فرآیند تبادل یونی یک واکنش شیمیایی است که در آن یک گروه باردار معادل از یون‌های هیدراته در یک جامد با گروهی از یون‌های باردار مشابه از محلول مبادله می‌شود .متوجه شدیم که ساختار ویژه این ماده که جامد است از نظر شکل شبیه تور ماهیگیر برای ماهیگیری است .و الکترولیت های آنها بار الکتریکی متوسطی دارند و یا دارای باری هستند که به صورت گروه های مربوط به شبکه ماده ای است که جامد است و به آن مبدل یونی می گویند.
برای درک کامل نحوه عملکرد رزین های تبادل یونی ابتدا می توان به درک اصول واکنش های تبادل یونی که یک امر مهم است اشاره کرد. به بیان ساده، تبادل یونی تبادل برگشت پذیر ذرات باردار الکتریکی – یا یون ها + با ذرات باردار مشابه است. این زمانی اتفاق می‌افتد که یون‌های موجود بر روی یک ماتریس رزین تبادل یونی نامحلول به طور موثری موقعیت‌های خود را با یون‌های بار مشابه موجود در محلول اطراف تعویض می‌کنند.
رزین تبادل یونی به دلیل گروه های عملکردی خود این گونه رفتار می کند. اساساً یون‌های بی‌حرکت به طور دائم در ماتریس پلیمری رزین پیوند می‌یابند. این یون های باردار به آسانی با یون هایی با بار مخالف پیوند می خورند که از طریق استفاده از محلول در بالادست تحویل داده می شوند. این واکنش ها تا رسیدن به تعادل به اتصال گروه های عاملی ادامه می دهند.
در طول چرخه، محلول جمع آوری شده به لایه رزین تبادل یونی اضافه می شود و اجازه می دهد تا از طریق رزین های کروی شکل جریان یابد. همانطور که محلول از طریق گروه های عاملی رزین حرکت می کند، هر واکنش موجود در محلول را جذب می کند. اگر گروه های عاملی نسبت به یون های موجود میل ترکیبی با یون های جدید داشته باشند، یون های موجود در را حذف کرده و جای آن ها را می گیرند. سپس از طریق جاذبه الکترواستاتیک مشترک با گروه های عاملی پیوند برقرار می کنید. به طور کلی، هر چه اندازه ویا ظرفیت یک یون بزرگتر باشد، تمایل آن به یون های با بارهای مخالف بیشتر است..
این نوع رزین حاوی تعداد زیادی گروه اسید قوی مانند گروه اسید سولفونیک - SO3H است که به راحتی H + را در محلول جدا می کند، بنابراین به شدت اسیدی است. پس از جدا شدن رزین، گروه های دارای بار منفی در بدن، مانند SO3-، می توانند جذب و به کاتیون های دیگر در محلول متصل شوند. این دو واکنش H+ را در رزین با کاتیون های موجود در محلول مبادله می کنند. رزین اسید قوی دارای توانایی تفکیک قوی است و می تواند تجزیه و تبادل یونی را در محلول های اسیدی یا قلیایی ایجاد کند. پس از استفاده از رزین برای مدتی، باید آن را احیا کرد، یعنی با استفاده از مواد شیمیایی، واکنش تبادل یونی به صورت معکوس انجام می‌شود تا گروه‌های عملکردی رزین برای استفاده مجدد به حالت اولیه بازگردانده شوند. رزین کاتیونی فوق با یک اسید قوی بازسازی می شود. در این زمان، رزین کاتیون های جذب شده را آزاد می کند و با H+ ترکیب می شود تا پیکربندی اولیه را بازیابی کند.
این نوع رزین حاوی گروه های اسیدی ضعیفی مانند کربوکسیلات COOH است که می تواند H+ را در آب جدا کرده و اسیدی شود. گروه‌های دارای بار منفی که پس از تفکیک رزین باقی می‌مانند، مانند R-COO- (R یک گروه هیدروکربنی است)، می‌توانند با کاتیون‌های دیگر در محلول جذب و ترکیب شوند تا تبادل کاتیونی ایجاد کنند. اسیدیته این رزین ضعیف است و جداسازی و انجام تبادل یونی در pH پایین دشوار است. این فقط در محلول های قلیایی، خنثی یا کمی اسیدی (مانند pH 5-14) می تواند کار کند. این نوع رزین نیز بازسازی شده با اسید است (بازسازی آن راحت تر از رزین اسید قوی است).
این نوع رزین حاوی گروه‌های پایه قوی مانند گروه آمین چهارتایی (همچنین به عنوان گروه آمین چهارتایی شناخته می‌شود) -NR3OH (R یک گروه هیدروکربنی است) که می‌تواندOH- را در آب جدا کرده و به شدت بازی کند. گروه های دارای بار مثبت این رزین می توانند جذب و با آنیون های موجود در محلول ترکیب شوند تا تبادل آنیونی ایجاد کنند.این رزین دارای تفکیک قوی است و می تواند به طور معمول تحت pH های مختلف کار کند. از قلیاهای قوی (مانند هیدروکسید سدیم) برای بازسازی استفاده می شود.
این نوع رزین حاوی گروه‌های پایه ضعیف مانند گروه‌های آمینه اولیه (همچنین به عنوان گروه‌های آمینه اولیه)-NH2، گروه‌های آمینه ثانویه (گروه‌های آمینه ثانویه) -NHR یا گروه‌های آمینه سوم (گروه‌های آمینه سوم)-NR2 هستند. ازOH در آب جدا می شود و ضعیف قلیایی می شود. گروه های دارای بار مثبت این رزین می توانند جذب و با آنیون های موجود در محلول ترکیب شوند تا تبادل آنیونی ایجاد کنند. در بیشتر موارد، این رزین تمام مولکول های اسید دیگر را در محلول جذب می کند. فقط در شرایط خنثی یا اسیدی(مانند pH 1-9) می تواند کار کند. می توان آن را با Na2CO3 و NH4OH بازسازی کرد.
موارد فوق چهار نوع اصلی رزین هستند. در استفاده واقعی، این رزین ها اغلب به سایر فرآیندهای یونی واکنش داده و آن را به یک رزین سدیمی برای استفاده مجدد تبدیل می کند. هنگام کار، رزین سدیمNa+ را آزاد می کند، کاتیون هایی مانند Ca2+ وMg2+ را مبادله و جذب می کند تا این یون ها را حذف کند. H + در طول واکنش آزاد نمی شود، که می تواند ازpH پایین محلول و عوارض جانبی ایجاد شده (مانند تبدیل ساکارز، خوردگی تجهیزات و غیره) جلوگیری کند. پس از مصرف رزین به عنوان سدیم، می توان آن را با آب نمک (بدون اسید قوی) بازسازی کرد. مثال دیگر این است که رزین آنیونی را می توان از نوع کلر ساخت و دوباره استفاده کرد. Cl- آنیون های دیگر را در حین کار آزاد می کند، جذب می کند و مبادله می کند. بازسازی آن فقط نیاز به استفاده از محلول آب نمک دارد. رزین کلر نیز می تواند به نوع کربنات هیدروژن (HCO3-) تبدیل شود. رزین های اسیدی قوی و رزین های قلیایی قوی پس از تبدیل شدن به گونه های سدیم و کلر، دیگر اسیدیته قوی و قلیاییت قوی ندارند، اما همچنان سایر خواص معمول این رزین ها مانند تفکیک قوی و محدوده pH وسیع را دارند.
طول عمر رزین های سختی گیر بسته به نوع مراقبت شما متغیر می باشد. به صورت کلی طول عمر رزین سختی گیر ۱۰ سال است اما اگر شما مراقب باشید این رزین دچار آلودگی نشود تا ۱۵ سال هم طول عمر دارد. اگر بخواهیم به صورت دقیق تر بگوییم رزین های کاتیونی دارای طول عمر بین ۸ تا ۱۰ سال می باشند و رزین های آنیونی دارای طول عمر بین ۴ تا ۵ سال می باشند. عواملی وجود دارد که می تواند باعث کاهش طول عمر این رزین شود . این عوامل به شرح زیر می باشد:
1. استفاده نکردن از سیلیس درون کف مخزن که باعث خروج ماده به مرور زمان می شود.
2. نداشتن شیر اتوماتیک یا منظم بودن زمان بین بکواش.
3. وجود املاح معلق زیاد در آب که باعث گرفتگی رزین ها با گذشت زمان می شود.
4. زمانی که چیدمان این ماده در ارتفاع بالا باشد موجب از بین رفتن لایه های این ماده تحت فشار وزن آب می شود.
