رزین های تبادل یونی چگونه کار می کنند؟

مقدمه رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی (رزین تصفیه آب) از پلیمرهایی با مکان های باردار تشکیل شده اند که در آن تبادل یونی می تواند رخ دهد. رزین‌های تبادل یونی مصنوعی معمولاً از میکروسفرهای متخلخلی تهیه می‌شوند که سطح و اندازه منافذ آن برای اتصال یونی مناسب است. اگر سطح بیش از حد بزرگ باشد، جذب فیزیکی شدید رخ می دهد. هنگامی که رزین تبادل یونی توسط مواد مختلف با جذب فیزیکی پیچیده می شود، تبادل یونی نمی تواند انجام شود. (مساحت سطح خیلی کوچک باعث محدودیت ظرفیت تبادل یونی می شود). در شرایط عادی، هم تبادل یونی و هم جذب فیزیکی اتفاق می‌افتد.

رزین تبادل یونی

بیشتر رزین های تبادل یونیکه امروزه مورد استفاده قرار می گیرند از یک ستون فقرات یا ماتریس پلیمری مصنوعی و گروه های عاملی با عملکردهای تبادل یونی متصل به آن تشکیل شده اند. روش های مختلف تهیه رزین تبادل یونی را می توان با توجه به کاربردهای مختلف انتخاب کرد. به طور معمول، آنها کروی یا دانه ای هستند. با استفاده از یک فرآیند تولید خاص، پلیمر میکروسفر شکل را می توان به یک ساختار متخلخل تبدیل کرد و جایگزین ساختار رزین ژل جامد سنتی کرد. به این گونه رزین ها رزین های ماکرو متخلخل می گویند. ستون فقرات پلیمری اغلب به هم متصل می شوند که از حل شدن آنها جلوگیری می کند و در عین حال استحکام و پایداری مکانیکی را افزایش می دهد. درجه اتصال عرضی باید به گونه ای کنترل شود که رزین دارای شکاف ها و منافذ کافی برای جذب و متورم شدن آب در حین حفظ خواص مکانیکی باشد و در نتیجه از فعالیت تبادل یونی اطمینان حاصل شود.

تبادل یونی به عنوان تبادل برگشت پذیر یون ها بین فاز جامد و مایع بدون تغییر دائمی در ساختار فاز جامد تعریف می شود. این بدان معنی است که رزین تبادل یونی با استفاده معمولی مصرف نمی شود. هنگامی که رزین تمام شد، می توان آن را با بازسازی به حالت اولیه خود بازگرداند و دوباره مورد استفاده قرار داد.

تبادل آنیون یک رزین انتخابی است که آنیون ها (یون های دارای بار منفی) را حذف می کند. تبادل آنیون قوی از گروه های آمین چهارتایی به عنوان گروه های عاملی استفاده می کند، در حالی که تبادل آنیون ضعیف از گروه های آمین سوم استفاده می کند. رزین های تبادل کاتیونی کاتیون ها (یون های دارای بار مثبت) را حذف می کنند. گروه تبادل کاتیونی قوی گروه سولفونیک اسید و گروه تبادل کاتیونی ضعیف اسید کربوکسیلیک است.

رزین های تبادل یونی چگونه کار می کنند؟

R-H+ + Na+ = R- Na+ + H+

همانطور که در بالا نشان داده شد، بین Na+ متصل به رزین و Na+ در محلول تعادل وجود دارد. هر چه غلظت H+ روی رزین بیشتر باشد، Na+ بیشتری متصل می شود. اتصال 100% رزین به یون ها امکان پذیر نیست، تعادل اتصال به pH آب و درجه بازسازی رزین بستگی دارد.

رزین تبادل کاتیونی اسیدی قوی

این نوع رزین حاوی گروه های اسیدی قوی مانند گروه اسید سولفونیک-SO3H است که می تواند H+ را در محلول تفکیک کند و اسیدیته قوی نشان دهد.فرمول واکنش به این صورت است:

R-SO3H→R-SO3- +H+

گروه SO3 در رزین می تواند کاتیون های دیگر را در محلول اتصال جذب کند، مانند:

R-SO3- +Na+→R-SO3Na

این دو واکنش H+ را در رزین با کاتیون های موجود در محلول مبادله می کنند. رزین های اسیدی قوی توانایی تفکیک قوی دارند و می توانند در محلول های اسیدی یا قلیایی تجزیه و تبادل یونی ایجاد کنند.پس از استفاده از رزین برای مدتی، نیاز به بازسازی دارد، یعنی واکنش تبادل یونی در جهت مخالف با مواد شیمیایی انجام می شود تا گروه های عملکردی رزین به حالت اولیه بازگردند. برای استفاده مجدد رزین کاتیونی فوق با اسید قوی بازسازی می شود.در این زمان رزین کاتیون های جذب شده را آزاد می کند و سپس با H+ ترکیب می شود تا ترکیب اولیه را بازیابی کند.

رزین تبادل کاتیونی اسیدی ضعیف

این نوع رزین حاوی گروه های اسیدی ضعیف مانند کربوکسیل-COOHاست که می تواند H+ را در آب تفکیک کند و اسیدیته ضعیفی از خود نشان دهد.فرمول واکنش به این صورت است:

R-COOH→R-COO-+H+

به همین ترتیب، R-COO- را می توان جذب و با کاتیون های دیگر در محلول ترکیب کرد و در نتیجه تبادل کاتیونی ایجاد کرد. اسیدیته یا تفکیک این رزین ضعیف است و تجزیه و تبادل یونی در PHپایین دشوار است و فقط در محلول های قلیایی، خنثی یا کمی اسیدی (مانند pH 5-14) می تواند کار کند. این رزین سختی گیر ها همچنین با اسید بازسازی می شوند (بازسازی آسان تر از رزین های شدیدا اسیدی).

رزین تبادل آنیونی پایه قوی

این نوع رزین حاوی گروه های پایه قوی مانند گروه های آمین چهارتایی (همچنین به عنوان گروه های آمینی چهارتایی شناخته می شود) -NR3OH (R یک گروه هیدروکربنی است) که می تواند OH- را در آب تفکیک کند و بازی قوی نشان دهد.فرمول واکنش به این صورت است:

R-NR3OH→R-NR3+ + OH－

گروه‌های بار مثبت رزین می‌توانند با آنیون‌های موجود در محلول جذب و ترکیب شوند و در نتیجه تبادل آنیون انجام شود. اگر Cl- نشان دهنده آنیون باشد، واکنش به صورت زیر است:

R-NR3OH+Cl－ →R-NR3Cl+OH－

این رزین بسیار تجزیه پذیر است و در pHهای مختلف به خوبی عمل می کند. با یک پایه قوی مانند NaOH بازسازی می شود.

رزین تبادل آنیون پایه ضعیف

این نوع رزین حاوی گروه‌های پایه ضعیف مانند گروه آمینه اولیه (همچنین به عنوان گروه آمینه اولیه) - NH2، گروه آمینه ثانویه (گروه آمینه ثانویه) - NHR یا گروه آمینه سوم (گروه آمینه سوم) - NR2 است. OH- را در آب تفکیک می کنند و ضعیف قلیایی هستند و فرمول واکنش به این صورت است:

R-NH2 +H2O→R-NH3 + +OH－

گروه‌های بار مثبت رزین می‌توانند با آنیون‌های موجود در محلول جذب و ترکیب شوند و در نتیجه تبادل آنیون انجام شود. در بیشتر موارد، این رزین کل مولکول اسید را جذب می کند، با HA که مولکول اسید را نشان می دهد، فرمول واکنش به این صورت است:

R-NH2 + HA→R-NH3A

این رزین فقط در شرایط خنثی یا اسیدی (مانند pH 1-9) می تواند کار کند. می توان آن را با NaCO3 و NH4OHبازسازی کرد.