ساختار فیزیکی رزین تبادل یونی

تبدیل رزین های یونی

در این مقاله قصد داریم شما را با رزین تبادل یونی که دارای نام های دیگری همچون رزین سختی گیر، رزین تصفیه آب و .. است آشنا کنیم. در مقاله های قبلی به چهار نوع رزین اصلی اشاره کرده بودیم. در استفاده عملی، این رزین ها اغلب به اشکال یونی دیگر برای رفع نیازهای مختلف تبدیل می شوند. به عنوان مثال، رزین کاتیونی اسید قوی اغلب باNaCl واکنش داده و آن را به یک رزین سدیمی برای استفاده مجدد تبدیل می کند. رزین سدیم هنگام کار، Na+ آزاد می‌کند و کاتیون‌هایی مانند Ca2+ و Mg2+ را در محلول مبادله و جذب می‌کند تا این یون‌ها حذف شود. در طی واکنش هیچ H+ آزاد نمی شود که می تواند از افت pH محلول و عوارض جانبی ناشی از آن (مانند تبدیل ساکارز و خوردگی تجهیزات و غیره) جلوگیری کند. این رزین پس از عمل به شکل سدیم با آب نمک (بدون اسید قوی) قابل بازسازی است. مثال دیگر این است که رزین آنیونی را می توان به نوع کلر تبدیل کرد و مجدداً مورد استفاده قرار داد، هنگام کار، کلر آزاد می کند و آنیون های دیگر را جذب می کند و آنیون های دیگر را مبادله می کند. برای بازسازی آن فقط باید از محلول نمک استفاده شود. رزین کلر همچنین می تواند به عملیات کربنات هیدروژن (HCO3-) تبدیل شود. رزین های اسیدی قوی و رزین های بازی قوی پس از تبدیل شدن به شکل های سدیم و کلر دیگر اسید قوی و قلیایی قوی ندارند، اما همچنان سایر خواص معمول این رزین ها مانند تفکیک قوی و محدوده کاری وسیع PH را دارند.

ترکیب ماتریس رزین تبادل یونی

ماتریس رزین تبادل یونی عمدتاً از استایرن و اسید اکریلیک (استر) ساخته شده است.پلیمرهای اسکلتی. ابتدا از رزین های استایرنیک و بعداً از رزین های اکریلیک استفاده می شود.

خواص جذب این دو نوع رزین بسیار خوب است، اما ویژگی های متفاوتی دارند. رزین اکریلیک می تواند اکثر رنگدانه های یونی را مبادله و جذب کند، دارای ظرفیت رنگ زدایی زیادی است و جذب آن آسان است که برای بازسازی راحت است و می تواند به عنوان رزین اصلی بی رنگ کننده در کارخانه های قند استفاده شود. رزین های استایرن در جذب مواد معطر خوب هستند و در جذب رنگدانه های پلی فنل (شامل بار منفی یا بدون بار) در آب قند خوب هستند؛ اما شستشوی آنها در طول بازسازی دشوار است. بنابراین، محلول شکر ابتدا با رزین اکریلیک برای رنگ‌زدایی خشن و سپس با رزین استایرن برای رنگ‌زدایی ریز رنگ‌آمیزی می‌شود که می‌تواند به مزایای هر دوی آن‌ها بپردازد.

درجه اتصال عرضی رزین، یعنی درصد دی وینیل بنزن مورد استفاده در پلیمریزاسیون ماتریس رزین، تأثیر زیادی بر خواص رزین دارد. به طور کلی، رزین‌هایی با درجه اتصال عرضی بالا، پلیمریزه‌تر، محکم‌تر و بادوام‌تر هستند، چگالی بالاتر، فضای خالی داخلی کمتری دارند و نسبت به یون‌ها انتخابی‌تر هستند؛ در حالی که رزین‌هایی با درجه اتصال عرضی پایین، دارای منافذ بزرگ‌تر و قوی‌تر هستند. توانایی رنگ‌زدایی، سرعت واکنش سریع‌تر است، اما انبساط در حین کار بیشتر است، استحکام مکانیکی کمی پایین‌تر است و نسبتا شکننده و شکننده است. درجه اتصال عرضی رزین های یونی مورد استفاده در کاربردهای صنعتی معمولاً کمتر از 4٪ نیست؛ درجه اتصال متقابل رزین های مورد استفاده برای رنگ زدایی معمولاً بیش از 8٪ نیست؛ درجه اتصال عرضی رزین هایی که به سادگی استفاده می شوند. برای جذب یون های معدنی می تواند بالاتر باشد.

ساختار فیزیکی رزین تبادل یونی

رزین سختی گیر اغلب به دو دسته تقسیم می شوند: نوع ژل و نوع ماکرو متخلخل.

اسکلت پلیمری رزین نوع ژل در هنگام خشک شدن دارای منافذ مویرگی در داخل نیست. وقتی آب را جذب می‌کند متورم می‌شود و منافذ بسیار ظریفی بین زنجیره‌های ماکرومولکولی ایجاد می‌کند که معمولاً منافذ ریز نامیده می‌شوند. متوسط ​​قطر منافذ رزین مرطوب 2 تا 4 نانومتر (2×10-6 تا 4×10-6 میلی متر) است.

این نوع رزین برای جذب یون‌های معدنی مناسب‌تر است و قطر آن‌ها کوچک و عموماً 0.3 تا 0.6 نانومتر است. این نوع رزین نمی تواند مواد آلی ماکرومولکولی را جذب کند، زیرا اندازه دومی مانند مولکول های پروتئینی با قطر 20-5 نانومتر بزرگ است و نمی تواند وارد منافذ میکروسکوپی این نوع رزین شود.

رزین ماکرو متخلخل با افزودن یک متخلخل در طی واکنش پلیمریزاسیون برای تشکیل یک ساختار متخلخل اسفنج مانند با تعداد زیادی ریز منافذ دائمی در داخل و سپس معرفی گروه‌های تبادلی ساخته می‌شود. با میکرو منافذ و ماکرو منافذ همزیستی دارد، اندازه منافذ رزین مرطوب 100-500 نانومتر است و اندازه و کمیت آن را می توان در طول ساخت کنترل کرد. سطح کانال ها را می توان به بیش از 1000 متر مربع در گرم افزایش داد. این نه تنها شرایط تماس خوبی را برای تبادل یون فراهم می کند، فاصله انتشار یون را کوتاه می کند، بلکه تعداد مراکز فعال پیوندهای زنجیره ای را نیز افزایش می دهد، که می تواند جذب مولکولی را از طریق نیروی بین مولکولی واندروال ایجاد کند، که می تواند مانند کربن فعال جذب شود. مواد غیر یونی مختلف برای گسترش عملکرد آن. برخی از رزین‌های ماکرو متخلخل بدون گروه‌های عاملی تبادلی نیز می‌توانند مواد مختلفی مانند فنل‌های موجود در فاضلاب کارخانه‌های شیمیایی را جذب و جدا کنند.

منافذ داخل رزین ماکرو متخلخل زیاد و بزرگ است، مساحت سطح بزرگ است، مرکز فعال زیاد است، سرعت انتشار یون سریع است و سرعت تبادل یون نیز بسیار سریعتر است که حدود ده برابر سریعتر از رزین است. رزین ژل. هنگام استفاده، اثر سریع است، راندمان بالا است و زمان پردازش مورد نیاز کوتاه می شود. رزین ماکرو متخلخل همچنین دارای مزایای زیادی است: مقاومت در برابر تورم، عدم شکستن آسان، مقاومت در برابر اکسیداسیون، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر تغییر دما، و جذب و تبادل آسان تر مواد درشت مولکولی آلی، بنابراین دارای قدرت ضد آلودگی قوی و بیشتر است. مقاوم در برابر آلودگی. بازسازی آسان.

ظرفیت تبادل یونی رزین

عملکرد یک رزین تبادل یونی برای واکنش‌های تبادل یونی، که در «ظرفیت تبادل یونی» آن بیان می‌شود.

1. ظرفیت تبادل کل، که به معنی کل مقدار گروه های شیمیایی است که می توانند در واحد مقدار (وزن یا حجم) رزین تحت واکنش تبادل یونی قرار گیرند.

2. ظرفیت تبادل کاری که نشان دهنده ظرفیت تبادل یونی رزین در شرایط خاص است که مربوط به نوع رزین و ظرفیت تبادل کل و همچنین شرایط کاری خاص مانند ترکیب محلول، سرعت جریان، دما و عوامل دیگر است.

3. ظرفیت تبادل احیا که نشان دهنده ظرفیت تبادل رزین احیا شده به دست آمده تحت دوز بازسازی معین است و نشان دهنده میزان بازسازی و ترمیم گروه های شیمیایی اولیه در رزین است.

معمولاً ظرفیت تبادل بازسازی 50-90٪ از کل ظرفیت تبادل است (به طور کلی در 70-80٪ کنترل می شود)، در حالی که ظرفیت تبادل کاری 30-90٪ ظرفیت تبادل بازسازی (برای رزین بازیافتی) است، نسبت دوم. همچنین به عنوان استفاده از رزین شناخته می شود.

در استفاده واقعی، ظرفیت تبادل رزین تبادل یونی شامل ظرفیت جذب است، اما نسبت دومی با ساختار رزین متفاوت است. هنوز امکان محاسبه جداگانه وجود ندارد، در طراحی خاص نیاز به بازنگری بر اساس داده های تجربی و بررسی در حین عملیات واقعی دارد.

اندازه گیری ظرفیت تبادل رزین یونی به طور کلی با یون های معدنی انجام می شود. این یون ها اندازه کوچکی دارند و می توانند آزادانه در بدنه رزین پخش شوند تا با تمام گروه های تبادلی درون آن واکنش دهند. در کاربردهای عملی، محلول اغلب حاوی مواد آلی ماکرومولکولی است که از نظر اندازه بزرگ هستند و به سختی وارد منافذ میکروسکوپی رزین می شوند، بنابراین ظرفیت تبادل واقعی کمتر از مقدار اندازه گیری شده با یون های معدنی خواهد بود. این وضعیت به نوع رزین، اندازه ساختاری منافذ و مواد در حال پردازش مربوط می شود.