روش های بازسازی دستگاه تبادل یون_بخش دوم آرشیو مقالات

برای مطالعه بخش اول مقاله روش های بازسازی دستگاه تبادل یون روی لینک قبل کلیک نمایید.

نسبت بازسازی

• نسبت بازسازی - و یا نسبت ماده بازسازی کننده - به این صورت محاسبه می شود: مقدار کل ماده ی بازسازی کننده (در واحد معادل) تقسیم بر بار یونی کل (همچنین در واحد معادل) در طول یک سیکل.
•  این نسبت همچنین برابر است با تعداد eq/L  مواد بازسازی کننده، تقسیم بر eq/L ظرفیت عملیاتی رزین.
• نسبت (نظری) ماده ی بازسازی کننده ی برابر با 1.00 (یعنی 100٪) با مقدار استوکیومتری مطابقت می کند.
• همه ی رزین ها به مقدار خاصی از ماده ی بازسازی کننده نیاز دارند که بالاتر از مقدار استوکیومتری است.

ماده بازسازی کننده مازاد

اختلاف میان بار یونی و مقدار ماده ی بازسازی کننده را  ماده ی بازسازی کننده ی مازاد می نامند.

مقادیر حداقل

• رزین های WAC مقادیر بالاتر از مقدار استوکیومتری را نیاز دارند. تعداد امن 105 تا 110 درصد است.
• رزین های WBA به 115-140٪ نیاز دارند، زیرا اکثر آنها به گروه های عملکردی به شدت بازی تعلق دارند.
• رزین های WBA هنگامی که با آمونیاک یا کربنات سدیم بازسازی می شوند، به یک نسبت ماده ی بازسازی کننده ی 150 تا 200٪ نیاز دارند. این مواد بازسازی کننده را تنها می توان برای رزین های WBA به کار برد، نه برای رزین های SBA.
• رزین های SAC و SBA نسبت به همتایان ضعف خود به ماده ی بازسازی کننده ی مازاد بیشتری نیاز دارند.
• رزین های SAC و SBA که در بازسازی هم-جریان به کار می روند، نسبت به آن هایی که در بازسازی جریان معکوس به کار می روند، به مقادیر بیشتری ماده ی بازسازی کننده نیاز دارند.
• رزین های SAC بازسازی شده در جریان معکوس با اسید هیدروکلریک به حداقل مطلق 110٪ بازسازی نیاز دارند، اما 120٪ یک مقدار امن تر است. اگر آب دارای سختی بالا و یا قلیائیت پایین باشد، حداقل مقدار باید افزایش یابد.
• رزین های SAC بازسازی شده با اسید سولفوریک نسبت به رزین های بازسازی شده با HCl به مقدار مازاد بیشتری نیاز دارند. حداقل 40 درصد بیشتر.
• رزین های SBA، هیچ راه آسانی برای برآورد مقدار حداقل وجود ندارد، زیرا به نوع رزین SBA بستگی دارد (استایرنی نوع 1 در مقابل نوع 2 و یا رزین های اکریلیک).
• نکته مهم: در هنگام محاسبه نسبت ماده ی بازسازی کننده برای رزین های SBA، باید 2 معادل NaOH به ازای هر معادل CO2  یا SiO2 در نظر گرفت.
• زوج های WAC / SAC را می توان با نسبت جهانی حدود 105٪ بازسازی نمود.
• زوج های WBA / SBA را می توان با نسبت جهانی 110٪ تا 120٪ بازسازی نمود. اگر سطح سیلیس موجود در آب تغذیه شده زیاد باشد، مقادیر بیشتری مورد نیاز است.
• نسبت ماده ی بازسازی کننده برای سیلیس باید حداقل 800٪ باشد. این مقدار باید به طور جداگانه و به صورت تقسیم مقدار NaOH (در واحد eq) بر بار سیلیس (در واحد eq) در طول یک سیکل، محاسبه شود. یک معادل سیلیس به اندازه ی 60 گرم SiO2 در نظر گرفته شده است.

بازسازی شاهراه

هنگامی که یک رزین ضعف و قوی باهم استفاده می شوند، دو قانون زیر باید اعمال شود:
1. آب تغذیه شده، ابتدا باید از رزین ضعیف و سپس تنها از رزین قوی بگذرد.
2. ماده ی بازسازی کننده ابتدا باید از رزین قوی و سپس از رزین ضعیف عبور کند.

ستون های جداگانه در خدمات

ستون های جداگانه در بازسازی

چرا اینگونه است؟

1. رزین ضعیف دارای ظرفیتی بالا و بازدهی بازسازی خوبی است، اما همه ی یون ها را حذف نمی کند. بنابراین اول باید از آن استفاده شود، و سپس از رزین قوی برای حذف هر آنچه که رزین ضعیف حذف نکرده است استفاده می شود، ولو اینکه بازدهی اش پایین تر باشد.
2. رزین قوی به مقدار بیشتری از مواد بازسازنده ی مازاد نیاز دارد. رزین ضعیف تقریبا نیازی به مقدار مازاد ندارد. بنابراین ماده ی بازسازنده اول از رزین قوی عبور می کند، و رزین ضعیف با ماده ی بازسازنده ی مازادی که از از رزین قوی بیرون می آید، بازسازی خواهد شد.

تصاویر بالا ستون های قدیمی و جداگانه با بازسازی هم-جریان را نشان می دهند. در زیر همین کار را برای یک ستون دو محفظه ای امبرپک انجام داده ایم:

   امبرپک سرویس دهنده

 امبرپک بازسازی شونده

همه ی موارد بالا به همان اندازه برای هر زوج از رزین های کاتیونی تبادل اسید ضعیف و قوی اعمال می شوند.

انواع و غلظت های ماده بازسازی کننده

• معمولا برای بازسازی رزین های SAC به کار رفته در نرم کردن، و برای رزین های SBA به کار رفته در حذف نیترات، از سدیم کلرید (NaCl) استفاده می شود.
• زمانی که حضور سدیم در محلول نامطلوب قلمداد شود، از کلرید پتاسیم (KCl) هم می توان برای نرم کردن استفاده کرد.
• در برخی از فرآیندهای نرم کردن مایعات گرم ، می توان از آمونیوم کلرید (NH4Cl) استفاده کرد.
• برای از بین بردن نیترات، رزین SBA را می توان با سایر ترکیباتی بازسازی کرد که یون های کلرید ارائه می کنند، مانند اسید هیدروکلریک (HCl).
• برای کاتیون زدایی - اولین گام از یک فرآیند املاح زدایی – رزین های SAC را باید با یک اسید قوی بازسازی کرد. رایج ترین اسیدها، اسید هیدروکلریک و اسید سولفوریک می باشند.

O اسید هیدروکلریک (HCl) بسیار کارآمد است و باعث ته نشینی در بستر رزین نمی شود.

O اسید سولفوریک (H2SO4) گاهی اوقات ارزان تر و به طور کلی ذخیره کردن و رسیدگی به آن آسان تر است، اما بازدهی اش از اسید هیدروکلریک کمتر است: ظرفیت عملیاتی رزین SAC پایین تر است. علاوه بر این، برای جلوگیری از ته نشینی سولفات کلسیم، غلظت آن را باید به دقت تنظیم کرد (پایین را ببینید). هنگامی که رسوب CaSO4  تشکیل شود، حذف آن از بستر رزین بسیار دشوار است.
O اسید نیتریک (HNO3) را هم در اصل می توان استفاده کرد، اما توصیه نمی شود زیرا می تواند باعث ایجاد واکنش گرماده گردد. در برخی موارد هم، انفجاراتی مشاهده شده است، به طوری که استفاده از اسید نیتریک خطرناک  قلمداد می شود.

• برای قلیائیت زدایی، رزین WAC با اسید هیدروکلریک (HCl) بهتر بازسازی می شود. هنگام استفاده از اسید سولفوریک، غلظت باید کمتر از 0.8٪ باشد تا از ته نشینی سولفات کلسیم پیشگیری به عمل آید. اسیدهای ضعیف تر دیگری هم می توانند رزین های WAC را بازسازی کنند، مانند اسید استیک (CH3COOH) یا اسید سیتریک، مولکولی که حاوی سه گروه —COOH  می باشد: (CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH = C6H8O7). به فرمول سه بُعدی نگاهی بیندازید.
• رزین های SBA همیشه در فرایند املاح زدایی، با سود سوز آور (NaOH) بازسازی می شوند. پتاس سوز آور (هیدروکسید پتاسیم KOH) را هم در اصل می توان به کار برد، اما معمولا گران تر است.
• رزین های WBA نیز معمولا با سود سوز آور بازسازی می شوند، اما از سایر مواد بازسازی کننده - مواد قلیایی ضعیف تر - نیز می توان استفاده کرد، مانند:
  O آمونیاک (NH3)
  O کربنات سدیم (خاکستر سودا، Na2CO3)
  O تعلیق یک آهک (هیدروکسید کلسیم، Ca(OH)2) 

به طور کلی، رزین های WAC را با اسیدی که مقدار pKa  موجود در آن پایین تر از خود رزین باشد، می توان بازسازی کرد. مقدار pKa اکثر رزین های WAC، 4.4 تا 4.8 است. بنابراین اسید استیک (PK 4.8) تنها می تواند رزین های WAC را بازسازی کند، و اسید سیتریک (PK 3.1) برای این منظور کارامد است، در حالی که دی اکسید کربن (PK 6.4) مناسب این کار نیست. اما در اغلب موارد، از هیدروکلراید یا H2SO4، که معمولا ارزان تر است، استفاده می شود.

رزین های SAC و SBA را تنها می توان به ترتیب با اسیدهای قوی یا بازهای قوی بازسازی کرد.

غلظت های معمول عبارتند از :

• نمک طعام (نرم کردن و حذف نیترات): 10٪
• هیدروکلراید (کاتیون زدایی، قلیائیت زدایی و املاح زدایی): 5٪
• سود سوزآور (املاح زدایی):  
• H2SO4: برای رزین های SAC، غلظت اسید باید به عنوان تابعی از نسبت کلسیم در آب تغذیه شده (که در رزین های SAC  نیز همینطور است)، به دقت بین0.7  و 6 درصد انتخاب شود. برای رزین های WAC، غلظت معمولا 0.7٪ است. غلظت بیش از حد بالا ممکن است موجب ته نشینی سولفات کلسیم شود.
  برای رزین های SAC، اغلب از غلظت های گام به گام استفاده می شود: پس از انجام اولین موحله در غلظت پایین، زمانی که بخش بزرگی از کلسیم موجود بر روی رزین شسته شد، مرحله ی دوم را در غلظت بالاتر انجام می دهند. در موارد نادر، سه مرحله به کار می رود. مراحلی که با غلظت های بالاتر انجام می شوند، از میزان رقیق بودن آب کاسته و بر بهره وری اسید سولفوریک می افزایند.

مواردی هم موجود دارد که در آن غلظت های مختلفی (اغلب پایین تر، به ندرت بالاتر) را باید انتخاب کرد.

کاربرد های خاص

در چند کاربرد دیگر غیر از تصفیه آب نیز، محلولی که رزین ها در آن ریخته شده اند باید قبل از بازسازی جایگزین شود تا محلول ها را تا حد ممکن بهبود بخشد و از هدر رفتن ضایعات بازسازی اجتناب شود. این مرحله اضافی «کاهش شیرینی» نام دارد زیرا اولین بار در فرایندهای تصفیه ی شکر معرفی شد. به طور مشابه، پس از بازسازی و شستشو و قبل از تغذیه ی محلول اولیه ای که باید تصفیه شود، یک مرحله ی «افزایش شیرینی» نیز به منظور جلوگیری از رقیق شدن محلول تصفیه شده، انجام می گیرد.

بنابراین روند بازسازی کامل شامل مراحل زیر است:

• شستشو با محلول خام (اختیاری)
• کاهش شیرینی: جایگزینی محلول با آب
• تزریق ماده ی بازسازی کننده
• جایگزینی ماده ی بازسازی کننده با آب
• شستشو سریع با آب
• افزایش شیرین با استفاده از محلولی که باید تصفیه شود

قسمت کاهش شیرینی گاهی اوقات بازیافت می شود، به ویژه زمانی که محلول حاوی اجزای با ارزشی باشد (فلزات گران بها و ترکیبات شیمیایی گران قیمت).
وقتی که چگالی محلول بالا باشد، که ممکن است از چگالی رزین بالاتر باشد، اجرای خدمات - که اغلب با یک سرعت جریان کم صورت می گیرد- را می توان رو به بالا انجام داد تا باعث فشرده شدن بستر رزین و در نتیجه، جلوگیری از شناوری و روانی آن گردد. این روش اغلب در تصفیه ی محلول های شکر استفاده می شود.

برای افزایش غلظت محلولی حاصل و ظرفیت عملیاتی رزین، می توان از یک دستگاه متشکل از حداقل سه ستون استفاده کرد، که در آن، همانطور که در تصویر  بالا نشان داده شده است، دو ستون با هم در قسمت ارائه ی خدمت، و سومی در بازسازی مورد استفاده قرار می گیرند. ستون «هدایت» پس نشت موفقیت آمیز محتویاتش تخلیه می شود، در حالی که ستون «تأخیر» به عنوان یک جلا دهنده عمل می کند و نشتی کم محلول تصفیه شده را تضمین می کند.

هنگامی که محلول حاصل حاوی یک ترکیب ارزشمند است که از رزین زدوده شده است، این ترکیب را با غلظت هایی بیشتر از آنچه که از یک ستون برآید، می شویند.

   امبرپک سرویس دهنده