رزین آنیونی و رزین کاتیونی

رزین های تبادل یونی ( رزین آنیونی و رزین کاتیونی ) که بعنوان مثال جهت سختی زدایی آب مورد استفاده قرار می گیرند، رزین های مصنوعی هستند که شبکه آلی ساختار آنها حاوی تعداد زیادی گروه های عامل اسیدی می باشد.

این مواد جامدات نامحلول در آب هستند که بوسیله تبادل یون می توانند جهت جذب کاتیون ها و آنیون ها به کار گرفته شوند. پدیده تعویض یون، ترکیبی از پدیده جذب سطحی و فرآیند نفوذ است و سرعت واکنش را عملیات انتقال جرم که یون ها را از سیال به سطح رزین و یا از سطح رزین به سیال می رساند مشخص می نماید. پدیده تبادل یون یک تعادل شیمیایی است که از اصول حاکم بر تعادل پیروی می کند. در الکترولیت ها نیز پدیده تعویض یون وجود دارد ولی به دلیل همگن بودن یون ها که در آن مبادله کننده های یون هر دو مایع می باشند عامل موثر سینتیک شیمیایی است، در حالی که در تعویض یونی به دلیل جامد بودن رزین ها، نفوذ یون ها مورد توجه می باشد. رزین ها به دو نوع رزین های کاتیونی و رزین های آنیونی تقسیم می شوند.

رزین های آنیونی در اثر واکنش فنل و یا مشتقات آن با فرمالدئید و سپس سولفونه کردن آنها به کمک اسید سولفوریک، به حالت توده ای تهیه می شوند و سپس خرد و غربال شده و مورد استفاده قرار می گیرد. این گونه رزین ها از سولفوته کردن پلی ایتایرن نیز تهیه می شوند.

رزین های آنیونی به جای گروه های اسیدی دارای گروه های بازی می باشند. گروه های بازی از آمونیاک و یا یک آمین تولید می شوند و برای داشتن شرایط بهتر می توان از ترکیبات دیگری مانند گروه های کلرومتیل استفاده نمود و سپس واکنش را با آمونیاک یا آمین تکمیل نمود.

رزین های تعویض یونی جامدات نامحلول در آب هستند که می توانند بوسیله تبادل یونی برای جذب کاتیون ها به کار گرفته شوند. پدیده تعویض یون ترکیبی از پدیده جذب سطحی و فرآیند نفوذ است و سرعت واکنش را عمل انتقال جرم که یون ها را از سیال به سطح رزین و یا از سطح رزین به سیال می رساند مشخص می کند.

ویژگی هایی که استفاده از رزین ها را برای کاهش سختی آب مطلوب می نمایند عبارتند از:

• مقدار رنگ و کدریت آب خام کم باشد
• سختی آب بیشتر از نوع غیرکربناتی باش ( سختی دائم )
• سختی آب متغیر باشد
• حجم آب مصرفی کم باشد

شیمی رزین ها

محلول های الکترولیت دارای یون مثبت ( کاتیون ) و یون های منفی ( آنیون ) بوده و از نظر بار الکتریکی خنثی هستند. یعنی مجموع آنیون ها و مجموع کاتیون ها از نظر بار الکتریکی باهم برابرند. رزین های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می باشند، به گونه ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. اما تعویض کننده ها با محلول های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون، متحرک و قابل تعویض است.

شرایط لازم برای مفید بودن  یک تعویض کننده یونی جامد:

1. خود دارای یون باشد
2. در آب غیر محلول باشد
3. فضای کافی در شبکه تعویض کننده وجود داشته باشد که یون ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد یا خارج شوند
4. اکثر رزین های تعویض یونی که در تصفیه آب به کار می روند، رزین های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده اند.

انواع رزین های تعویض یونی

در اثر تعویض یونی، کاتیون ها یا آنیون های موجود در محلول و یا کاتیون های موجود در محلول با کاتیون ها و آنیون های موجود در رزین تعویض می شوند به گونه ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می مانند.

رزین های تعویض یونی را می توان به دو گروه بزرگ رزین های کاتیونی و رزین های آنیونی تقسیم نمود که هر گروه شامل نوع ضعیف و نوع قوی می باشند. به طور کلی رزین های نوع قوی در محدوده وسیعی از pH و رزین های نوع ضعیف در یک محدوده کوچکی از pH مناسب هستند.

رزین کاتیونی

رزین های کاتیونی قوی بصورت سدیمی برای کاهش سختی آب به کار می روند. رزین های کاتیونی سدیمی از نوع قوی نه فقط کاتیون های سختی آور آب بلکه همه یون های فلزی را با سدیم تعویض می کنند. برای احیا این نوع رزین ها کافی است رزین با آب نمک شستشو داده شده تا رزین به فرم اولیه خود تبدیل شود.

رزین آنیونی

وقتی آب از روی رزین های آنیونی از نوع قوی عبور نماید، بنیان اسید توسط این نوع رزین جذب شده و به جای آن یون هیدروکسید آزاد می شود.

بنابراین آب حاوی املاح در اثر عبور از روی رزین های آنیونی و کاتیونی همه املاح خود را از دست می دهد و آب بدون یون حاصل می گردد.

مزایا و محدودیت های روش تبادل یونی

این روش در مقایسه با سایر روش ها از مزایای زیر برخوردار است:

1. سهولت در نصب و بهره برداری
2. بالا بودن عمر مفید رزین ها ( در شرایط بهره برداری مناسب عمر رزین های بیشتر از 15 سال است )
3. قابلیت اجرا در ظرفیت های مختلف
4. عدم وجود فاضلاب آلوده برای محیط زیست

در کنار مزایای روش تبادل یونی محدودیت هایی نیز به شرح زیر وجود دارند:

1. در محدوده TDS>700ppm مقرون به صرفه نیست.
2. این روش برای واحدهای صنعتی متداول است و معمولا برای آب آشامیدنی مورد استفاده قرار نمی گیرد.
3. مواد شیمیایی مصرفی از همه روش ها بیشتر و آب تولیدی پرهزینه تر است.
4. دمای فرآیند یونی نباید از 10C کمتر باشد.
5. براساس نوع رزین و پوشش های ستون تبادل یونی، حداکثر دمای فرآیند تبادل یونی محدود است.
6. اجسام غیر یونیزه قابلیت تبادل یونی ندارند.
7. حد مجاز آهن، منگنز و فلزات سنگین در مجموع باید کمتر از 0.1ppm باشد.
8. آب عبوری از رزینهای تبادل یونی باید فاقد املاح معلق، اجسام کلوئیدی، چربی و مواد آلی باشد.
9. حد مجاز کلرین آزاد آب عبوری 0,5ppm می باشد.

روش کار دستگاه های تعویض یونی

دستگاه های تعویض یونی مورد مصرف در تصفیه آب شبیه به فیلترهای فشاری است که در داخل آن ذرات رزین قرار دارد. نظر به اینکه برای شستشوی رزین و نیز در جریان تعویض یون، pH داخل دستگاه تغییر می نمتید، اقدامات لازم برای جلوگیری از خوردگی دستگاه ها مورد نیاز خواهد بود.

به منظور جلوگیری از خروج رزین، در قسمت پایین دستگاه و در زیر رزین، چندین لایه شن درشت یا آنتراسیت قرار داده می شود. ذرات آنتراسیت برای دستگاه های تعویض یونی بازی مناسب تر است زیرا باعث اضافه شدن سیلیس به آب نمی شوند. در دستگاه های کاتیونی هر چند به دلیل پایین بودن pH، خطر آزاد شدن سیایس وجود ندارد ولی باز استفاده از آنتراسیت ترجیح دارد.

مزایای لایه های زیرین محافظ رزین این است که می توان قطر لوله های فاضلاب روی سیستم را به اندازه کافی بزرگ انتخاب نمود تا در معرض خطر بسته شدن قرار نگیرد.

لایه های زیرین محافظ رزین دارای معایبی به قرار زیر هستند:

• این لایه ها در موقع شستشوی رزین بازی، سود را جذب نموده و باعث افزایش آب لازم برای شستشو می شوند.
• در اثر سرعت زیاد شستشوی معکوس که به طور ناگهانی رخ می دهد، نظم و ترتیب ذرات لایه محافظ به هم خورده و کانال هایی ایجاد می شود که ممکن است سبب شود تبادل یونی به خوبی صورت نگرفته و در نهایت باعث کاهش کیفیت آب خروجی می گردد.
• برخی اوقات ممکن است در اثر به هم خوردن نظم لایه های زیرین، رزین هایی از تعویض کننده کاتیونی وارد آنیونی شوند و باعث مشکلاتی گردد.

به دلیل این معایب است که ترجیح داده می شود به جای لایه های شنی یا آنتراسیتی محافظ رزین، از صفحه مشبک همانند آنچه بعنوان محافظ فیلتر بکار می رود، استفاده گردد.

سيستم هاي تهيه آب مطلوب

براي تهيه آب خالص به كمك واحدهاي تعويض يوني، آب ابتدا از دستگاه تعويض كاتيوني اسيدي عبور نموده تا كاتيون حذف شوند و آنيون ها به صورت اسيد در آيند. سپس آب از دستگاه تعويض آنيوني بازي عبور نموده تا آنيون هاي آب حذف و يون هيدروكسيل آزاد شود، بنابراين در حالت ايده آل انتظار مي رود كه مولكول آب جايگزين تمام ناخالصي هاي يوني آب گردد و در نتيجه آب فاقد نمك توليد شود.
براي تهيه آب مطلوب مي توان سيستم هاي مختلفي انتخاب نمود كه شرايط مورد نظر را تامين نمايد.
عواملي چون غلظت سيليكا، درجه خلوص آب مورد نظر، تركيب آب ورودي و مقدار دبي آن مي توانند در انتخاب نوع سيستم موثر واقع شوند.

در انتخاب نوع رزین و نگهداری آن ها لازم است به موارد زیر توجه کافی داشته باشید:

• هر چه قدرت مبادله رزین بیشتر باشد برای تهیه ستون ها مقدار کمتری از آن به کار خواهد رفت.
• نگهداری و حمل و نقل رزین بهتر است همیشه با رطوبت انجام گیرد و در زمان نگهداری کاملا دور از نور قرار داشته باشد.
• نگهداری و حمل و نقل رزین پودر هم به همان ترتیب رزین دانه ای است.
• اگر زمان طولانی از رزین ستون مبادله استفاده نشود ممکن است باکتری در سطوح دانه های رزین رشد نماید. برای جلوگیری از این مساله می توانیم رزین کاتیونی را در تماس با محلول 0/5 درصد فرمالدئید قرار دهیم ( 10 گرم در یک لیتر آب ). رزین آنیونی را در تماس محلول 0/1 درصد آمونیاک ( 2 گرم در یک آب ) قرار می دهند.
• انجماد رزین در درجه اول تخلیه آن از ظرف نگهداری را با مشکل مواجه می سازد . در این حال بهتر است تا از بین رفتن انجماد از تخلیه رزین خودداری شود.
• در مواردی که رزین با مواد آلی آب مورد تصفیه آلوده گردد می توان با شستشوی آن با سود در مواردی مخلوط سود با 10 درصد نمک طعام این مواد را دور ساخت.
• در مواردی که شستشوی سود و نمک طعام نتواند مواد آلی چسبیده به رزین را جدا نماید می توان رزین ها را آب ژاول به میزان 2 برابر حجم رزین شستشو داد حداقل غلظت آب ژاول یک درصد باید باشد.