی باشند. رزین های آنیونی به شدت بازی در طی یک محدوده گسترده pH بار مثبت خود را حفظ می کنند، در حالی که رزین های آنیونی بازی ضعیف در pHهای بالاتر خنثی میشوند. رزین هایی با خاصیت بازی ضعیف از آنجایی که تحت فرآیند دپروتونه شدن قرار می گیرند نمی توانند بار خود را در pHهای بالاتر حفظ کنند. هر چند که انجام این عمل پایداری شیمیایی و مکانیکی برتری را پیشنهاد می دهد. این رویداد اخیر در ترکیب با سرعت بالای تعویض یون، رزین های آینونی بازی ضعیف را برای نمک های آلی مناسب می کند.
برای رزین های آنیونی بازیابی معمولا شامل تیمار رزین با محلول به شدت بازی مثلاً محلول های سدیم هیدروکسید است. در طول بازیابی، ماده شیمیایی بازیابی کننده از میان رزین عبور کرده و یون های باردار منفی به دام افتاده شسته شده و ظرفیت تعویض رزین ها بازسازی میشود.
یک سختی گیر آب تعویض یونی چگونه کار می کند
ترکیب رزین
رزین های تعویض یونی معمولا به شکل مهره مانند بوده و از مواد پلیمری ساخته میشوند (معمولا پلی استیرن و با احتمال کم پلیمرهای آکریلیک). در طول فرآیند پلیمریزاسیون استیرن به منظور ایجاد اتصالات عرضی با دی ونیل بنزن ترکیب میشود. این ساختار مملو از اتصالات عرضی بوده و در مقایسه با مواد بدون اتصالات عرضی استحکام بیشتری دارند. گروه های فعال به منظور تعیین نوع تعویض یون دلخواه پس از پلیمریزاسیون به رزین متصل میشوند. هر مهره رزین کوپلیمر یک ساختار ژل مانند داشته و این توانایی را دارد که در حضور مایعات منقبض و منبسط شود. اینها شامل منافذ سطحی بیشمار برای به دام انداختن یون ها هستند.
کاربردها
رزین های تعویض یونی ابتدا به عنوان بخش های اصلی در فرآیند تصفیه آب در تاسیسات صنعتی و خانگی استفاده شده است. سیستم های سختی گیری آب از این رزین ها برای جابجایی دو عنصر رایج آب سخت؛ منیزیم و کلسیم با مولکول های سدیم استفاده میکنند. رزین ها همچنین به منظور تخلیص آب توسط جابجایی فلزاتی مانند مس، کادمیوم و سرب با مولکول های سدیم یا پتاسیم استفاده میشوند.
فرآیند بازیابی برای رزین های آنیونی معمولا شامل تیمار رزین با یک محلول به شدت بازی مانند محلول آبی سدیم هیدروکسید است. در طول بازیابی، ماده شیمیایی بازیابی کننده از میان رزین عبور کرده و یون های منفی به دام افتاده شسته شده و به این ترتیب ظرفیت تعویض رزین احیا میشود.
دفع رزین استفاده شده
رزین های تعویض یونی مضر نیستند. اطلاعات موجود نشان میدهد که رزین های تعویض یونی رتبه بندی صفر را برای سمیت، آتش زایی و واکنش پذیری دارند و این تنها برای رزین های جدید یا ضدعفونی شده، استفاده میشود.
موادی که در حین سرویس در مهره های رزین جمع شده اند می تواند رتبه بندی پر خطر بودن ماده را تغییر دهند. برای مثال، اگر رزین برای حذف فلزات سنگین از آبهای زاید استفاده شده باشد، پس می تواند به عنوان ماده سمی یا مضر تلقی شود. بسیار مهم است که شما قبل از دور ریختن، ریزینی که در تماس با فلزات سنگین یا سایر مواد مضر بوده را از طریق مراجع صحیح بررسی کنید
رزین های تعویض آنیونی که در فرآیندهای تصفیه آب شیر یا منابع آب آشامیدنی استفاده می شوند تنها در تماس با جامدات حل شده غیر مضر مانند سختی، قلیائیت، و سایر موارد هستند. بنابراین به راحتی مانند هر زباله دیگری می توانند دور ریخته شوند. ابتدا بررسی کنید!
رزین ها بایستی در شکل نمک یا شکل تخلیه شده خود دور ریخته شوند. که این امر ممکن است نیاز به تماس بستر با چندین حجم بستر از سدیم کلرید رقیق (15-5%) داشته باشد. در غیر اینصورت، رزین های کاتیونی در شکل هیدروژن ممکن است pH بسیار پایین و رزین های آنیونی در شکل هیدروکسید pH بسیار بالایی برای دور ریخته شدن داشته باشد.
برخی مواقع واژه های تعویض یونی، دیونیزاسیون و دمینرالیزاسیون ممکن است در همان معنی برای یک فرآیند در نظر گرفته بشوند. هر چند که دیونیزاسیون و دمینرالیزاسیون ممکن است در فرآیندی متفاوت از تعویض یونی به دست بیایند (مراجعه به اسمز معکوس). تعویض یونی فرآیندی است که به طور گسترده در تاسیسات هسته ای، فرآیندهای صنعتی و عملیات پزشکی و دارویی برای کنترلpHآب با حذف یون های نامطلوب و جایگزینی آن با یون های مورد قبول انجام میشود. اختصاصاً این فرآیند، تعویض یون ها بین یک ماده جامد (که رزین خوانده میشود) و یک محلول آبی است که معمولاً آب شهری، آب نوشیدنی می باشد اما در برخی مواقع هم شامل آب فرآیند یا آب زائد نیز می باشد (برای مثال صنایع ورق کاری). بسته به ماهیت یونی که رزین به آب وارد می کند، فرآیند ممکن است منجر به تخلیص شود یا در کنترل غلظت یون خاص در یک محلول به کار رود. تعویض یونی تعویض برگشت پذیر یون ها بین یک مایع و یک جامد است.
این فرآیند عموما به منظور حذف یون های نامطلوب از یک مایع و جایگزینی آن با یون های قابل قبول از یک جامد (رزین) است. وسیله ای که تعویض یونی در آن اتفاق می افتد معمولا دمینرالیزه کننده نامیده می شوند. این نام از واژه دمینرالیز گرفته شده است که به معنی فرآیندی است که بر طبق آن ناخالصی های موجود در مایع ورودی (آب) توسط تعویض یون های ناخالص با یون های هیدروژن و هیدروکسید حذف شده و آب خالص را میکنند. یونهای +H و -OH در محل مهره های رزین موجود در تانک های دمینرالیزر یا ستون ها حاضر هستند.