در راستای مبحث تصفیه و فیلتراسیون، یکی از اصطلاحاتی که در این رابطه باید به توضیح آن بپردازیم، تا به آگاهی مکفی در این زمینه دست پیدا کنیم، رزین تبادل یونی می باشد که در ادامه بیشتر در این باره خواهیم گفت با ما همراه باشید.
پدیده تبادل یون برای نخستین بار در سال 1850 میلادی و در پی مشاهده توانایی خاک های زراعی و کشاورزی در تعویض برخی از یون ها مانند آمونیوم با یون کلسیم و منیزیم موجود در ساختار آن ها مشاهده شد. در سال 1870 میلادی، طی انجام آزمایشات متنوع ثابت گردید که برخی از کانی های طبیعی به خصوص زئولیت ها، واجد توانایی انجام تبادل یون می باشند. زئولیت ها، به رزین های معدنی اطلاق می گردد. این گونه مواد، یون های سختی آور آب را حذف کرده و به جای آن یون سدیم را آزاد می کنند. از این جهت، به زئولیت های سدیمی نیز شهرت یافتند.
آب به طور طبیعی حاوی املاح و نا خالصی های گوناگونی است، که وجود بسیاری از این املاح مانند نمک، مشکل ساز نیست و ضرری برای انسان ندارد. اما در برخی از موارد بهتر است این ناخالصی ها از آب حذف گردد، که نا خالصی های نا محلول در آب با روش های فیلتراسیون مختلف قابل جدا سازی از آب هستند.
فناوری ها و تجهیزات گوناگونی از فیلتر های میکرونی گرفته تا اولترا فیلتراسیون، روش های حذف ذرات معلق نا محلول در آب هستند که بسته به اندازه ذرات و نوع کاربرد، می توان از آن ها بهره گیری نمود. اما در مورد مواد محلول باید روش های متفاوتی را در نظر گرفت. یکی از بهترین و پر کاربرد ترین روش ها در امر جدا سازی یون های باردار محلول در آب، استفاده نمودن از متد رزین تبادل یونی خواهد بود.
رزین های تبادل یونی، که کاربرد وسیعی در تصفیه آب دارند و جهت گرفتن سختی آب ها بسیار پر مصرف و کارا عمل می کنند، در واقع یک ماده پلیمری نا محلول می باشد. که حاوی یون های نا پایدار است که قادر به مبادله با یون ها در محیط پیرامون خود، بدون هیچ تغییر فیزیکی عمده در ساختار آن می باشد.
در واقع رزین تبادل یونی، دانه های پلاستیکی یا ژله ای بسیار ریزی به رنگ سفید یا زرد رنگ هستند که قطر آن ها در حدود 6/0 میلی متر است و این دانه ها متخلخل بوده و داخل ساختار آن ها مقداری آب موجود است. از این رزین ها به منظور کاهش یا حذف املاح آب، از جمله موارد زیر از رزین ها در جهت تصفیه آب، کمک می گیرند.
ساختار و ساختمان داخلی رزین ها، از شبکه پلیمری ایجاد گردیده است. که دارای تعدادی از یون های کاملا ثابت و غیر متحرکی هستند که در ساختار آن ها واقع شده است. جهت حفظ تعادل الکتریکی ساختار رزین تبادل یونی، به همان نسبت یون ها با بار الکتریکی مخالف به صورت شناور قابل جدا شدن از رزین، در آن ها قرار گرفته اند. این یون های متحرک، بر عکس یون های ثابت می توانند از ساختار رزین جدا و یا داخل آن وارد گردند.
برخی از امتیازات رزین تبادل یونی که در فرآیند تصفیه و حذف آلاینده ها و آلودگی ها، مورد کاربرد دارد را در زیر بیان خواهیم نمود.
این نوع مواد پلیمری نا محلول، به دو نوع زیرتقسیم بندی می شوند.
این نوع از رزین های تبادل یونی، پلیمر های کاتیونی به همراه یک آنیون نا پایدار هستند که آنیون قابل تعویض می باشد. به بیان دیگر، رزین های حاوی آنیون های قابل تبادل تحت عنوان رزین های آنیونی شناخته می شود این گونه از رزین ها، با جذب یون های منفی مانند سیلیس به پاکساری آب کمک می کنند. رزین های آنیونی، تمامی آنیون های آب شامل، سیلیس و سولفات و کلراید و نیترات و غیره را حذف نمی کنند.
این نوع رزین ها در حقیقت، به پلیمر های آنیونی قلمداد می شود، که کاتیون نا پایدار موظف است که کاتیون با کاتیون های دیگری در محلول مبادله کند. به زبان ساده تر می توان این گونه گفت که رزین های حاوی کاتیون قابل تبادل، رزین های کاتیونی گفته می شود که جذب یون های مثبت بر عهده آن ها خواهد بود. این نوع رزین ها، تمامی کاتیون های آب را مانند کلسیم و منیزیم و پتاسیم و آهن و غیره ....حذف خواهد نمود.
رزین ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین، به 4 دسته عمده طبقه بندی می شوند.
رزین های تبادل یونی، توانایی و تمایل زیادی برای جذب رطوبت دارند. میزان رطوبتی که توسط رزین های تبادل یونی، جذب می شود، به پیوند های متقابل و گروه عاملی در ساختار آن، وابسته است. در این میان رزین های ژله ای، دارای پیوند های متقابل کم و گروه های عاملی سولفونیک اسید یا آمونیوم می باشند. و به دلیل مقدار زیادی آب که در درون خود دارند، منجر به تورم آن ها می گردد. به دلیل تورم و انقباض های پی در پی، عمر رزین های تبادلی کم می باشد.
ظرفیت رزین های تبادل های یونی برابر است با، تعداد یونهایی که توسط یک واحد وزنی و یا حجمی از رزین جذب می شوند. در اندازه گیری ظرفیت رزین بر اساس وزن خشک، وجود پیوند های متقابل در ساختار رزین تبادل یونی سبب کاهش گروه های عاملی چسبیده به سطح و در نتیجه کاهش ظرفیت می شود.
رزین های تبادل یونی، در اندازه ذرات و اندازه بستر گوناگون عرضه می شوند. رزین های تبادل مرسوم و رایج، به فرم بستر های کروی پلی دیسپرس، با توزیع اندازه ذرات بین 25/0 تا 25/1 میلی متر، و یا اندازه ذرات یکنواخت تولید می شوند. ذرات کوچکتر سینتیک موجب بهبود واکنش تبادل یونی می شوند. ولی، سبب افت زیاد فشار آب شده و تبع آن شدت جریان را کاهش می دهند.
کیفیت جنس پلیمر رزین های تبادلی و همچنین کیفیت تناوب دوره های تورم و انقباض آن ها با پایداری فیزیکی و مکانیکی رزین های تبادل یونی ارتباط مستقیم دارد. عواملی چون موارد زیر منجر به تجزیه شیمیایی رزین تبادل یونی می گردد.
همان گونه که گفته شد، رزین سختی گیر ، دارای کاربرد گسترده و گوناگونی هستند. به همین جهت، معیار ها و ضوابطی که بر عملکرد رزین های تبادل یونی حکمفرما ست، که می بایست در انتخاب نوع رزین مناسب جهت فرآیند تصفیه در نظر گرفته شود. برخی از این فاکتور ها و معیار ها را در زیر بیان خواهیم نمود.
کاربرد های گسترده رزین های تبادل یونی شامل موارد زیر می شود.
