رزین های تعویض کاتیونی در مقابل رزین های تعویض آنیونی
دو نوع اصلی از رزین های تعویض یونی وجود دارند: آنهایی که یون های مثبت را تعویض میکنند رزین های تعویض کاتیونی نامیده می شوند و آنهایی که یون های منفی را تعویض می کنند، رزین های تعویض آنیونی نامیده می شوند. کاتیون یونی با بار مثبت است. از کاتیون های معمول می توان بهCa+2, Mg+2, Fe+2 و H+1 اشاره کرد. یک رزین کاتیونی آن است که یون های مثبت را تعویض میکند. آنیونی یونی با بار منفی است. از جمله آنیون های رایج Cl-1, SO4-2 و OH-1 هستند. یک رزین آنیونی آن است که یون های منفی را جابجا می کند. از نظر شیمیایی هر دو این رزین ها مشابه بوده و به گروهی از ترکیبات که پلیمر خوانده می شوند تعلق دارند. پلیمرها مولکول های بسیار بزرگ بوده که با ترکیب تعداد زیادی از مولکول های یک یا دو ترکیب مختلف در ساختاری تکراری زنجیره های بلند را تشکیل می دهند. یک دمینرالیزر، معمولا یک معمولا با حجم چند فوت مکعب می باشد که محتوی رزین است.
یک مینرالیزر ممکن است محتوی ترکیبی دقیق از هر دو رزین های کاتیونی و آنیونی باشد که در این صورت بسترهای مختلط خوانده می شوند. دمینرالیزرهای دو بستری دو مجرا دارند اولی محتوی رزین کاتیونی است که با یک مجرای جدای دیگر که محتوی رزین آنیونی است دنبال میشود.
از لحاظ فیزیکی رزین های تعویض یونی به شکل مهره های بسیار ریز که مهره های رزین خوانده می شوند، تشکیل شده است که قطری در حدود نیم میلیمتر دارند. رزین مرطوب ظاهری مانند شن زرد رنگ شفاف و لزج دارد و در آب، اسیدها و بازها نامحلول است. نسبت این ها به صورت دو بخش رزین کاتیونی و 3 بخش از رزین آنیونی است.
رزین تعویض آنیونی در یک مجرا با حجم چند فوت مکعب در بر گرفته شده است. المان های حفظ در بالا و پایین مجرا شامل صفحات نمایش، استوانه های سوراخ دار، یا سایر وسایل مناسبی با منفذ کوچکتری از مهره های رزین که از در رفتن رزین از مجرا جلوگیری می کنند، می باشد. زمانی که بستر رزین مخلوطی یکپارچه از رزین های کاتیونی و آنیونی در یک حجم است (معمولا دو قسمت رزین کاتیونی به 3قسمت رزین آنیونی) این سازمان بندی "رزین بستر مختلط" نامیده می شود. که برخلاف آرایش رزین های کاتیونی و آنیونی در لایه های گسسته یا مخزن های جداگانه است.
دلیل استفاده از نسبت های متفاوت رزین های آنیونی و کاتیونی، ظرفیت تعویض متفاوت بین آنهاست. توانایی تعویض، میزان ناخالصی است که مقدار مشخصی از رزین قادر به حذف آن، می باشد و واحد آن مول بر میلی لیتر، اکی والان ها بر میلی لیتر یا مول ها بر gm است. رزین آنیونی چگالی کمتری نسبت به رزین کاتیونی دارد بنابراین توانایی تعویض کمتری دارد و حجم بالاتری برای رزین های آنیونی در مقایسه با رزین های کاتیونی به منظور دستیابی به توانایی تعویض کلی یکسان مورد نیاز است.
فرآیند فعالیت مجدد بازیابی خوانده میشود و با استفاده از محلول های به شدت اسیدی برای کاتیون (به عنوان منبع یون های هیدرونیوم) و یا مایع سود سوزآوز (سدیم هیدروکسید) به عنوان منبع یون های هیدروکسیل برای رزین آنیونی، صورت می پذیرد. رزین یونی با استفاده از هیدروکلریک یا سولفوریک اسید و سدیم هیدروکسی غلیلظ به ترتیب برای بازیابی رزین های کاتیونی و آنیونی در محل، بازیابی می شود. کنترل ها موجب میشوند تا رزین شستشوی معکوس شده و سپس یک مجموعه از مواد شیمیایی بازیابی کننده را برای مدت زمان خاصی و نیز در سرعت جریان های مشخصی به خود جلب کرده و سپس با آبکشی آرام و سریع ادامه یابد. در مورد رزین بستر مختلط، شستشوی معکوس کنترل شده موجب میشود تا رزین جدا شده و دو عملکرد چند ظرفیتی برای هدایت اسید به کاتیون و سود به آنیون استفاده میشود. در روشی دیگر رزین می تواند در مجراها تهیه شوند.
اساس تعویض یونی
تعویض یونی فرآیندی برگشت پذیری از تعویض یون ها بین یک سطح جامد (ماده تعویض یونی) و یک مایع می باشد که طی آن تغییر دائمی در ساختار جامد رخ نمی دهد. تعویض یونی در تصفیه آب استفاده می شود و همچنین یک روش جداسازی در بسیاری از فرآیندهای غیرآبی را فراهم می کند. کاربرد بسیاری در سنتز مواد شیمیایی، تحقیقات پزشکی، پردازش مواد غذایی، معدن و کشاورزی و بسیاری از زمینه های دیگر دارد. به کار گیری تعویض یونی به دلیل استفاده و استفاده مجدد از مواد تعویض آنیونی صورت می گیرد. برای مثال در فرآیند سختی گیری آب واکنش زیر انجام می گیرد:
2RNa + + Ca 2+ $ R 2 Ca 2+ + 2Na +
تعویض کننده به شکل یون سدیم قادر است تا با کلیسیم تعویض شود بنابراین می تواند کلسیم را از آب حذف کرده و آن را با مقدار هم ارزی از سدیم جایگزین کند. متعاقبا کلسیم بارگذاری شده در رزین ممکن است با یک محلول سدیم کلرید تیمار شود و آن را دوباره به شکل سدیم بازیابی کند بنابراین برای آن را برای چرخه دیگری از عملیات آماده سازد. واکنش بازیابی برگشت پذیر است. تعویض کننده یونی به طور دائمی تغییر نکرده است. میلیون ها لیتر آب می تواند به ازای هر متر مکعب رزین در دوره چندین ساله تعویض شود.
تعویض یونی در مورد طیفی از مواد صورت میگیرد و در بسیاری از پایه های صنعت با معرفی سختی گیر آب توسط کیرکا در سال 1910با استفاده از زئولیت های طبیعی و سنتزی، استفاده شد. زغال سولفوناته که برای تصفیه آب صنعتی ایجاد شده بود، یکی از اولین مواد تعویض آنیونی پایدار در pH پایین بود.
معرفی رزین های تعویض آنیون آلی سنتزی در سال 1935از سنتز محصولات تراکمی فنولی محتوی گروه های آمین و سولفونی حاصل شد که می توانست برای تعویض برگشت پذیر کاتیون ها و آنیون ها استفاده شود. طیف وسیعی از گروه های عملکردی به پلیمرهای اضافی یا تراکمی استفاده شده به عنوان چارچوب ساختاری، افزوده شدند. تخلخل و اندازه ذره توسط شرایط پلیمریزاسیون و تکنولوزی یکپارچه سازی اندازه ذره، کنترل شده است. پایداری مکانیکی و شیمیایی تغییر داده شده و بهبود یافت. در نتیجه این پیشرفت ها تعویض کننده های غیرآلی (معدنی، شن سبز و زئولیت) به جز در مورد برخی کاربردهای تخصصی و تحلیلی تقریبا به طور کامل با انواع رزینی جایگزین شدند. زئولیت های سنتزی هم اکنون به عنوان الک های مولکولی استفاده می شوند.
ویژگی های فیزیکی رزین ها
عموما رزین های تعویض آنیونی از ماتریکس پلیمری با اتصالات عرضی و توزیع نسبتاً یکپارچه از جایگاه های فعال یونی در تمام طول ساختار، تشکیل شده اند. مواد تعویض کننده یونی همانند کره ها یا برخی مواد گرانولی سفت و سخت بوده و اندازه خاص و اتخاد شکلی آن برای دستیابی به الزامات موجود در هر کاربرد خاصی نیاز می باشد. اکثر رزین ها در شکل کروی (مهره ها) ساخته شده اند که می تواند به صورت رزین معمول با توزیع اندازه ذره پراکنده از حدود 3/0 میلی متر تا 2/1 میلی متر (16-50 مش) یا به صورت رزینی با انداره ذره متحد الشکل بوده و تمام ذرات آن در گستره اندازه ذره محدود، باشند. در حالت متورم شده با آب، رزین های تعویض یونی معمولا گرانش خاصی در حدود 5/1-1/1 نشان می دهند. چگالی حجیم که در ستون نصب شد شامل 35 تا 40% از حجم حفره برای یک محصول حفرهای هستند. چگالی های حجیم در محدوده 960-560 گرم بر لیتر برای محصولات رزینی تر،طبیعی هستند.
ویژگی های شیمیایی رزین ها
ظرفیت؛ ظرفیت تعویض یونی می تواند از چند طریق نشان داده شود. ظرفیت کلی که تعداد مکان های موجود برای تعویض است که معمولا پس از تبدیل رزین به شکل یونی خاص توسط روشهای بازیابی شیمیایی تعیین می شود. سپس یون به طور شیمیایی از یک کمیت اندازه گیری شده رزین حذف شده و به طور کمی در محلول با روش های تحلیلی تبدیلی محاسبه می شود. ظرفیت کلی به شکل وزن خشک، وزن خیس یا حجم خیس، بیان میشود. در شکل 1 طرح شماتیک رزین تعویض کاتیونی ماتریکسی با بار منفی و قابل تعویض با پایه های یونی مثبت را نشان می دهد. جذب آب توسط رزین و بنابراین وزن تر و ظرفیت های حجم تر به طبیعت چارچوب پلیمری و نیز محیطی که نمونه در آن قرار گرفته است، بستگی دارد.
ظرفیت عملکردی اندازه گیری عملکرد مفید به دست آمده با ماده تعویض یونی در زمان عملیات در یک ستون تحت مجموعه شرایط تعریف شده، می باشد. این پارامتر به تعدادی از فاکتورها از جمله ظرفبت ذاتی (کلی) رزین، سطح بازیابی، ترکیب تیمار محلولی، سرعت جریان عبوری از میان ستون، دما، اندازه ذره و توزیع بستگی دارد. مثالی در این رابطه در مورد سختی گیری اب با رزین استاندارد سولفونیک در سطوح مختلف بازیابی نشان داده شده است. تورم.
تورم آب یک تعویض کننده یونی اساساً، هیدراسیون گروه های یونی تثبیت شده است و تورم با افزایش در ظرفیت برای محدودیت های روبرو شده ناشی از شبکه پلیمر، افزایش می یابد. حجم های رزین با تبدیل به اشکال یونی با درجه هیدراسیون متفاوت، تغییر می کنند بنابراین برای یک تعویض کننده کاتیونی، تغییر حجم با گونه های یون های تک ظرفیتی به صورت, Li + > Na + > K + > Cs + > Ag + وجود دارد. با یون های چند ظرفیتی، هیدراسیون با عمل ایجاد پیوند عرضی، کاهش می یابد. بنابراین، , Na + > Ca2 + > Al 3+ است. در محلول هایی با غلظت بالا به دلیل وجود فشار اسمزی بیشتر، آب کمتری جذب میشود.
انتحاب پذیری؛ واکنش های تعویض یونی برگشت پذیر هستند. با تماس یک رزین با الکترولیت مازاد (+B در واکنش زیر )، رزین می تواند به طور کامل به نمک دلخواه تبدیل شود: RA + + B + ! RB + +A +. هر چند که با مقدار محدود در محفظه تماس، موازنه قابل تجدید برقرار می شود که به نسبت های +A و+B انتخاب پذیری ، ظرفیت کل در مقابل اتصالات عرضی رزین پلی استیرن سولفونیک اسید شکل+H شکل 3 ، ظرفیت عملکردی در برابر سطح بازیابی کننده برای عملیات چرخه سدیم، رزین سولفونیک اسید بستگی دارد.K B K ضریب انتخاب پذیری برای این واکنش به دست می آید : جاییکه m و ؟ به ترتیب به غلظت یونی در محلول و فاز رزین اشاره می کند. ضرایب انتخاب پذیری رزین برای طیفی از گونه های یونی تعیین شده و با+H برای کاتیون ها و OH- برای آنیون ها در ارتباط است که مقدار انتخاب پذیری 00/1 را تعیین می کنند. سینتیک؛ سرعتی که در آن تعویض یونی اتفاق می افتد.
فرآیند تعویض یونی شامل انتشار از لایه نازک محلول است که در تماس نزدیک با رزین ها بوده و انتشار درون ذره رزین است. انتشار لایه نازک در غلظت های پایین کنترل کننده سرعت بوده و انتشار ذزه در غلظت های بالا کنترل کننده سرعت است. خواه انتشار لایه نازک کنترل کننده سرعت باشد یا انتشار ذره، اندازه ذره رزین نیز فاکتور تعیین کننده است. رزین هایی با اندازه ذرات هم شکل، عملکرد سینتیکی بهبود یافته ای را نسبت به رزین هایی با توزیع چند جهتی ناشی از ذرات بزرگ که از نظر سینتیکی آهسته هستند، نشان می دهند.
پایداری؛ عوامل اکسید کننده قوی مانند نیتریک یا کرومیک اسید به سرعت رزین های تعویض یونی را تجزیه می کنند. تجزیه آهسته تر با اکسیژن و کلرین می تواند به طور کاتالیتیکی القا شود. به همین دلیل، یون های فلزی خاص، برای مثال آهن، منگنز و مس بایستی در یک محلول اکسید کننده به حداقل برسند. با تعویض کننده های کاتیونی، اساساً حمله در چارچوب پلیمری است. رزین هایی با اتصالات عرضی فراوان طول عمر مفید گسترده تری دارند زیرا جایگاه های زیاد دارند که بایستی قبل از اینکه تورم موجب کاهش ظرفیت مبتنی بر حجم مفید آن شده و ویژگی های غیر قابل قبولی مانند کاهش قدرت و افزایش افت فشار را ایجاد کند، مورد حمله قرار بگیرند. درمورد تعویض کننده های آنیونی حمله ابتدا در گروه های عملکردی آسیب پذیر صورت می گیرد که منجر به از دست دادن ظرفیت کلی و یا تبدیل ظرفیت باز قوی به باز ضعیف می شود. محدودیت های پایداری دمایی توسط قدرت پیوند کربن نیتروژن در مورد رزین های آنیونی اعمال شده است. این قدرت بهpH حساس است و pH بالا پایداری آن را افزایش می دهد. محدودیت دمایی 60 درجه سانتی گراد (140 فارنهایت) برای عملیات چرخه هیدروکسید پیشنهاد می شود. پایداری رزین کاتیونی نیز به pH وابسته است. پایداری برای هیدرولیز پیوند کربن- سولفور با کاهش دادن pH کاهش می یابد. رزین های کاتیونی پایدارتر از انواع آنیونی می باشند هر چند که آنها می توانند تا 150 درجه سانتی گراد هم فعالیت کنند.
ساختار و ساختمان رزین؛ ساخت رزین های تعویض یونی شامل تهیه کوپلیمر مهره ای با اتصالات عرضی است که با سولفاناسیون در مورد رزین های کاتیونی اسیدی قوی یا کلرومتیلاسیون و آمیناسیون کوپلیمر برای رزین های آنیونی، ادامه می یابند. رزین های تعویض کاتیونی؛ رزین های تعویض کاتیونی اسید ضعیف ابتداً بر پایه آکریلیک یا آکریلیک اسید هستند که با یک مونومر دو عاملی اتصال عرضی ایجاد کرده اند (معمولا دی ونیل بنزن). فرآیند ساخت ممکن است با استر اسید در سوسپانسیون پلیمریزاسیون آغاز شود که با هیدرولیز محصول تولید شده به منظور ایجاد گروه اسیدی عملکردی ادامه می یابد. رزین های اسیدی ضعیف تمایل بالایی به یون های هیدروژن دارند و بنابراین به راحتی با اسیدهای قوی بازیابی می شوند. رزین بازیابی شده با اسید ظرفیت بالایی برای فلزات قلیایی خاکی در ارتباط با قلیائیت و ظرفیت محدود شده تری برای فلزات قلیایی با قلیائیت را نشان می دهد. هیچ تفکیک نمکی برای نمک های خنثی رخ نمی دهد. هر چند که زمانی که رزین پروتونه نیست (برای مثال اگر با سدیم هیدروکسید خنثی شده باشد)، سختی گیری حتی در حضور پس زمینه ایی با نمک بالا هم می تواند رخ دهد. رزین های اسیدی قوی کوپلیمرهای سولفوناته استیرن و DVB هستند. این مواد با توانایی آنها برای تعویض کاتیونی یا جداسازی نمک های خنثی شناخته می شوند و در تمام محدوده pHمفید هستند. رزین های تعویض آنیونی؛ رزین های بازی ضعیف محتوی جایگاه های قابل تعویض یونی نبوده و به عنوان جاذب های اسید عمل می کنند. این رزین ها قادر به جذب اسیدهای قوی با توانایی بالا بوده و به راحتی با سود قابل بازیابی هستند. بنابراین زمانی که در ترکیب با آنیون های بازی قوی استفاده می شوند با فراهم کردن ظرفیت عملکردی بالا و کارایی بازیابی، می توانند مفید باشند.
سیستمهای یونی رزین PC-200 آزمایش شده و توسط WQA تحت نظارت شرکت رزین خالص LTD در مقابل ANSI/NSF 44 و 61، تایید شده است.