سیستم تبادل یونی
فرآیند تبادل یونی، واكنش شیمیایی بین یون های داخل فاز مایع و یون های فاز جامد می باشد. یون های خاصی در داخل مایع ترجیحاً توسط مبدل یونی جامد جذب می شود و به خاطر این كه باید حالت خنثای الكتریكی برقرار گردد، مبدل جامد یون هایی را به داخل مایع آزاد كرده كه جایگزین یون های جذب شده گردد. فرآیند تبادل یونی به طور عمده در نرم سازی آب، حذف مواد معدنی، نمك زدایی، حذف نیتروژن به كار می رود.
1- نرم سازی آب: از آنجا كه حذف تمام سختی برای آب مصارف شهری مطلوب نیست یك قسمت از جریان به صورت كنارگذر مبدل یونی عبور كرده و با آب تبادل یونی شده مخلوط می شود تا سختی مطلوب حاصل شود. این فرآیند با عنوان نرم سازی با جریان دوشاخه ای نامیده می شود. این فرآیند توسط مبادله یون های سدیم و منیزیم می باشد.
2- تبادل یونی برای حذف تمام كاتیون ها و آنیون ها از آب استفاده می شود. در حذف كل مواد معدنی، رزین های كاتیونی یون های هیدروژن را با كاتیون ها مبادله می نمایند و رزین های آنیونی یون های هیدروكسل را با آنیون ها مبادله می نمایند. بنابراین آب تصفیه شده فقط حاوی یون های هیدروژن و هیدروكسل خواهد بود كه در نتیجه آبی خالص می باشد. صنایعی كه در آنها بویلرهای با فشار بالا وجود دارند و برخی صنایع دیگر نیازمند آبی فاقد مواد معدنی هستند.
3- تبادل یونی ممكن است برای نمك زدایی آب های شور مورد استفاده در آب رسانی استفاده شود. روش های متعدد تبادل یونی وجود دارند كه یكی از آنها حذف مواد معدنی با جریان دوشاخه ای می باشد. از روش های معمول دیگری كه در نمك زدایی آب به كار می رود می توان به فرآیندهای غشایی و اسمز معكوس اشاره كرد كه در فصل های بعدی به تفصیل توضیح داده می شود.
طبقه بندی رزین
رزین ها برحسب گروه عامل قابل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته زیر تقسیم می شوند:
1- رزین های كاتیونی قوی (SAC)
2- رزین های كاتیونی ضعیف (WAC)
3- رزین های آنیونی قوی (SBA)
4- رزین های آنیونی ضعیف (WBA)
1- رزین های كاتیونی
رزین های كاتیونی در اثر واكنش فنل و یا مشتقات آن با فرمالدئید و سپس سولفونه كردن آنها به كمك سولفوریك اسید به حالت توده ای تهیه شدند كه آنها را خرد و غربال می كردند و مورد استفاده قرار می دادند. این گونه رزین ها نیز از سولفونه كردن پلی استیرن تهیه گردیدند. هرگاه در پلی مریزاسیون استایرن مقداری دی وینیل بنزن افزوده گردد پلی مری با ساختار شبكه ای تولید می گردد كه در اثر سولفونه كردن آن، رزین كاتیونی قوی تهیه می گردد. با تغییر دادن میزان دی وینیل بنزن درجه cross-linked و در نتیجه تخلخل و پایداری رزین كنترل می گردد.افزایش پیوندهای متقاطع موجب كاهش تخلخل می شود و در نتیجه مقاومت دمایی رزین بالا می رود. برای تولید دانه های كروی باید به كمك هم زن منومر در درون آب به حالت سوسپانسیون درآید و در این شرایط كوپلی مریزاسیون انجام گیرد. تركیب سولفونه بالا از نوع رزین های كاتیونی قوی می باشد كه می تواند با تمام كاتیون های موجود در آب تبادل یون نماید. هرگاه به جای گروه سولفونیك اسید گروه كربوكسیلیك اسید (-COOH) جانشین شود، رزین های كاتیونی ضعیف، تولید می گردد ولی روش ساده تر برای تهیه این رزین ها تركیب متاكریلیك اسید با دی وینیل بنزن می باشد. به طور معمول ظرفیت رزین های كاتیونی ضعیف بیشتر از ظرفیت انواع قوی می باشند كه این میزان گاهی به دو برابر می رسد.
2- رزین های آنیونی
رزین های آنیونی به جای گروه های اسید دارای گروه های بازی می باشند. گروه های بازی از آمونیاك و یا یك آمین ایجاد می شوند و برای داشتن شرایط بهتر می توان از تركیبات دیگری مانند گروه های كلرومتیل ( C-CH2-Cl) استفاده نمود و سپس واكنش با آمونیاك و یا آمین تكمیل گردد.
الف) در اثر واكنش با آمونیاك رزین آنیونی، آمین نوع اول تهیه می گردد.
ب) در اثر تركیب با یك آمین نوع اول رزین آنیونی آمین نوع دوم تهیه می گردد.
پ) در اثر واكنش با یك آمین نوع دوم رزین آنیونی آمین نوع سوم تهیه می گردد.
ت) در اثر واكنش با یك آمین نوع سوم رزین آنیونی آمونیمی تولید می گردد.
رزین های دارای گروه های بازی آمین نوع اول، دوم و سوم از نوع ضعیف می باشند و توانایی تبادل یون با آنیون های نمك ها یا اسیدهای قوی را دارا می باشند ولی با آنیون های نمك ها و یا اسیدهای ضعیف تبادل یون نمی نمایند.
رزین های آمونیمی از نوع قوی می باشند و توانایی تبادل یون با همه آنیون ها حتی بنیان كربنیك اسید (HCO3-) و بنیان سیلیسیك اسید (HSiO3-) را دارند.
به طور معمول رزین های آنیونی ضعیف با سدیم كربنات یا سود سوزآور احیاء می شوند ولی احیای آنها با بیشتر قلیاها نیز امكان پذیر خواهد بود.
احیای رزین های آنیونی قوی با سدیم هیدروكسید انجام می پذیرد.
3- رزین های تبادل یونی ویژه بستر مختلط
حذف كاتیون ها و آنیون های موجود در آب، به طور هم زمان به وسیله مخلوطی از رزین های تبادل یونی كاتیونی و آنیونی انجام می گیرد. در این فرآیند مخلوط رزین ها در یك ستون قرار می گیرند و آب از بستر رزین ها عبور می كند و آب خروجی دارای T.D.S. بسیار ناچیزی خواهد بود.
فرآیند تبادل یونی، واكنش شیمیایی بین یون های داخل فاز مایع و یون های فاز جامد می باشد. یون های خاصی در داخل مایع ترجیحاً توسط مبدل یونی جامد جذب می شود و به خاطر این كه باید حالت خنثای الكتریكی برقرار گردد، مبدل جامد یون هایی را به داخل مایع آزاد كرده كه جایگزین یون های جذب شده گردد. فرآیند تبادل یونی به طور عمده در نرم سازی آب، حذف مواد معدنی، نمك زدایی، حذف نیتروژن به كار می رود.
1- نرم سازی آب: از آنجا كه حذف تمام سختی برای آب مصارف شهری مطلوب نیست یك قسمت از جریان به صورت كنارگذر مبدل یونی عبور كرده و با آب تبادل یونی شده مخلوط می شود تا سختی مطلوب حاصل شود. این فرآیند با عنوان نرم سازی با جریان دوشاخه ای نامیده می شود. این فرآیند توسط مبادله یون های سدیم و منیزیم می باشد.
2- تبادل یونی برای حذف تمام كاتیون ها و آنیون ها از آب استفاده می شود. در حذف كل مواد معدنی، رزین های كاتیونی یون های هیدروژن را با كاتیون ها مبادله می نمایند و رزین های آنیونی یون های هیدروكسل را با آنیون ها مبادله می نمایند. بنابراین آب تصفیه شده فقط حاوی یون های هیدروژن و هیدروكسل خواهد بود كه در نتیجه آبی خالص می باشد. صنایعی كه در آنها بویلرهای با فشار بالا وجود دارند و برخی صنایع دیگر نیازمند آبی فاقد مواد معدنی هستند.
3- تبادل یونی ممكن است برای نمك زدایی آب های شور مورد استفاده در آب رسانی استفاده شود. روش های متعدد تبادل یونی وجود دارند كه یكی از آنها حذف مواد معدنی با جریان دوشاخه ای می باشد. از روش های معمول دیگری كه در نمك زدایی آب به كار می رود می توان به فرآیندهای غشایی و اسمز معكوس اشاره كرد كه در فصل های بعدی به تفصیل توضیح داده می شود.
طبقه بندی رزین
رزین ها برحسب گروه عامل قابل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته زیر تقسیم می شوند:
1- رزین های كاتیونی قوی (SAC)
2- رزین های كاتیونی ضعیف (WAC)
3- رزین های آنیونی قوی (SBA)
4- رزین های آنیونی ضعیف (WBA)
1- رزین های كاتیونی
رزین های كاتیونی در اثر واكنش فنل و یا مشتقات آن با فرمالدئید و سپس سولفونه كردن آنها به كمك سولفوریك اسید به حالت توده ای تهیه شدند كه آنها را خرد و غربال می كردند و مورد استفاده قرار می دادند. این گونه رزین ها نیز از سولفونه كردن پلی استیرن تهیه گردیدند. هرگاه در پلی مریزاسیون استایرن مقداری دی وینیل بنزن افزوده گردد پلی مری با ساختار شبكه ای تولید می گردد كه در اثر سولفونه كردن آن، رزین كاتیونی قوی تهیه می گردد. با تغییر دادن میزان دی وینیل بنزن درجه cross-linked و در نتیجه تخلخل و پایداری رزین كنترل می گردد.افزایش پیوندهای متقاطع موجب كاهش تخلخل می شود و در نتیجه مقاومت دمایی رزین بالا می رود. برای تولید دانه های كروی باید به كمك هم زن منومر در درون آب به حالت سوسپانسیون درآید و در این شرایط كوپلی مریزاسیون انجام گیرد. تركیب سولفونه بالا از نوع رزین های كاتیونی قوی می باشد كه می تواند با تمام كاتیون های موجود در آب تبادل یون نماید. هرگاه به جای گروه سولفونیك اسید گروه كربوكسیلیك اسید (-COOH) جانشین شود، رزین های كاتیونی ضعیف، تولید می گردد ولی روش ساده تر برای تهیه این رزین ها تركیب متاكریلیك اسید با دی وینیل بنزن می باشد. به طور معمول ظرفیت رزین های كاتیونی ضعیف بیشتر از ظرفیت انواع قوی می باشند كه این میزان گاهی به دو برابر می رسد.
2- رزین های آنیونی
رزین های آنیونی به جای گروه های اسید دارای گروه های بازی می باشند. گروه های بازی از آمونیاك و یا یك آمین ایجاد می شوند و برای داشتن شرایط بهتر می توان از تركیبات دیگری مانند گروه های كلرومتیل ( C-CH2-Cl) استفاده نمود و سپس واكنش با آمونیاك و یا آمین تكمیل گردد.
الف) در اثر واكنش با آمونیاك رزین آنیونی، آمین نوع اول تهیه می گردد.
ب) در اثر تركیب با یك آمین نوع اول رزین آنیونی آمین نوع دوم تهیه می گردد.
پ) در اثر واكنش با یك آمین نوع دوم رزین آنیونی آمین نوع سوم تهیه می گردد.
ت) در اثر واكنش با یك آمین نوع سوم رزین آنیونی آمونیمی تولید می گردد.
رزین های دارای گروه های بازی آمین نوع اول، دوم و سوم از نوع ضعیف می باشند و توانایی تبادل یون با آنیون های نمك ها یا اسیدهای قوی را دارا می باشند ولی با آنیون های نمك ها و یا اسیدهای ضعیف تبادل یون نمی نمایند.
رزین های آمونیمی از نوع قوی می باشند و توانایی تبادل یون با همه آنیون ها حتی بنیان كربنیك اسید (HCO3-) و بنیان سیلیسیك اسید (HSiO3-) را دارند.
به طور معمول رزین های آنیونی ضعیف با سدیم كربنات یا سود سوزآور احیاء می شوند ولی احیای آنها با بیشتر قلیاها نیز امكان پذیر خواهد بود.
احیای رزین های آنیونی قوی با سدیم هیدروكسید انجام می پذیرد.
3- رزین های تبادل یونی ویژه بستر مختلط
حذف كاتیون ها و آنیون های موجود در آب، به طور هم زمان به وسیله مخلوطی از رزین های تبادل یونی كاتیونی و آنیونی انجام می گیرد. در این فرآیند مخلوط رزین ها در یك ستون قرار می گیرند و آب از بستر رزین ها عبور می كند و آب خروجی دارای T.D.S. بسیار ناچیزی خواهد بود.
