رزین های آنیونی و کاتیونی
انواع رزین های آنیونی و کاتیونیReviewed by 02177641136 on Apr 6Rating: 5.0

فرآیند تبادل یون چیست؟ انواع رزین های آنیونی و کاتیونی در فرآیند های تبادل یونی، برای تصفیه آب و همچنین جداسازی در بسیاری دیگر از فرآیندهای غیرآبی استفاده می شوند. فرآیند تبادل یون فرآیندی برگشت پذیر است که در طی آن یون ها بین یک ماده جامد (ماده تبادل یون) و یک مایع مبادله می شوند. از این فرآیند در سنتز مواد شیمیایی، تحقیقات درمانی، تولید غذا، معدن کاری، کشاورزی و بسیاری از موارد دیگر استفاده می شود.

یکی از خواص مهم رزین های کاتیونی و آنیونی این است که در اثر تبادل یون تغییرات دائمی در ماده جامد (ماده تبادل یون) به وجود نخواهد آمد، به عنوان مثال در نرم کردن آب ( از بین بردن سختی آب):

+2RNa+ + Ca2+ → R2Ca2+ + 2Na

 

 

تبادلگر رزینی (R) هنگامی که در فرم سدیمی (+RNa) خود قرار دارد  توانایی معاوضه یون سدیم با کلسیم را دارد، به این ترتیب کلسیم موجود در آب سخت توسط رزین گرفته شده و سدیم جای آن را می گیرد. پس از انجام تبادل یون، می توان تبادلگر را توسط محلولی از سدیم کلراید شستشو داده و رزین را دوباره به فرم سدیمی تبدیل کرد. فرآیند احیای تبادلگر، فرآیندی برگشت پذیر است و تغییراتی که در تبادلگر به وجود می آیند دائمی نیستند. در صورت وجود فرآیند احیای مناسب، میلیون ها لیتر آب را می توان توسط یک متر مکعب تبادلگر در طول سالیان تصفیه کرد.

رزین های آنیونی و کاتیونی

انواع رزین های آنیونی و کاتیونی

تبادل یون در بسیاری از مواد اتفاق می افتد اما برای اولین بار در سال 1910 از زئولیت طبیعی و سنتزی برای از بین بردن سختی آب مورد استفاده قرار گرفت. ذغال سولفوناته به عنوان اولین ماده ای شناخته می شود که برای تصفیه صنعتی آب به عنوان تبادلگر یونی در pH کم مورد استفاده قرار گرفت.

گروه های عاملی در رزین های تبادل یونرزین های آنیونی و کاتیونی

گروه های عاملی که معمولا در رزین های تبادلگر یونی موجود هستند عبارتند از :

رزین های کاتیونی اسیدی قوی: گروه سولفونیک (R-SO3H)

تبادلگر آنیونی بازی قوی : گروه چهارتایی آمونیوم ( R-R3N+OH)

تبادلگر کاتیونی اسیدی ضعیف: گروه کربوکسیل (R-COOH)

رزین های آنیونی بازی ضعیف: گروه آمین (R-NH3OH)

انواع مختلف رزین های تبادل یونی

رزین های یونی بر اساس نوع عملکرد به گرید ها و گروه های مختلفی تقسیم می شوند ، پارامترهایی که نوع این گرید ها را مشخص می کنند عبارتند از : نوع ( اسید یا باز – ضعیف یا قوی ) ، ساختار ماتریس ( پلی استایرن یا پلی اکرلیک) ، گروه عاملی (سولفونیک ، کربوکسیلیک و …) ، شکل یونی ارائه شده ، اندازه ذرات ، حداکثر دمای پایداری ، ظرفیت ،  pH محدوده عملیاتی و … .

این گروه ها عبارتند از رزین های کاتیونی نرم کننده ، کاتیونی حذف کننده مواد معدنی ، آنیونی حذف کننده مواد معدنی ، مخلوط ، هسته ای ، کاتالیستی ، جاذب و خاص . در ادامه برای هر کدام از این گروهها مشخصات محصول و کاربرد آن ها در قالب جدول ارائه شده است .

رزین های کاتیونی نرم کننده (از بین برنده سختی آب)

این گرید برای از بین بردن سختی اب در پساب های صنعتی و خانگی مورد استفاده قرار می گیرد . 

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min.  95%شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
نرم کردن پساب صنعتی و خانگی50±30-141400.3-1.2سدیمسولفونیککوپلیمر پلی استایرناسید قوی

کاتیون های حذف کننده مواد معدنی

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
نرم کردن پساب، حذف مواد معدنی52±30-141200.3-1.2هیدروژنسولفونیککوپلیمر پلی استایرناسید قوی
دی یونیزه کردن آب ، دی آلکالیزاسیون ، حذف انتخابی فلزات سنگین ، نرم کردن آب های بسیار شور47±35-141000.3-1.2هیدروژنکربوکسیلیککوپلیمر پلی اکرلیکاسید ضعیف

رزین های آنیونی حذف کننده مواد معدنی

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
دی یونیزه کردن در بستر های مخلوط و چندگانه ، حذف سیلیکا53±30-14800.3-1.2کلریدآمونیوم چهار تاییکوپلیمر پلی استایرنباز قوی
دی اسیده و دی یونیزه کردن آب دارای ترکیبات آلی بالا52±30-9600.3-1.2باز آزادپلی آمینکوپلیمر پلی اکرلیکباز ضعیف

رزین های یونی مخلوط

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
صاف کردن نهایی آب چرخشی در صنایع هسته ای0-14800.3-1.2مخلوط H+/OH-سولفونیک / آمونیوم چهار تاییکوپلیمر پلی استایرنمخلوط اسید و باز قوی

گرید هسته ای

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
تصفیه آب چرخشی در صنعت هسته ای53±3

52±3

0-141200.3-1.2لیتیوم

هیدروژن

سولفونیککوپلیمر پلی استایرناسید قوی
تصفیه آب چرخشی در صنعت هسته ای70±30-14800.3-1.2هیدروکسیدآمونیوم چهار تاییکوپلیمر پلی استایرنباز قوی

گرید کاتالیستی

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
به عنوان کاتالیست در واکنش های آلی قابل استفاده در محیط های آبی و غیر آبی56±30-141200.3-1.2هیدروژنسولفونیککوپلیمر پلی استایرناسید قوی

رزین های جاذب

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
حذف ترکیبات هیدروفیلیک از آبهای صنعتی62±30-14950.3-1.0NANILکوپلیمر پلی اکرلیکجاذب پلی اکرلیک

گرید های خاص

کاربردهادرصد رطوبتمحدوده pHحداکثر دمای پایداری °Cاندازه ذرات mm (Min. 95%)شکل یونیگروه عاملیساختار ماتریسنوع
حذف انتخابی نیترات از آب صنعتی و آب آشامیدنی خانگی52±30-14900.3-1.2کلریدآمونیوم چهارتاییپلی استایرن کراس لینک شدهباز قوی

قابل توجه است که این جداول تنها نمونه هایی از رزین ها را معرفی کرده و مرجع نیستند . کما اینکه برای یک هدف خاص می توان هم رزین پایه اسیدی و هم پایه بازی را مورد استفاده قرار داد .

 

رزینهای آلی سنتزی تبادل یونی برای اولین بار در سال 1935 از سنتز ترکیبات غلیط فنولی که حاوی گروه های سولفونیک و یا آمین بود معرفی شدند. این مواد قابلیت استفاده در تبادل های برگشت پذیر کاتیون و آنیون را دارا هستند. این نوع تبادلگرها به دلیل توانایی بالایی که در تبادل یون ها دارند توانستند در عموم موارد جای تبادلگرهای غیر آلی ( مواد معدنی، زئولیت و ..) را بگیرند.

آب می تواند حاوی ترکیبات مختلف کاتیونی ( Ca2+, Mg2+, Na+, K+) و آنیونی ( SO42-, NO3, Cl , HCO3– و …) باشد که برای حذف هر کدام از این دو دسته باید تبادلگر یونی مناسب انتخاب شود ( برای حذف آنیون ها از تبادلگر آنیونی و برای حذف کاتیون ها تبادلگر کاتیونی استفاده می شود.).

 

ساختار و تولید رزینهای یونی

تولید رزینهای تبادلگر یونی ابتدا شامل فرآیند کراس لینکینگ کوپلیمرهاست و پس از آن بر اساس نوع تبادلگر دو فرآیند زیر انجام می شود:

  • برای تولید رزینهای کاتیونی اسیدی قوی، پس از کراس لینکینگ فرآیند سولفوناسیون انجام می شود.
  • در تولید رزینهای آنیونی، فرآیندهای کلرودی متیلاسیون و آمیناسیون بر روی کوپلیمر انجام می شود.

 

رزین های کاتیونی

 رزین های اسیدی ضعیف

این مواد از کراس لینک شدن (اتصال عرضی) اکرلیک اسید و یا متاکرلیک اسید با یک مونومر دو وجهی (معمولا دیوینیل بنزن) ساخته می شوند، وابستگی بالایی به یون هیدروژن دارند و از این رو با اسیدهای قوی می توان آنها را به راحتی احیا کرد.

 

رزین های اسیدی قوی

این ترکیبات کو پلیمرهای استایرن و دیوینیل بنزن (DVB)هستند که سولفوناته شده اند. این مواد توسط توانیشان برای تبادل کاتیون ها و یا نمک های خنثی مشخص می شوند و برای استفاده در کل محدوده pH مناسب هستند.

 

رزین های آنیونی

رزین های بازی ضعیف

این مواد دارای بخش های یونی قابل تعویض نیستند و به عنوان جذب کننده اسید عمل می کنند، قابلیت بالایی برای جذب اسیدهای قوی دارند و به آسانی توسط کاستیک احیا می شوند. استفاده از این مواد به صورت همزمان با یک آنیون بازی قوی باعث بهبود ظرفیت عملکرد و  بازده احیا می شود.

 

رزین های آنیونی بازی قوی

این ترکیبات به دو دسته نوع 1 و نوع 2 تقسیم می شوند. نوع 1 محصولی آمینی است که از واکنش تری متیل آمین با کوپلیمر پس از کلرومتیلاسیون تولید می شود.

گروه عاملی نوع 1 قوی ترین گروه اسیدی عاملی موجود است و بیشترین واکنش پذیری را به اسیدهای ضعیف همانند سیلیسیک اسید و کربنیک اسید دارد که عموما در فرآیندهای انتقال آب تولید می شود. با این حال بازده احیای رزین به فرم هیدروکسید مقداری پایین تر است، مخصوصا زمانی که توسط آنیون های تک واکنشی همانند کلرایدها و نیترات ها احاطه (خسته) شده باشد. بازده احیای یک رزین نوع 2 از نوع 1 بیشتر است.

نوع 2 از واکنش کوپلیمر استایرن – DVB با دی متیل اتانول آمین تولید می شود. پایداری رزین های نوع 2 به اندازه نوع 1 نیست و علی رغم اینکه قدرت بازی کمتری نسبت به نوع 1 دارند اما همچنان در اغلب موارد قدرت بازی آنها برای حذف آنیون های ضعیف اسیدی کافی است. رزین های نوع 1 برای عمل در دماهای بالا گزینه  های مناسب تری هستند.

 

رزین های آنیونی و کاتیونی

روش احیای رزین های کاتیونی و آنیونی

همانگونه که پیشتر نیز گفته شد تبادلگرهای یونی رزینی را می توان چند باره استفاده کرد. هنگامی که آب از روی تبادلگرها عبور می کند هر بار تعدادی از سایت های فعال روی تبادلگر تبادل یون را انجام می دهند، پس از مدتی تمام سایت های فعال تبادل را انجام داده و دیگر قابلیت حذف یون ها را از دست می دهد. در این مرحله تبادلگرهای یون به واحد احیا فرستاده می شوند. برای احیا از یک ماده احیا کننده استفاده می شود که به روش های مختلف در تماس با رزین قرار گرفته و عمل احیا انجام می شود. این کار به روش های مختلفی صورت می گیرد که در ادامه به دو روش مرسوم آن می پردازیم.

 

احیای رزین های یونی

 

احیا به روش جریان مستقیم

در این روش جهت حرکت مسیر سیال فرآیندی و ماده احیا کننده یکی است و معمولا در یک ستون هر دو جریان از بالا به پایین در جریان هستند. این روش برای مواقعی که حجم جریان بالا باشد و یا بازده بالایی مورد نیاز باشد مناسب نیست.

 

احیا به روش جریان های مخالف

در این روش سیال فرآیندی و ماده احیا کننده در مسیرهای متفاوت از هم در درون یک ستون حرکت می کنند. از مزایای این روش می توان به کاهش مصرف ماده احیا کننده و افزایش بازده احیا نسبت به روش هم جهت اشاره کرد. قابل توجه است که این روش تنها هنگامی موثر است که لایه های رزین های آنیونی و رزین های کاتیونی در طول فرآیند احیا ثابت باشند یعنی فرآیند در یک ستون بستر ثابت انجام گیرد.

منابع

Wheaton, R. M., & Bauman, W. C. (1951). Properties of strongly basic anion exchange resins. Industrial & Engineering Chemistry43(5), 1088-1093.

Gregor, H. P., Belle, J., & Marcus, R. A. (1954). Studies on Ion Exchange Resins. IX. Capacity and Specific Volumes of Quaternary Base Anion Exchange Resins1. Journal of the American Chemical Society76(7), 1984-1987.

Bauman, W. C., Anderson, R. E., & Wheaton, R. M. (1952). Ion Exchange. Annual Review of Physical Chemistry3(1), 109-130.

Marshall, K., & Marshall, K. (2018, November 16). What to Know About Ion Exchange Resin Regeneration. Retrieved April 6, 2019, from https://www.samcotech.com/know-ion-exchange-resin-regeneration/

جهت خرید و آگاهی از قیمت انواع رزینهای آنیونی و کاتیونی با همکاران ما در موسسه مبتکران شیمی در ارتباط باشید.

فروش رزین تبادل یونی

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *