رزین تبادل یونی یک ترکیب جامد با مولکولی بالا است. ساختار واحد رزین تبادل یونی از دو قسمت تشکیل شده است. یک قسمت یک اسکلت شبکه بی حرکت و سه بعدی است و قسمت دیگر یک یون فعال است که می تواند آزادانه بین اسکلت شبکه و محلول حرکت کند.
اندازه ذرات: هرچقدر رزین تبادل یونی کوچکتر باشد، برای بهبود سرعت انتشار یون در داخل و خارج از رزین مطلوب تر است.
درجه اتصال متقاطع: ماده ای که هر مونومر را به هم پیوند می دهد و پلیمر متقاطع رزینی را تشکیل می دهد، عامل پلیمریزاسیون متقاطع و درصد وزنی عامل پلیمریزاسیون متقاطع در رزین را درجه اتصال عرضی می گویند. هر چه درجه اتصال عرضی کمتر باشد، فضای بین رزین های تبادل یونی بزرگتر باشد، انبساط آن آسان تر، انتشار یون ها در رزین آسان تر و سرعت تبادل سریعتر می شود.
دما: افزایش دمای محلول می تواند باعث افزایش ضریب انتشار و تسریع در انتشار یون ها شود.
ظرفیت یونی: وقتی یون ها در رزین پخش می شوند، بین آنها و اسکلت رزین جاذبه کولنی وجود دارد. هر چه ظرفیت یون بالاتر باشد، جاذبه کولن بیشتر و سرعت انتشار داخلی کمتر است. با توجه به نتایج ارائه شده توسط محققان: کاتیون بار را افزایش می دهد و سرعت انتشار داخلی آن به حدود 1/10 از اصلی کاهش می یابد.
اندازه یون: یون های کوچک سریعتر منتشر می شوند، در حالی که ماکرومولکول ها با اسکلت رزین برخورد می کنند و اسکلت را تغییر شکل می دهند و سرعت انتشار را کاهش می دهند. غربال های مولکولی به صورت صنعتی با استفاده از این پدیده ساخته شده اند.
سرعت هم زدن: همزدن در حین تبادل می تواند انتشار را تسریع کند، اما روی انتشار داخلی تاثیری نخواهد داشت.
غلظت محلول: با افزایش غلظت محلول، سرعت تبادل یون سریعتر می شود. اما زمانی که غلظت محلول به مقدار مشخصی افزایش یافت، سرعت رشد تبادل یونی به تدریج کاهش یافت.
رزین سختی گیر عملکردهای تبادل، انتخاب، جذب و کاتالیز را دارد که می تواند اجزای مزاحم را حذف کرده و اجزای ردیابی را غنی کند.
برجسته ترین کاربرد رزین های تبادل یونی در زمینه تصفیه آب است. در میان آنها، نسبت کاربرد در صنعت برق بیشترین است که عمدتاً در تصفیه آب تغذیه نیروگاه حرارتی و تصفیه آب میعانات استفاده می شود و بخش کوچکی نیز در تصفیه آب در گردش و آب سرد در ژنراتورها استفاده می شود.
در فرآیند تصفیه آب، رزین های تبادل یونی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. در تصفیه آب برای نرم کردن و نمک زدایی آب برای تولید آب نرم، آب خالص و آب فوق خالص و در تصفیه فاضلاب برای تصفیه جیوه، مس، مولیبدن، روی، اورانیوم و کادمیوم در تصفیه فاضلاب و غیره استفاده می شود.
رزین تبادل یونی نه تنها برای تصفیه آب صنعتی، بلکه برای تصفیه آب آشامیدنی نیز قابل استفاده است، زیرا می تواند به طور موثر ناخالصی هایی مانند نیترات اضافی، فلوئور و فلزات سنگین موجود در آب آشامیدنی را حذف کند، در تصفیه آب آشامیدنی نقش مهمی دارد.
در زمینه صنایع غذایی مصرف رزین تبادل یونی پس از تصفیه آب در رتبه دوم قرار دارد و می توان از آن در تولید قند، تولید مونوسدیم گلوتامات و ... استفاده کرد و در تصفیه، رنگ زدایی، بو زدایی، جداسازی و کاتالیزور نقش دارد. به عنوان مثال، با توجه به خصوصیات شربت قند و نمک زیاد در صنعت قند، از آن برای رنگ‌زدایی و تصفیه محصولات قندی مانند زایلیتول، حذف املاح و مواد اسیدی موجود در نوشیدنی‌ها و آب میوه‌ها استفاده می‌شود.
رزین های تبادل یونی در پزشکی و صنایع بیو شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند و برای اولین بار در استخراج و جداسازی آنتی بیوتیک ها، غلظت ویتامین ها، استخراج و تصفیه داروهای طبیعی و غیره مورد استفاده قرار گرفتند و از دهه 1970 به تدریج در تحقیق و توسعه دارو مورد استفاده قرار گرفتند. سیستم های تحویل، و می تواند برای رهایش پایدار و کنترل شده استفاده شود.سیستم های دارورسانی و سیستم های دارورسانی هدفمند. مانند انتشار کنترل شده دارو در دستگاه گوارش و به عنوان یک حامل برای سیستم های رهایش هدفمند.
به عنوان مثال، نیتریت پتاسیم درجه معرف فقط حاوی KNO294٪ است و مقدار زیادی ناخالصی KNO3است که با کریستالیزاسیون حذف نمی شود. محلول نیتریت پتاسیم معرف 1mol/L از ستون رزین تبادل آنیونی با فرمول NO2- عبور داده می شود.از آنجایی که میل ترکیبی تبادل یونی NO2- کوچکتر از NO3- است، NO3- به طور کامل از نظر کمی به رزین مبادله می شود و NO2 روی رزین به پایین مبادله می شود، خلوص KNO2 در پساب حداقل 99.9٪ است. ستون تبادل را می توان پس از بازسازی با NaNO2 خالص دوباره مورد استفاده قرار داد.
در سنتز آلی، اسیدها و بازها معمولاً به عنوان کاتالیزور برای استری شدن، هیدرولیز، ترانس استریفیکاسیون، هیدراتاسیون و سایر واکنش ها استفاده می شوند. واکنش فوق با استفاده از رزین تبادل یونی به جای اسید معدنی و قلیایی نیز قابل انجام است و مزایای بیشتری دارد. به عنوان مثال، رزین را می توان بارها و بارها استفاده کرد، محصول به راحتی جدا می شود، راکتور به راحتی خورده نمی شود، محیط را آلوده نمی کند، و واکنش به راحتی قابل کنترل است. تهیه متیل بوتیل اتر سوم (MTBE) برای استفاده از رزین تبادل یونی ماکرو متخلخل به عنوان کاتالیزور است که از واکنش ایزوبوتیلن و متانول تشکیل می شود و جایگزین سرب تترا اتیل نفت خام می شود که می تواند باعث آلودگی محیط زیست شود.
بسیاری از یون های سمی یا مواد غیر یونی موجود در محلول های آبی یا غیر آبی را می توان به صورت عددی بازیافت و استفاده کرد، مانند حذف یون های فلزی در مایع زباله آبکاری، بازیابی مواد مفید در مایع زباله تولید فیلم و غیره.
1.رزین های مبادله کاتیونی بسیار اسیدی قوی بر پایه استایرن و رزین های تبادل کاتیونی ضعیف اسیدی بر پایه اکریلیک:
این دو نوع رزین دارای مقاومت و پایداری دمایی خوبی هستند، رزین های نوع H را می توان در دمای 100 درجه سانتی گراد استفاده کرد، در حالی که رزین های نوعNa را می توان در دمای 120 درجه سانتی گراد استفاده می شود. می تواند تصفیه آب عمومی و بسیاری از الزامات کاربردی دیگر را برآورده کند. با این حال، برخی از کاربردهای خاص، مانند کاتالیزورهای هیدراتاسیون الفین، به دمای بالای حدود 150 درجه سانتیگراد نیاز دارند و رزین های ویژه مقاوم در برابر دما مورد نیاز است. به عنوان مثال، رزین کاتالیز شده با کاتیون مقاوم در برابر دماD002-II را می توان برای مدت طولانی در دمای 170 درجه سانتی گراد بدون ریزش گروه تبادلی استفاده کرد.
2. رزین تبادل آنیونی نوع پایه قوی مبتنی بر استایرن:
حداکثر دمای عملیاتی این نوع رزین برای نوعCl 80 درجه سانتی گراد و برای نوع OH 60 درجه سانتی گراد است. عمدتاً در دمای بالاتر، نمک آمونیوم چهارتایی گروه عاملی چنین رزینی تجزیه می شود و در نتیجه ظرفیت تبادل آن کاهش می یابد.
3. رزین تبادل آنیونی نوع II پایه قوی مبتنی بر استایرن:
این نوع رزین در دماهای بالاتر به دلیل وجود یک گروه اتانول در نمک آمونیوم چهارتایی گروه عاملی آن، مقاومت در برابر دمای آن، سریعتر از رزین پایه قوی نوع I تجزیه می شود. نیز بدتر است حداکثر دمای عملیاتی رزین نوع Cl 60 درجه سانتیگراد و حداکثر دمای کاری رزین نوع OH 40 درجه سانتیگراد است.
4. رزین تبادل آنیونی پایه قوی و پایه ضعیف بر پایه اکریلیک:
این نوع رزین به دلیل اینکه گروه مبادله ای آن از طریق پیوند آمیدی به اسکلت رزین متصل است و پایداری شیمیایی پیوند آمیدی بسیار کمتر از C-C است. رابطه، رشته. بنابراین، پایداری شیمیایی این نوع رزین ضعیف است. در حضور اسید و قلیایی، می تواند تجزیه پیوند آمیدی را تسریع بخشد و پایداری آن را کاهش دهد. بنابراین هنگام استفاده از این نوع رزین، نه تنها باید دما را کنترل کرد، بلکه دمای اسید و قلیایی نیز باید در سطح پایین تری کنترل شود که رزین با اسید و قلیایی تیمار یا بازسازی شود. به طور کلی، دمای استفاده و بازسازی رزین پایه قوی اکریلیک نباید از 30 درجه سانتیگراد تجاوز کند و دمای استفاده و بازسازی رزین پایه ضعیف نباید از 45 درجه بیشتر شود.
هنگامی که رزین تبادل یونی با یک اکسید کننده قوی مواجه می شود، اکسید می شود و قدرت و ظرفیت تبادل رزین کاهش می یابد و در نتیجه عمر مفید رزین را تحت تاثیر قرار می دهد. انواع مختلفی از اکسیدان های قوی وجود دارد، اما عمده ترین آنها که اغلب در هنگام استفاده از رزین ها با آن مواجه می شوند، کلر آزاد و اکسیژن محلول در آب هستند. از تجربیات گذشته، اکسیژن محلول در آب تأثیر کمی بر اکسیداسیون رزین دارد. کلر آزاد توانایی آسیب اکسیداتیو قوی به رزین دارد و تأثیر بیشتری دارد.
منابع کلر آزاد عمدتاً از دو جنبه است: کلر آزاد باقی مانده در ضدعفونی آب خام یا مواد؛ کلر آزاد که به دلیل کیفیت پایین اسید کلریدریک که برای بازسازی یا تصفیه رزین ها (برخی محصولات جانبی هیدروکلریک صنعتی) وارد می شود. اسید دارای محتوای کلر آزاد بالایی است.
اثر کلر آزاد بر روی رزین برای رزین آنیونی و رزین کاتیونی متفاوت است: برای رزین کاتیونی، به دلیل اینکه گروه های عاملی رزین نسبتاً پایدار هستند، کلر آزاد عمدتاً اسکلت رزین کاتیونی را اکسید و تجزیه می کند، در نتیجه افزایش رطوبت و کاهش استحکام در ظاهر، رنگ رزین به وضوح محو شده است. برای رزین های آنیونی، از آنجایی که آمین ها یا آمونیوم به راحتی اکسید می شوند، کلر آزاد ابتدا اکسید شده و گروه های تبادلی رزین های آنیونی را از بین می برد و ظرفیت تبادل رزین ها را کاهش می دهد. اگر مقدار کلر آزاد زیاد باشد، اسکلت رزین بیشتر اکسید شده و آسیب می بیند و در نتیجه استحکام رزین کاهش می یابد.
با این حال، در کاربردهای عملی، از آنجایی که رزین کاتیونی به طور کلی در مقابل رزین آنیون قرار می گیرد، و محتوای کلر آزاد به طور کلی کمتر است، رزین کاتیونی ممکن است بسیار بیشتر از رزین آنیونی مورد حمله اکسیداسیون قرار گیرد.
پس از اکسید شدن رزین، نه تنها کیفیت کاهش می یابد، عمر مفید آن کوتاه می شود، بلکه گاهی اوقات کیفیت پساب یا مواد فرآوری شده نیز تحت تأثیر قرار می گیرد. بنابراین تا حد امکان از مصرف آن به شرح زیر اجتناب شود:
تا حد امکان از اسید کلریدریک با کیفیت بهتر برای جلوگیری از ورود کلر آزاد توسط اسید هیدروکلریک استفاده کنید.
آب یا مواد حاوی کلر آزاد قبل از تماس با رزین با کربن فعال تصفیه می شوند. استفاده از ستون جذب کربن فعال دانه ای قبل از رزین تبادل یونی نه تنها می تواند مواد آلی را جذب کند تا احتمال آلودگی رزین را کاهش دهد، بلکه به طور موثر کلر آزاد را حذف می کند که می تواند یک اثر محافظتی مضاعف روی رزین داشته باشد.
هر چه درجه اتصال عرضی رزین بیشتر باشد، مقاومت آن در برابر اکسیداسیون قوی تر است. اگر مشخص شود که سیستم به طور اجتناب ناپذیری حاوی کلر آزاد است، رزین های تبادل یونی ماکرو متخلخل توصیه می شود. زیرا رزین های ماکرو متخلخل عموماً دارای درجه بالاتری از پیوند متقاطع و مقاومت اکسیداسیون قوی تری هستند.
