رزین های تبادل یونی

رزین های تبادل یونی

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) طیف گسترده ای از ترکیبات آلی پلیمری و حاوی سایت های دارای بار مثبت یا منفی است که می تواند یون های بار مخالف را از محلول اطراف جذب کند.

این رزین ها معمولاً از یک کوپلیمر استایرن- دیوینیل بنزن (ماده ای با وزن مولکولی بالا) تشکیل شده اند ، اگرچه از ترکیبات دیگری مانند پلیمرهای اسید متاکریلیک-دیوینیل بنزن و فنل-فرمالدئید نیز استفاده می شود.  گروه های دارای بار الکتریکی معمولاً نمک های سولفونیک یا اسید کربوکسیلیک یا نمک های آمونیوم چهارتایی هستند.

آلاینده های موجود در منابع آب امروزه به عنوان یک معضل جهانی روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می گیرد و استانداردهای دشوارتری برای آن در نظر گرفته می شود. در حال حاضر تصفیه آب صنعتی به دو روش تبادل یونی شامل تصفیه آب به روش نرم کردن آب و روش حذف یون ها انجام می شود. اهمیت این مساله تا به این حد است که استفاده از رزین های تبادل یونی یکی از روش های مهم تولید آب یونزدایی شده در صنایع به شمار می آید. با این وجود، علاوه بر سختی گیری، روش تبادل یونی دارای کاربردهای فراوانی دیگری است که اصول تصفیه آب در تمام آنها براساس مبادله یون های مضر موجود در آب توسط یون های معینی از ساختار رزین می باشد.

•  رزین تبادل یونی کاتیونی (Cation exchange resin)

رزین های دارای کاتیون های قابل تبادل، اصطلاحاً رزین کاتیونی نامیده شده و به دو دسته کلی رزین های کاتیونی اسیدی قوی و اسیدی ضعیف طبقه بندی می شوند. این رزین ها شامل یون های مثبت جابه جا شونده ای (متحرک) هستند که به گروه های عاملی اسیدی غیر متحرک نظیر اسید سولفونیک و کربوکسیلیک متصل می شوند. در هنگام بهره برداری از رزین، یون های مثبت هیدروژن و سدیم جایگزین کاتیون های موجود در آب می گردند. در زمان عملیات احیا نیز کاتیون هایی که در بستر رزین گیر افتاده اند، وارد محلول احیا شده و مجدداً با هیدروژن و سدیم جایگزین می گردند.

•  رزین تبادل یونی آنیونی (Anion exchange resin)

رزین های دارای آنیون های قابل تبادل، با نام رزین های آنیونی شناخته می شوند و به دو دسته کلی رزین های آنیونی بازی قوی و بازی ضعیف طبقه بندی می شوند. این رزین ها قادر به حذف تمام یا بخشی از آنیون های موجود در آب می باشند. از رزین های آنیونی پرفروش موجود در ایران می توان به رزین آنیونی پرولایت مدل A400 استفاده کرد که کاربرد ویژه ای در دستگاه های دیونایزر دارد.

•  رزین بستر مخلوط (Mix bed)

از رزین میکس بد جهت تولید آب با کیفیت بسیار بالا استفاده می شود. این رزین در واقع مخلوطی از رزین اسیدی کاتیونی قوی با سیکل هیدروژنی و رزین بازی آنیونی قوی با یون فعال هیدروکسید می باشد. در خروجی رزین آنیونی قوی را معمولاً از رزین میکس بد عبور می دهند تا کیفیت آب خروجی بهبود یابد. آب خروجی از رزین ترکیبی عمدتاً دارای هدایت الکتریکی کمتر از 1 میکرو زیمنس بر سانتی متر مربع، PH در محدوده 6.8 تا 7.2 و نیز دارای مقدار کمتر از ppm 0.02 سیلیکا می باشد.

در حوزه تصفیه آب جهت حذف نیترات از آب می توان از رزین هایی با انواع زیر استفاده کرد:

• رزین های آنیونی بازی قوی ویژه حذف نیترات
  •    رزین های آنیونی بازی قوی نوع اول
  •    رزین های آنیونی بازی قوی نوع یک با ظرفیت بالا
  •    رزین های آنیونی بازی قوی نوع دوم
  •     رزین های آنیونی بازی ضعیف

انواع رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی)

رزین های تعویض یونی دو نوع هستند رزین های تبادل کاتیونی  که یونهای دارای بار مثبت مانند سدیم را با کلسیم تبادل می کنند و رزین های تبادل آنیونی  که یونهای دارای بار منفی مانند کلرید را با آرسنیک مبادله می کنند.

رزین ها معمولاً از یک چارچوب پلیمری پلی استایرن ساخته می شوند و فقط از نظر گروه های عملکردی خاص متفاوت هستند. سیستم های تبادل یونی معمولاً با کلرید سدیم بازسازی می شوند. معمولاً نمک طعام ۰.۱ N در از بین بردن حتی آنیون های به شدت جذب شده موثر است.

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) چیست؟

رزین های تعویض یونی جامدات سبک و متخلخلی هستند که معمولاً به صورت گرانول ، مهره یا ورق تهیه می شوند. هنگام غوطه ور شدن در محلول ، رزین ها محلول را جذب کرده و متورم می شوند. درجه تورم به ساختار پلیمری و غلظت یونی کل محلول بستگی دارد.

رزین هایی با ترکیبات شیمیایی و خواص فیزیکی مناسب ممکن است به دلخواه برای کاربردهای خاص تبادل یونی سنتز شوند. بنابراین آنها عمده مواد مصنوعی تبادل یونی را تشکیل می دهند که در آزمایشگاه و صنعت استفاده می شوند.

در کاربردهای صنعتی و خانگی  از رزین های تبادل یونی برای حذف نمک های کلسیم ، منیزیم ، آهن و منگنز از آب (نرم شدن آب) ، تصفیه قند و غلظت عناصر ارزشمند مانند طلا ، نقره ، و اورانیوم از کانسنگ های معدنی استفاده می شود. در تجزیه و تحلیل شیمیایی ، از این رزین ها برای جداسازی یا غلظت مواد یونی استفاده می شود و در سنتز شیمیایی ، برخی از رزین های تعویض یونی به عنوان کاتالیزورهای موثر به خصوص در واکنش های استری و هیدرولیز استفاده شده است.

رزین های تبادل الکترون، الکترون ها را از محلول اطراف می پذیرند یا اهدا می کنند و در واکنش های کاهش اکسیداسیون استفاده می شوند. مثال ها شامل پلیمرهای تهیه شده از هیدروکینون ، فنل و فرمالدئید است.

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) در تصفیه آب آشامیدنی

اخیراً از رزین های تعویض یونی به طور فزاینده ای برای تولید آب آشامیدنی استفاده می شود. رزین های تخصصی برای تصفیه آلاینده های مختلف نگران کننده از جمله پرکلرات و اورانیوم طراحی شده اند.

رزین های زیادی برای این اهداف طراحی شده است ، مانند رزین آنیونی قوی پایه / قوی ، که برای حذف نیترات و پرکلرات استفاده می شود. مهره های رزینی نیز وجود دارد که می تواند برای نرم شدن آب مورد استفاده قرار بگیرد.

اثر تبادل یونی برای تصفیه آب می تواند توسط پوسته پوسته شدن مواد معدنی ، گرفتگی سطح و سایر مواردی که باعث رسوب روی رزین  می شوند، محدود شود. فرآیندهای قبل از تصفیه مانند فیلتراسیون یا افزودن مواد شیمیایی می تواند به کاهش یا جلوگیری از این مشکلات کمک کند.

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی)  در داروسازی

این رزین ها نه تنها برای کاتالیز کردن واکنشهای خاص ، بلکه برای جداسازی و تصفیه مواد فعال دارویی در داروسازی نیز استفاده می شوند. از سه رزین تبادل یونی ، سدیم پلی استایرن سولفونات ، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان مواد فعال استفاده می شود. سدیم پلی استایرن سولفونات یک رزین تبادل یونی به شدت اسیدی است و برای درمان هایپرکالمی استفاده می شود. کلستیپول یک رزین تبادل یونی ضعیف بازی است و برای درمان هایپرکلسترولمی استفاده می شود. کلستیرامین یک رزین تبادل یونی کاملاً بازی است و برای درمان هایپرکلسترولمی نیز استفاده می شود. کلستیپول و کلستیرامین به عنوان گیرنده های اسید صفراوی شناخته می شوند.

رزین های تعویض یونی همچنین به عنوان مواد افزودنی در فرمولاسیون های دارویی مانند قرص ، کپسول و سوسپانسیون استفاده می شوند. در این کاربردها ، رزین تعویض یونی می تواند چندین عملکرد از جمله پوشاندن طعم ، انتشار دارو ، تجزیه قرص ، افزایش فراهمی زیستی و بهبود ثبات شیمیایی مواد فعال مختلف داشته باشد.

کاربرد رزین تبادل یونی در سختی گیری آب

همانطور که می دانید آب حاوی مقادیر زیادی از مواد خارجی است. در بسیاری از موارد  اینها مشکلی ایجاد برای سلامتی ایجاد نمی کنند و نسبت به آب فوق العاده خالص برای کاربردهای خاص ، این مواد خارجی می توانند برای سلامتی مفید هم باشند. ولی بهرحال به عنوان ناخالصی در نظر گرفته می شود و باید از آب پاک شود.  مواد نامحلول (شن و غیره) را می توان با فیلتراسیون حذف کرد.

انواع مختلفی از فناوری های فیلتراسیون  تا اولترافیلتراسیون وجود دارد که می تواند ذرات زیر میکرون را از بین ببرد. ولی برای مواد محلول باید از تکنیک های دیگر استفاده شود. مواد یونیزه محلول را می توان با رزین تبادل یونی حذف کرد.

مکانیسم عملکرد رزین های مبادله کننده یون

آب سخت حاوی مقدار زیادی مواد محلول است. سختی  آب یک کلمه معروف برای نشان دادن کلسیم و منیزیم محلول در آب است. این یون ها می توانند تحت شرایط خاص رسوب کرده و باعث انسداد لوله ها و دیگ های بخار آب شود. برای نرم کردن آب مبادله کاتیون های سختی (Ca ++ و Mg ++) با کاتیون های دیگری انجام می شود که نمی توانند رسوب تشکیل دهد زیرا بسیار محلول هستند مانند یون سدیم.

برای نرم کردن آب ، شما یک رزین تبادل کاتیونی نیاز دارید که یون متحرک درون آن (Na +)  و با آب سختی که از یک ستون پر از رزین سدیم عبور می دهید ، تعویض شود. یون های سختی Ca ++ و Mg ++  به درون دانه های رزین حرکت می کنند و هر یک از این کاتیون های دو ظرفیتی با خارج شدن دو یون سدیم از رزین جایگزین می شوند.

آنیون های حاصل از آب نمی توانند وارد دانه رزین شوند زیرا توسط آنیون های سولفونات ثابت (SO3 -) موجود درون دانه ها دفع می شوند. این تبادل کاتیونی می تواند به طور موثر انجام شود زیرا رزین تبادل کاتیونی نسبت به سدیم میل بیشتری به یون های سختی دارد. به عبارتی رزین  شما کلسیم و منیزیم را به سدیم ترجیح می دهد. نتیجه فرآیند نرم سازی ، حذف خالص یون های سختی از آب نیست ، بلکه جایگزینی یون های سختی توسط یون های سدیم است.

در این فرآیند شوری آب تغییر نکرده است ، فقط ترکیبات شوری در پایان روند نرم شدن متفاوت هستند. بدیهی است که این تبادل نامحدود نیست و هنگامی که رزین سختی زیادی را از آب خارج کرده  باشد دیگر جایی برای رزین باقی نمی ماند و باید آن را یک رزین تازه ، یا احیا شده جایگزین کرد.

رزین تبادل یونی یک فناوری بسیار قدرتمند برای از بین بردن ناخالصی های موجود در آب و سایر محلول هاست. بسیاری از صنایع برای تولید آب بسیار خالص به رزین تبادل یونی وابسته هستند که شامل موارد زیر است:

• نیروگاه های هسته ای و حرارتی
• تولید نیمه هادی ، تراشه های رایانه ای و صفحه نمایش
• حذف آلودگی های سمی از آب آشامیدنی
• تبادل یونی در تصفیه فاضلاب
• تبادل یونی در تصفیه آب

همچنین در زمینه های دیگری به غیر از تصفیه آب ، در صنایع غذایی ، فرآیندهای شیمیایی ، کاتالیز، استخراج ، ضد عفونی مواد زائد و بسیاری از موارد دیگر از این تکنیک استفاده می شود.

رزین های مبادله یونی صنایع نفت و گاز

DOWEX G-25 (H) (رزین کاتیونی اسیدی قوی برای کاربرد کاتالیست و نمک زدایی)

این رزین منحصراً برای کاربردهای فرایندهای شیمیایی طراحی شده است که نیاز به مقاومت بالا، زبری و مقاومت در برابر اکسید شوندگی دارند.

AMBERJET 4200 Resin (رزین برای کاربرد تصفیه آب صنعتی)

این رزین آنیونی پایه قوی تیپ اول برای مصارف عمومی نمکزدایی طراحی شده است. استفاده همزمان این رزین با رزینهای کاتیونی AMBERJET 1000 یا DOWEX MARATHON ™ C در بسترهای مختلط راندمان خوبی در یونزدایی خواهد داشت.

AMBERLITE IRN97 H Resin (رزین کاتیونی اسیدی قوی برای مصارف هسته ای و نیروگاهی)

این رزین برای بالاترین استاندارد خلوص در مصارف هستهای طراحی شده است که حاوی حداقل 99 درصد هیدروژن در تبادل یون میباشد.

AMBERLITE IRN 150 Resin (رزین بستر مختلط برای مصارف هسته ای)

این رزین برای استفاده در بسترهای مختلط (mixed bed ) مصارف هستهای طراحی شده است. مراحل تولید این رزین تحت فرایند کنترل شدهای مناسب برای مصارف هستهای و تبادل یون با یونهای H⁺ / OH^– انجام شده است. این رزین قابلیت احیاء نداشته و برای تولید آب فوق خالص بدون هر گونه آلودگی و حداقل یونهای محلول کاربرد دارد.

AMBERLITE IRN170 Resin (رزین بستر مختلط برای مصارف هسته ای)

این رزین بستر مختلط (mixed bed ) برای کاربردهای هستهای بدون قابلیت احیا طراحی شده است. که ترکیب رزینهای AMBERLITE IRN99 برای تبادل کاتیونها و AMBERLITE IRN78 برای تبادل آنیونها میباشد.

AMBERLITE IRN77 Resin (رزین کاتیونی اسیدی قوی با کاربرد هسته ای)

این رزین کاتیونی اسیدی قوی برای تبادل کاتیون در فرم هیدروژن استفاده می شود. این رزین تحت سختگیرانه ترین استانداردها برای کاربرد هسته ای تولید شده و حداقل 99% از ظرفیت کاتیونی آن مربوط به هیدروژن میباشد.

)رزین کاتیونی ظرفیت بالا برای کاربردهای هسته ای و نیروگاهی

این رزین اسیدی قوی با بهرهگیری از ترکیب دو خصوصیت ویژه ظرفیت بالا و پایداری اکسید شوندگی، سطح جدیدی از کارایی را در کاربردهای هسته به وجود آورده است. این رزین در تصفیه نهایی آب حاصل از آب شیرین کنهای BWRO و SWRO توانایی کاهش سولفات را تا پایینترین مقدارممکن دارد.

DOWEX MONOSPHERE 650C (H) Resin  (رزین کاتیونی اسیدی قوی برای مصارف نمک زدایی و تصفیه نهایی در بسترهای مختلط)

این رزین برای استفاده در بسترهای مختلط طراحی شده است و کاربرد بسیار زیادی درکاهش املاح آب حاصل از آب شیرینکن های BWRO و SWRO دارد. استفاده همزمان این رزین با رزین آنیونی DOWEX MONOSPHERE 550A (OH) به دلیل قابلیت جداسازی بسیار خوب این دو رزین توصیه می شود.

DOWEX MONOSPHERE 550A (OH) (رزین آنیونی پایه قوی برای مصارف نمک زدایی و تصفیه نهایی در بسترهای مختلط)

این رزین با رنگ روشن در کاربردهای بستر مختلط استفاده شده و به راحتی از رزین کاتیونی DOWEX MONOSPHERE 650 C (H) متمایز می شود و برای polishing آب condensate نیروگاهها کاربرد دارد.

AMBERLITE IRA 743 (رزین chelating)

این رزین به طور خاص برای حذف اسیدبوریک ، بورات از آب طراحی شده است. قابلیت حذف گزینشی اسیدبوریک در غلظتهای پایین، ویژگی ممتاز این رزین میباشد.

AMBERJET 2000 H (رزین بستر مختلط کاتیونی اسیدی )

این رزین برای کاربرد در بسترهای مختلط (mixed bed ) جهت مصارف polishing با کیفیت خلوص بالا در خروجی و طول عمر بالای رزین طراحی شده است. کارایی این رزینها در شدت جریان های بالا و افت فشارهای زیاد که به طور معمول در polish میعانات اتفاق می افتد، میباشد. سایز یکنواخت ذرات در این نوع رزین امکان جداسازی بسیار بالایی را در فرایند شستشوی معکوس در زمان استفاده در بسترهای مختلط فراهم میسازد.

AMBERLITE IRN 9652 ( رزین کاتیونی اسیدی قوی برای مصارف هسته ای)

این رزین های کاتیونی اسیدی قوی بواسطهی شبکههای ماتریسی پلی استایرنی با منافذ درشت، قابلیت جداسازی آلایندههای کاتیونی و رادیو ایزوتوپ ها را از انواع جریانهای حاصل از فرایندهای هستهای داراست.

AMBERJET UP1400 (رزین کاتیونی جهت مصرف در صنایع نیمه- رساناها)

این نوع رزینهای کاتیونی اسیدی قوی با ساختاری یکنواخت به صورت ژل جهت تولید آب فوق خالص در صنایع نیمه رسانا در بسترهای مختلط اولیه و polishing(به صورت قابل احیاء و غیر قابل احیاء جهت یه حداقل رساندن نشتی در سیستم) کاربرد دارد.

AMBERJET UP4000 (رزین آنیونی جهت مصرف در صنایع نیمه-رسانا)

این نوع رزینهای آنیونی بازی قوی با ساختاری یکنواخت به صورت ژل جهت تولید آب فوق خالص در صنایع نیمه رسانا و در بسترهای مختلط اولیه و polishing (به صورت قابل احیاء جهت به حداقل رساندن در سیستم) کاربرد دارد.

AMBERLITE IRN 9687 (رزین لیتیومی بستر مختلط برای مصارف هسته ای )

این نوع رزین مخلوطی از رزینهای کاتیونی اسیدی قوی و آنیونی بازی قوی (در تعادل یونی) جهت کاربرد در بسترهای مختلط در صنایع هستهای میباشد که رزینهای کاتیونی آن توسط لیتیوم 7 با خلوص بالای 9/99 درصد  ایزوتوپی بارگذاری شده است. این نوع رزین در تنظیم میزان بورون (Boron) و لیتیوم (Lithium) در نیروگاه ها (کنترل ترکیب شیمیایی و حجمی در راکتورها) کاربرد دارد.

AMBERLITE IRN 9882 (رزین بستر مختلط جهت مصرف هسته ای)

این نوع رزین مخلوطی از رزینهای کاتیونی اسیدی قوی و آنیونی بازی قوی میباشد که در صنایع هستهای کاربرد دارد. این رزینها بواسطه شبکهای ماتریسی پلی استایرینی با منافذ درشت دارای ثبات فیزیکی بالایی میباشند. و جهت تصفیهی شدت جریانهای زیاد با سرعت بالای m/hr 50 مناسب میباشد.

AMBERJET UP 6040 (رزین های بستر مختلط تصفیه نهایی در صنایع نیمه-رساناها)

این رزینها که جهت استفاده در بسترهای مختلط در مرحله نهایی polishing آب و در جهت تولید آب با بالاترین درجه خلوص در صنایع نیمه- رساناها طراحی شدهاند، از مخلوطی از رزینهای اسیدی و بازی قوی با ظرفیت بالا و به صورت ژل با قابلیت اختلاط بالا قابل تأمین میباشد.

AMBERJET UP 6150 (رزین بستر مختلط جهت polishing با خلوص بالا)

این رزین مخلوطی از رزینهای آنیونی و کاتیونی جهت تأمین آب با خلوص بالا پس از سیستم اسمز معکوس به کار برده میشود. از این رزینها میتوان در تولید آب فوق خالص جهت استفاده در صنایعی نظیر صنایع الکترونیک و نیمه رساناها و … نیز استفاده نمود. این رزینها قابلیت تولید آب با خلوص بالا با حداقل میزان آب مصرفی جهت شستشو را دارا میباشند.

AMBERJET IRN 9766 (رزین آنیونی بازی قوی جهت مصارف صنایع هسته ای)

این نوع رزینهای آنیونی جهت مصرف در صنایع هستهای بدلیل مشخصات ساختاری ویژهای که دارند جهت استفاده در حذف ظرفیت بالایی از محصولات کلوئیدی بخصوص نقره کاربرد دارند.

(AMBERJET 1600 H Resin) رزین کاتیونی جهت مصارف صنعتی در تولید انرژی

این رزینهای کاتیونی اسیدی قوی با ساختاری یکسان وبه صورت ژل و با کارایی بسیار بالا بدلیل برخوردار بودن از ظرفیت و ثبات بالا جهت استفاده در بسترهای مختلط قابل تفکیک در ظرفیتهای بالا و طول عمر بالا طراحی شده اند. این رزینها به علت ساختار و مشخصات ویژه خود، جهت استفاده در polishing میعانات در صنایع هستهای ، نیروگاههای تولید برق از سوختهای فسیلی مناسب می باشند.

(AMBERJET 9000 OH POROUS Strong Base Anion Exchange Resin) رزین آنیونی بازی قوی جهت مصرف در صنایع تولید انرژی

این رزینها با ساختار یکنواخت و منافذ درشت، جهت استفاده در بسترهای مختلط قابل احیا در سیستمهای polishing میعانات طراحی شده است و بدلیل مشخصات متمایز و ویژه این رزین جهت استفاده در بسترهای عمیق در صنایع هستهای ، فسیلی و نیروگاهی بسیار مناسب میباشد.

(AMBERLITE IRN 317 Resin) رزین فرم Li/OH بستر مختلط جهت مصرف درصنایع هسته ای

این رزین مخلوطی از رزین کاتیونی اسیدی قوی (Li) و رزین آنیونی بازی قوی (OH) میباشد و جهت استفاده در سیستمهای کنترل حجم و ترکیب شیمیایی (CVCS) در راکتورهای تحت فشار (PWR) به منظور افزایش کارایی سیستم با طول عمر بالا طراحی شده است. همچنین جهت استفاده در سیستمهای خنک ساز راکتورهای اولیه سیستمهای PWR کارایی دارد.

(DOWEX MONOSPHERE 600 BB ) رزین خنثی بستر مختلط حذف مواد معدنی و polishing میعانات در صنایع تولید انرژی

این رزینهای خنثی به عنوان یک رزین غیر عامل جهت افزایش کارایی فرآیند جداسازی در بسترهای مختلط در زمان احیای سیستم، کاربرد دارد. چگالی این ذرات مابین دانسیته ی رزینهای کاتیونی و آنیونی میباشد و همین قابلیت، امکان ایجاد یک فضای خنثی میان رزینهای کاتیونی و آنیونی را در فرایند شستشوی معکوس فراهم می سازد