تبادل یونی

تبادل یونی

تبادل یونی تبادل یون‌ها بین دو الکترولیت یا بین یک محلول الکترولیت و یک ترکیب است. در بیشتر موارد این اصطلاح به فرایندهای تصفیه، جداسازی و ضدعفونی محلول‌های آبی و دیگر محلول‌های حاوی یون با پلیمر جامد یا کانی مبدل یون اطلاق می‌شود. یکی از روش های تصفیه آب استفاده از رزین های تعویض یون می باشد. رزین در انواع و گریدهای مختلفی تولید می گردد و در صنایع گسترده ای جهت تولید آب مورد استفاده قرار می گیرد.فرآیند تبادل یونی به علت سهولت اجرا، هزینه کم و کارآیی بالا یکی از مناسب­ترین روش­های بهبود کیفیت آب­های آلوده به نیترات است. در ت‍ه‍ی‍ه‌ و ت‍ص‍ف‍ی‍ه‌ آب‌ م‍ورد ن‍ی‍از ب‍رای‌ ک‍ارب‍رده‍ای‌ م‍خ‍ت‍ل‍ف‌ ن‍ظی‍ر اس‍ت‍ف‍اده‌ در ک‍ش‍اورزی‌، ش‍رب‌ و ص‍ن‍ع‍ت‌ ف‍رآی‍ن‍ده‍ای‌ م‍خ‍ص‍وص‍ی‌ ان‍ج‍ام‌ م‍ی‌گ‍ی‍رد ک‍ه‌ ی‍ک‍ی‌ از آن‍ه‍ا روش‌ ت‍ب‍ادل‌ ی‍ون‍ی‌ م‍ی‌ب‍اش‍د و در ح‍ال‌ ح‍اض‍ر اک‍ث‍ر ن‍ی‍روگ‍اه‍ ه‍ای‌ ک‍ش‍ور از ای‍ن‌ روش‌ ب‍ه‍ره‌ م‍ی‌ب‍رن‍د ب‍ه‌ دلای‍ل‌ م‍خ‍ت‍ل‍ف‌ ران‍دم‍ان‌ ن‍ی‍روگ‍اه ه‍ای‌ ک‍ش‍ور ک‍م‍ت‍ر از م‍ق‍ادی‍ر پ‍ی‍ش‍ب‍ی‍ن‍ی‌ ش‍ده‌ در گ‍ذش‍ت‍ه‌ م‍ی‌ب‍اش‍د ی‍ک‍ی‌ از دلای‍ل‌، طراح‍ی‌ ن‍ام‍ن‍اس‍ب‌ س‍ی‍س‍ت‍م‌ اس‍ت‌.

شیمی رزین‌ها

رزین‌های موازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یون های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است.
این کاتیون های متحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل -Cl یا -OH به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون ، کاتیون‌ها یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شود، بگونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود.

برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:

1- خود دارای یون باشد.
2- در آب غیر محلول باشد.
3- فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد ، بطوریکه یون ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.
در مورد رزین‌های کاتیونی هر دانه رزین با آنیون غیر تحرک و یون متحرک +H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غلظت ۲۵% فرض نمود. این قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید.


رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

1- رزین‌های آنیونی قوی
2- رزین‌های آمونیونی ضعیف
3- رزین‌های کاتیونی قوی
4- رزین‌های کاتیونی ضعیف

بطور کلی رزین‌های نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزین‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولیکن با استفاده از رزین‌های نوع ضعیف، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیون های موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیون های هستند که به قلیائیت آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزین های کاتیونی قوی می‌باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون های آب است بکارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزین های کاتیونی قوی می‌باشد. رزین‌های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیون های موجود در آب بوده ولی رزین‌های آنیونی ضعیف قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاومتر از رزین های آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب، رزین‌های آنیونی قوی در پایین دست رزین های آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

برخی از کاربردهای رزین‌ها:

• حذف سختی
• حذف آهن ومنگنز
• حذف سیلیکا
۰ تولید آب بدون یون (DM Water)

اصول طراحی:
طراحی رزین توسط نرم افزارهای مرتبط و بر اساس آنالیز و دبی آب ورودی، ساعت کارکرد و سرویس، کیفیت مورد نیاز خروجی و … انجام می گیرد. رزین ها در مخازنFRP، یا کربن استیل با پوشش مناسب و یا استنلس استیل بارگزاری می گردد. راهبری سیستم های سختی گیر رزینی به سه صورت دستی، نیمه اتوماتیک و یا تمام اتوماتیک قابل طراحی و اجرا می باشد. در مورد سیستم های تولید آب بدون یون بهتر است فرآیند تولید بصورت تمام اتوماتیک انجام پذیرد.