رزین تبادل یونی چیست؟ چه کاربردی دارد؟

رزین تبادل یونی چیست؟ چه کاربردی دارد؟ در این پست از مجله حقایق آب ما رزین های تبادل یونی را از نظر ساختار و کاربرد مورد بررسی قرار داده ایم.

رزین تبادل یونی چیست؟

رزین های تبادل یونی یا ion exchange resin نوعی رزین به شکل کروی هستند که می توانند یون ها را مبادله کنند. به بیان ساده، تبادل یونی نوعی واکنش شیمیایی برگشت پذیر است که در آن یون ها از محلول جدا شده و با یون های دیگر جایگزین می شوند. جنس رزین های تبادل یونی از  پلیمرهای آلی است که خودشان شبکه ای از هیدروکربن ها را تشکیل می دهند. در سرتاسر ماتریس پلیمری، مکان‌های تبادل یونی وجود دارد، جایی که به اصطلاح «گروه‌های عملکردی» از یون‌های دارای بار مثبت (کاتیون‌ها) یا یون‌های با بار منفی (آنیون‌ها) به شبکه پلیمری چسبانده می‌شوند. این گروه های عاملی به راحتی یون های بار مخالف را جذب می کنند.

خواص فیزیکی رزین های تبادل یونی

بعد از یادیگری با مفهوه رزین تبادل یونی چیست؟ نوبت به این می رسد خواص رزین ها را مورد بررسی قرار دهیم. رزین های تبادل یونی دارای خواص فیزیکی متفاوتی هستند. به عنوان مثال شکل هندسی، اندازه و ساختار رزین های تبادل یونی می تواند متفاوت باشد. اما به صورت معمول بیشتر سیستم های مبادله یونی از رزین های تبادل یونی متشکل از دانه های ریز و متخلخل استفاده می کنند. این در حالی است که که برای الکترودیالیز  از رزین های مش ورقه‌ استفاده می شود. اندازه  دانه های رزین های تبادل یونی بین 0.25 تا 1.25 میلی متر است. با توجه به نوع کاربرد و طراحی سیستم، می تواند دانه های رزین با اندازه ذرات یکنواخت یا توزیع اندازه متفاوت باشد. در بیشتر فرآیندهای مبادله یونی از   دانه های رزین با جنس ژل استفاده می کنند که ظاهری شفاف دارند و ظرفیت و کارایی شیمیایی بالایی دارند. رزین های ماکرو متخلخل، که ظاهر سفید یا زرد مات دارند، معمولاً برای شرایط سخت مورد استفاده قرار می گیرند زیرا پایداری و مقاومت شیمیایی نسبتاً زیادی دارند.

بررسی ساختار های رزین های تبادل یونی 

ماتریس رزین تبادل یونی (ion exchange resin) با اتصال زنجیره های هیدروکربنی با یکدیگر در فرآیندی به نام پلیمریزاسیون تشکیل می شوند. با اتصال متقابل به پلیمر رزین ساختار قوی تر، انعطاف پذیرتر و ظرفیت بیشتر (بر حسب حجم) ایجاد می شود. توجه داشته باشید ترکیب شیمیایی اکثر رزین های تبادل یونی پلی استایرن می باشد و برای کاربرهای خاص برخی از انواع خاصی از اکریلیک (اعم از اکریلونیتریل یا متیل آکریلات) تولید می شوند. سپس پلیمر رزین تحت یک یا چند عملیات شیمیایی قرار می‌گیرد تا گروه‌های عاملی را به مکان‌های تبادل یونی واقع در سراسر ماتریس متصل کند. این گروه‌های عملکردی آن‌هایی هستند که به رزین (ion exchange resin) قابلیت جداسازی آن را می‌دهند و از یک نوع رزین به نوع دیگر به طور قابل توجهی متفاوت خواهند بود. رایج ترین ترکیبات عبارتند از:

• رزین های تبادل کاتیونی اسید قوی که به اصلاح به آنها (SAC) گفته می شود. رزین های SAC از یک ماتریس پلی استایرن با یک گروه عاملی سولفونات (SO 3 – ) تشکیل شده اند که یا با یون های سدیم (Na 2 + ) برای  کاربردهای نرم کننده آب  یا یون های هیدروژن (H + ) برای  دمینرالیزاسیون استفاده می شوند.
• رزین های تبادل کاتیونی اسید ضعیف که به آنها (WAC) گفته می شود. در واقع رزین‌های WAC از یک پلیمر اکریلیک تشکیل شده‌اند که با اسید سولفوریک یا سود سوزآور هیدرولیز شده و گروه‌های عاملی کربوکسیلیک اسید را تولید می‌کنند. رزین‌های WAC به دلیل میل ترکیبی بالا برای یون‌های هیدروژن (H + )، معمولاً برای حذف انتخابی کاتیون‌های مرتبط با قلیاییت استفاده می‌شوند.
• رزین های تبادل آنیونی پایه قوی که به آنها (SBA)گفته می شود.  رزین‌های SBA معمولاً از یک ماتریس پلی استایرن تشکیل شده‌اند که برای تثبیت آنیون‌ها در مکان‌های تبادلی، تحت کلرومتیلاسیون و آمیناسیون قرار می گیرند. رزین های SBA نوع 1 با استفاده از تری متیل آمین تولید می شوند که یون های کلرید (Cl- ) تولید می کنند ، این در حالی است که رزین های SBA نوع 2 با استفاده از دی متیل اتانول آمین تولید می شوند که یون های هیدروکسید ( OH- ) تولید می کند .
• رزین های مبادله آنیونی پایه ضعیف که به اصطلاح (WBA) نامیده می شوند.  رزین های WBA معمولاً از یک ماتریس پلی استایرن تشکیل شده اند که تحت کلرومتیلاسیون قرار گرفته و به دنبال آن آمیناسیون با دی متیل آمین انجام می شود. رزین های WBA از این نظر منحصر به فرد هستند که یون های قابل تعویض ندارند و بنابراین به عنوان جاذب اسید برای حذف آنیون های مرتبط با اسیدهای معدنی قوی استفاده می شوند.
• اما رزین های کیلیت که به آنها رزین های کیلات هم گفته می شود. رایج ترین نوع  رزین تخصصی هستند و برای حذف انتخابی برخی از فلزات و مواد دیگر مورد استفاده قرار می گیرند. در بیشتر موارد ماتریس رزین از پلی استایرن تشکیل شده است، اگرچه مواد مختلفی برای گروه های عاملی از جمله تیول، تری اتیل آمونیوم و آمینوفسفونیک و بسیاری دیگر استفاده می شود.

رزین تبادل یونی چگونه کار می کند؟

فرآیند تبادل یونی یک تبادل برگشت پذیر از ذرات باردار – یا یون ها با ذرات باردار مشابه است. این زمانی اتفاق می‌افتد که یون‌های موجود بر روی یک ماتریس رزین تبادل یونی به طور مؤثری مکان‌های خود را با یون‌هایی با بار مشابه که در محلول اطراف وجود دارند، مبادله می‌کنند.

رزین (ion exchange resin) به دلیل گروه‌های عملکردی خود که اساساً یون‌های ثابتی هستند به طور دائم در ماتریس پلیمری رزین متصل می‌شوند. سپس این یون‌های باردار به آسانی با یون‌های بار مخالف که از طریق استفاده از محلول فراهم می شوند، پیوند می‌یابند. این فرآیند تا رسیدن به تعادل به پیوند با گروه های عاملی ادامه می دهند.

در طول یک چرخه (ion exchange resin)، محلول مورد درمان به بستر رزین تبادل یونی اضافه می شود و اجازه می دهد تا از طریق مهره ها جریان یابد. همانطور که محلول در رزین مبادله یونی حرکت می کند، گروه های عاملی رزین هر ضد یون موجود در محلول را جذب می کنند. اگر گروه‌های عاملی تمایل بیشتری نسبت به ضد یون‌های جدید داشته باشند، یون‌های موجود در محلول، یون‌های موجود را جابجا می‌کنند و جای آن‌ها را می‌گیرند و از طریق جاذبه الکترواستاتیکی مشترک با گروه‌های عاملی پیوند می‌یابند. به طور کلی، هرچه اندازه و یا ظرفیت یک یون بیشتر باشد، میل ترکیبی بیشتری با یون های بار مخالف خواهد داشت.

رزین‌های تبادل یونی، که به طور عمومی به عنوان رزین‌های تبادل یونی شناخته می‌شوند، جزء گروهی از مواد شیمیایی هستند که در فرایند تبادل یونی برای حذف یا جذب یون‌های مختلف از محیط مورد استفاده قرار می‌گیرند. این رزین‌ها دارای گروه‌های عاملی منفی یا مثبت هستند که با یون‌های مختلف در محیط تبادل می‌کنند.

کاربرد رزین های تبادل یونی

رزین های تبادل یونی اغلب در دستگاه سختی گیر رزین مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از کاربردهای رزین‌های تبادل یونی به شرح زیر است:

• تصفیه آب: یکی از کاربردهای اصلی رزین‌های تبادل یونی در تصفیه آب است. این رزین‌ها به عنوان مواد جاذب جهت حذف یون‌های مخرب آب مانند یون‌های سنگین آب مانند آهن، منگنز، کلر و آلاینده‌های دیگر و جایگیزنی آنها با یون های سدیم و پتاسیم بی ضرر خالص کنند.
• نرم‌کننده‌های آب: در فرآیندهای نرم‌کننده آب، رزین‌های تبادل یونی برای حذف یون‌های کلسیم و منیزیم که موجب سختی آب می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. رزین های تبادل یونی ظرفیت و کارایی بالاتری نسبت به زئولیت ها دارند و تمایل بیشتری نسبت به یون های منیزیم و کلسیم نسبت به یون های سدیم دارند.
• تصفیه فاضلاب: در تصفیه فاضلاب، رزین‌های تبادل یونی می‌توانند برای حذف یون‌های مخرب مانند نیترات، فسفات و سایر آلاینده‌ها از فاضلاب استفاده می شوند.
• پالایش شیمیایی: در صنایع شیمیایی، رزین‌های تبادل یونی برای جدا کردن و پالایش مواد مختلف مانند اسیدها، بازها، فلزات سنگین و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• تصفیه گاز: در برخی فرآیندهای تصفیه گاز، رزین‌های تبادل یونی برای جدا کردن و حذف ترکیبات مخرب و آلاینده‌ها از گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• صنایع داروسازی: در تولید داروها و محصولات پزشکی، رزین‌های تبادل یونی برای پالایش و جداسازی ترکیبات مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

• جداسازی فلز: از رزین های تبادل یونی برای استخراج و جداسازی فلزات نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، از آنها برای جداسازی اورانیوم از پلوتونیوم و سایر اکتینیدها استفاده می شود.

• کاتالیزور: رزین های تبادل یونی یک روش کارآمد برای جایگزینی اسیدها، قلیایی ها و کاتالیزورهای یون فلزی در طیف وسیعی از واکنش های شیمیایی، از جمله واکنش های وارونگی، هیدرولیز، هیدراتاسیون و پلیمریزاسیون هستند.

مزایای استفاده از رزین تبادل یونی

استفاده از رزین‌های تبادل یونی مزایای زیادی برای صنایع مختلف دارد برخی از این مزایا عبارتند از:

• تصفیه موثر آب: رزین‌های تبادل یونی قابلیت حذف آلاینده‌های مختلف از آب را دارند، از جمله یون‌های فلزی، آلاینده‌های آلی، نیترات، و فسفات و… این مواد آلاینده معمولاً موجب آلودگی و مشکلات بهداشتی می‌شوند، بنابراین حذف آن‌ها از آب، آب را قابل مصرف و استفاده می‌سازد.
• کارایی بالا: رزین‌های تبادل یونی دارای کارایی بالایی در حذف یون‌های مختلف از محیط هستند. ظرفیت جذب بالای آن‌ها به معنای استفاده کارآمد و موثر از آن‌ها در فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب است.
• عمر طولانی: رزین‌های تبادل یونی معمولاً دارای عمر طولانی هستند و می‌توانند در طولانی مدت بدون نیاز به تعویض کار کنند، به شرطی که مورد مراقبت و نگهداری صحیح قرار گیرند.
• پالایش فاضلاب: رزین‌های تبادل یونی می‌توانند برای پالایش فاضلاب‌های صنعتی و شهری استفاده شوند، که این کار باعث بهبود کیفیت آب و کاهش آلودگی محیط زیست می‌شود.
• استفاده انعطاف‌پذیر: رزین‌های تبادل یونی می‌توانند به طور انعطاف‌پذیر در انواع مختلفی از فرآیندهای تصفیه و پالایش به کار گرفته شوند، بنابراین برای محیط‌ها و شرایط مختلف قابل تنظیم و استفاده هستند.
• کاهش هزینه: با استفاده از رزین‌های تبادل یونی، می‌توان هزینه‌های تصفیه و پالایش آب و فاضلاب را کاهش داده و باعث بهبود کارایی فرآیندهای مرتبط است چون قابلیت بازسازی دارد.

بازسازی رزین چیست؟

با گذشت زمان، یون های آلاینده به تمام مکان های تبادلی موجود در رزین مبادله یونی متصل می شوند. هنگامی که رزین اشباع شود، باید از چرخه بازسازی استفاده شود. در طول چرخه بازسازی، واکنش رزین تبادل یونی اساساً از طریق استفاده از یک محلول احیا کننده غلیظ معکوس می شود. نوع انتخاب نوع احیا کننده بستگی به نوع رزین و کاربرد مورد نظر دارد.  احیا کننده ممکن است نمک، اسید یا محلول سوزاننده باشد. با ادامه چرخه بازسازی، رزین تبادل یونی یون های آلاینده را آزاد می کند و آنها را با یون های موجود در محلول احیا کننده مبادله می کند. در طی این فرآیند یون های آلاینده به از طریق پساب خارج می شوند و رزین دوباره بازسازیی می شود. در آخرین مرحله یکبار دیگر رزین شستشو داده می شود تا آلاینده های باقی مانده از آن حذف شوند.

منابع:

samcotech.com

excedr.com/resources