در این قسمت مقاله، کاربردهای رزین تبادل یونی را مورد بررسی قرار می دهیم. برای مطالعه بخش اول روی لینک زیر کلیک نمایید.
تبادل یون به طور گسترده در محصولات غذایی و آشامیدنی، هیدرومتالورژی، پرداخت فلزات، صنایع شیمیایی و پتروشیمی، داروسازی، شکر و شیرین کننده ها، زمین و آب آشامیدنی، هسته ای، نرم شدن و آب صنعتی، نیمه هادی و بسیاری از صنایع دیگر به کار گرفته می شود.
مثال بارز به کارگیری این فرایند در تولید آب با خلوص بالا (آب فوق خالص) برای مهندسی برق، الکترونیک و صنایع هسته ای است. به عنوان مثال تبادلگرهای یونی پلیمری یا یون های معدنی قابل انحلال به طور گسترده جهت نرم کردن ، تصفیه آب و ضدعفونی کردن آب استفاده می شوند.
تبادل یونی روشی است که به طور گسترده در مصارف خانگی (مواد پاک کننده و دستگاه تصفیه آب) جهت نرم کردن آب مورد استفاده قرار می گیرد. با تبادل یون های کاتیونی کلسیم (Ca+2) و منیزیم (Mg+2) در برابر کاتیون های Na+ یا H+ آب نرم می شود. کاربرد دیگر تبادل یونی در دستگاه تصفیه آب خانگی حذف نیترات و مواد آلی طبیعی است.
کروماتوگرافی تبادل یونی صنعتی و آنالیتیکال از جهتی دیگر قابل به بررسی است. کروماتوگرافی تبادل یونی، یک روش کروماتوگرافی است که به طور گسترده ای در آنالیز شیمیایی و جداسازی یون ها استفاده می شود. برای مثال این روش در بیو شیمی جهت جداسازی مولکول های باردار شده نظیر پروتئین ها به کار گرفته میشود.
یکی از کاربردهای مهم به کار گیری روش تبادل یونی در زمینه استخراج و خالص سازی مواد تولید شده بیولوژیکی نظیر پروتئین ها (آمینو اسیدها) و DNA/RNA می باشد.
فرایند تبادل یونی جهت جداسازی و خالص سازی فلزات از جمله جداسازی اورانیوم از پلوتونیوم و اکتینیدها دیگر از جمله توریم و لانتانیوم، نئودیمیوم، ایتربیم، ساماریوم، لیتیوم از یکدیگر و سایر لانتانیدها استفاده می شود.
دو سری از فلزات خاکی کمیاب (لانتانیدها واکتینیدها) هر دو از خانواده هم بوده و دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مشابه می باشند. روش تبادل یونی در سال 1940 توسط فرانک توسعه یافت و تنها روش عملی جداسازی لانتانیدها و اکتنیدها در مقادیر زیاد بود تا زمانی که تکنیک استخراج با حلال ظهور کرد که میتوانست به طور چشمگیری افزایش یابد.
یک مورد بسیار مهم در فرایند خالص سازی (PUREX) (فرایند استخراج پلوتونیم و اورانیوم)، جداسازی پلوتونیم و اورانیوم از محصولات تولید شده از سوخت مصرف شده راکتور هسته ای است که طی این جداسازی، محصولات زائد تولید شده، می توانند دور ریخته شوند. پس از آن، پلونیوم و اورانیوم بدست آمده را برای ساخت مواد انرژی-هسته ای نظیر سوخت راکتورهای جدید و سلاح های هسته ای مورد استفاده قرار داد.
فرایند تبادل یونی برای جدا کردن مجموعه دیگری از عناصر بسیار مشابه، مانند زیرکونیوم و هافنیوم که آنها هم برای صنعت هسته ای بسیار مهم هستند، استفاده می شود. زیرکونیوم به طور عملی شفاف است تا نوترون ها را آزاد کند و در ساخت راکتورها استفاده می شود، اما هافنیم که یک جاذب بسیار قوی نوترون است در میله های کنترل راکتورها مورد استفاده قرار می گیرد.
تبادلگرهای یونی در بازفرآوری هسته ای و زباله های رادیواکتیو استفاه می شود. رزین های تبادل یونی در قالب غشاء نازک در فرایند کلر قلیایی، سلول های سوختی و باتریهای اکسیداسیون و کاهش وانادیوم مورد استفاده قرار می گیرد.
روش تبادل یونی می تواند جهت رفع سختی آب به کار رود که طی آن در ستون تبادل یونی یون های کلسیم و منیزیم با یون های سدیم جابه جا می شود. نمک زدایی از طریق تبادل یون فاز مایع (آبی) نشان داده شده است.
در این تکنیک آنیون ها و کاتیون ها در آب نمک با آنیون های کربنات و کاتیون های کلسیم با استفاده از الکتروفورز تبادل می شوند. یون های کلسیم و کربنات پس از انجام واکنش به شکل کربنات کلسیم درآمده و رسوب می کنند، که طی آن از آب حذف می شوند. نمکزدایی در دما و فشار محیط صورت میگیرد و نیازی به غشاء یا تبادلگرهای یونی جامد وجود ندارد. بازده انرژی تئوری این روش همتراز با الکترولیز و اسمز معکوس است.
دیگر کاربردها
- در علوم خاک، ظرفیت تبادل کاتیونی، ظرفیت تبادل یون خاک برای یون های باردار شده مثبت است. خاک می تواند به عنوان یک تبادلگر کاتیونی ضعیف در نظر گرفته شود.
- در اصلاح آلودگی و مهندسی ژئوتکنیک، ظرفیت تبادل یونی ظرفیت تورم تورمی یا گستره خاک رس نظیر مونت موریلونیت را که مورد استفاده جهت به دام انداختن آلاینده ها و یونهای باردار شده هستند را تعیین میکند.
- ساختار موج بر سطح تبادل یونی برای ایجاد لایه هدایتی در شاخص بالاتر انکسار استفاده می شود.
- قلیا زدایی، یون های قلیا را از سطح شیشه حذف می کند.
- شیشه های شیمیایی تقویت شده، توسط تبادل یون های K+ و Na+ در سطوح شیشه نوشابه با استفاده از فلزات KNO3 تهیه میشوند.
بازسازی فاضلاب
اکثر سیستم های تبادل یونی کانتینرهایی از رزین های تبادل یون هستند که بر اساس یک چرخه عمل می کنند. جریان آب تا زمانی که رزین جهت مصرف وجود دارد، داخل کانتینر جریان می یابد و آب خارج شده از کانتینر تبادلگر یونی حاوی ماکزیمم غلظت یون های مطلوب نسبت به یون های زدوده شدن از آب می باشد.
با شستشوی معکوس بستر رزین، به طور پی در پی مواد جامد انباشته شده زدوده می شوند اما به دلیل شستشو با فشار زیاد یون های رزین ها نیز حذف می شوند . با یک محلول غلیظ شده از یون های جایگزین و شستشوی رزین با محلول تحت فشار بالا رزین ها دوباره بازسازی می شوند. محصول بدست آمده از شستشوی معکوس، شستشو تحت فشار بالا و آب کشی کردن آب فاضلاب در طول بازسازی محیط تبادل یون فایده تعویض یونی را برای بهبود آب فاضلاب محدود می کند.
نرم کنندهای آب با آب شور حاوی ده درصد سدیم کلراید احیاء می شوند. گذشته از نمک های قابل انحلال کلرید، کاتیونهای دو ظرفیتی از آب نرم حذف میگردند، فاضلاب تولید شده از احیاء نرم کننده ها، شامل باز تولید پنجاه تا هفتاد درصد از سدیم کلراید استفاده نشده است که جهت شستشو و احیاء آب شور برای مبادله رزین تبادل یون معکوس مورد نیاز است.
احیاء رزین یون زدایی شده با اسید سولفوریک و هیدروکسید سدیم در حدود 20 تا 40 درصد کارآمد و مفید است. غلظت همه یون های مثبت (مانند سدیم سولفات) موجود در فاضلاب احیاء ، یون زدایی و خنثی شده حدود 2.5 تا 5 برابر غلظت تعادلیشان است.
**ن