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.
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 یون
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 .
بیشتر بخوانید :
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 .
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95% | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| نرم کردن پساب صنعتی و خانگی | 50±3 | 0-14 | 140 | 0.3-1.2 | سدیم | سولفونیک | کوپلیمر پلی استایرن | اسید قوی |
کاتیون های حذف کننده مواد معدنی
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| نرم کردن پساب، حذف مواد معدنی | 52±3 | 0-14 | 120 | 0.3-1.2 | هیدروژن | سولفونیک | کوپلیمر پلی استایرن | اسید قوی |
| دی یونیزه کردن آب ، دی آلکالیزاسیون ، حذف انتخابی فلزات سنگین ، نرم کردن آب های بسیار شور | 47±3 | 5-14 | 100 | 0.3-1.2 | هیدروژن | کربوکسیلیک | کوپلیمر پلی اکرلیک | اسید ضعیف |
رزین های آنیونی حذف کننده مواد معدنی
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| دی یونیزه کردن در بستر های مخلوط و چندگانه ، حذف سیلیکا | 53±3 | 0-14 | 80 | 0.3-1.2 | کلرید | آمونیوم چهار تایی | کوپلیمر پلی استایرن | باز قوی |
| دی اسیده و دی یونیزه کردن آب دارای ترکیبات آلی بالا | 52±3 | 0-9 | 60 | 0.3-1.2 | باز آزاد | پلی آمین | کوپلیمر پلی اکرلیک | باز ضعیف |
رزین های یونی مخلوط
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| صاف کردن نهایی آب چرخشی در صنایع هسته ای | – | 0-14 | 80 | 0.3-1.2 | مخلوط H+/OH- | سولفونیک / آمونیوم چهار تایی | کوپلیمر پلی استایرن | مخلوط اسید و باز قوی |
گرید هسته ای
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| تصفیه آب چرخشی در صنعت هسته ای | 53±3
52±3 |
0-14 | 120 | 0.3-1.2 | لیتیوم
هیدروژن |
سولفونیک | کوپلیمر پلی استایرن | اسید قوی |
| تصفیه آب چرخشی در صنعت هسته ای | 70±3 | 0-14 | 80 | 0.3-1.2 | هیدروکسید | آمونیوم چهار تایی | کوپلیمر پلی استایرن | باز قوی |
گرید کاتالیستی
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| به عنوان کاتالیست در واکنش های آلی قابل استفاده در محیط های آبی و غیر آبی | 56±3 | 0-14 | 120 | 0.3-1.2 | هیدروژن | سولفونیک | کوپلیمر پلی استایرن | اسید قوی |
رزین های جاذب
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| حذف ترکیبات هیدروفیلیک از آبهای صنعتی | 62±3 | 0-14 | 95 | 0.3-1.0 | NA | NIL | کوپلیمر پلی اکرلیک | جاذب پلی اکرلیک |
گرید های خاص
| کاربردها | درصد رطوبت | محدوده pH | حداکثر دمای پایداری °C | اندازه ذرات mm (Min. 95%) | شکل یونی | گروه عاملی | ساختار ماتریس | نوع |
| حذف انتخابی نیترات از آب صنعتی و آب آشامیدنی خانگی | 52±3 | 0-14 | 90 | 0.3-1.2 | کلرید | آمونیوم چهارتایی | پلی استایرن کراس لینک شده | باز 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.
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.
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.
جهت خرید و آگاهی از قیمت انواع رزینهای آنیونی و کاتیونی با همکاران ما در موسسه مبتکران شیمی در ارتباط باشید.
سایر مقالات مرتیط:
