رزین تبادل یونی در تصفیه آب

یکی از راه‌های که برای تصفیه آب‌ها در صنایع و مراکز مختلف به کار برده می‌شود، استفاده از Ion Exchange Resin یا رزین تبادل یونی است. این رزین‌ها که شامل رزین‌های کاتیونی و آنیونی هستند در از بین بردن سختی آب، تصفیه آب، یون زدایی و تولید آب فوق خالص کاربرد دارند.رزین‌های تبادل یونی ذرات کوچک جامدی هستند که با انجام یک تغییر شیمیایی در ساختار آب می‌توانند یون‌های مثبت و منفی نامطلوب محلول در آب را از بین ببرند.

تاریخچه تولید رزین تبادل یونی

استفاده از این روش در تصفیه آب قدمتی دیرینه دارد. نخستین بار رزین‌های تبادل یونی در سال ۱۸۵۰ کشف شد ولی بیست سال بعد در تصفیه آب مورد استفاده قرار نمی‌گرفت.در سال ۱۸۷۰ بود که آزمایشات ثابت کرد بعضی از کانی‌ها و رزین ‌های معدنی توانایی انجام تبادل یون را دارند و می‌توانند مواد موجود در آب که موجب سختی آب می‌شوند را حذف کنند. به این ترتیب رزین‌ها از سال ۱۸۷۰ به صورت گسترده در سیستم‌های تصفیه آب مورد استفاده قرار گرفت. اما به دلیل بی اثر بودن بر روی کاتیون‌ها باز هم نیازمند تغییرات بودند.سرانجام در سال ۱۹۴۴ رزین‌های تبادل یونی امروزی تولید شد که شامل رزین‌های کاتیونی و آنیونی به صورت همزمان بود. با به وجود آمدن رزین‌های تبادل یونی پیشرفت بزرگی در صنعت تصفیه آب رخ داد.

برای آشنایی بیشتر با این ذرات جامد، عملکرد، ویژگی‌ها و مزایایی آن‌ها با ما همراه باشید.

آشنایی بیشتر با رزین تبادل یونی

از رزین‌ تبادل یونی برای کاهش و یا حذف کامل املاح محلول در آب مانند: کلسیم، منیزیم، آهن، منگنز، نیترات، سولفات، کلر، فلوراید استفاده می‌شود. بعضی از این املاح ساختار آنیونی و بعضی دیگر ساختار کاتیونی دارند.آنیون‌ها و کاتیون‌های رزین با املاح بالا وارد یک واکنش شیمیایی شده ودر نهایت باعث از بین رفتن جامدات محلول در آب (TSD) و تولید آب خالص بدون یون و مواد شیمیایی مضر خواهند شد. رزین سختی گیر، ذرات ژله‌ی مانند بسیار کوچک با قطرهای حدوداً ۰.۶ میلیمتر هستند. که ساختار این ذرات مشک و دارای سوراخ‌های بسیار ریزی است و مقداری آب داخل ساختارش وجود دارد.

رزین ها تعداد ثابتی یون دارند که این یون‌ها متحرک و غیرقابل تبادل هستند. از طرفی به همان تعداد یون‌ با بار الکتریکی مخالف در اطراف آنها وجود دارد تا در نهایت بار الکتریکی این رزین‌ها خنثی باشد.این یون‌های مخالف شناور و قابل تبادل هستند و می‌توانند آزادانه به داخل ساختار رزین وارد شده و یا از آن خارج شوند.اگر یون مثبت یا منفی (کاتیون و یا آنیونی) از خارج به درون دانه رزین وارد شود، برای حفظ بار الکتریکی، دانه رزین باید یک یون با همان بار الکتریکی را از دست بدهد. به این فرایند تبادل یون می‌گویند.وقتی ذرات رزین داخل آب قرار می‌گیرند آنیون‌ها و کاتیون‌های آن با آنیون‌ها و کاتیون‌های آب وارد تبادل یون می‌شوند و به این مواد محلول مضر در آب از بین می‌برند. همچنین موجب کاهش سختی آب خواهند شد.

لیست پرفروش‌ترین محصولات رزین تبادل یونی

انواع رزین تبادل یونی

رزین های تبادل یونی دارای انواع گوناگونی می باشند که هر کدام از آن ها به چند نوع تقسیم بندی می شود. به صورت کلی رزین ها به سه نوع رزین آنیونی ، رزین کاتیونی، رزین میکس بد تقسیم بندی می شود . که هر کدام از رزین های آنیونی، کاتیونی به دو نوع قوی و ضعیف تقسیم بندی می شود. به صورت کلی به شرح زیر می باشند:

1. رزین آنیونی قوی.
2. رزین آنیونی ضعیف.
3. رزین کاتیونی قوی.
4. رزین کاتیونی ضعیف. 

رزین کاتیونی

به رزین هایی که دارای بار مثبت می باشند رزین های کاتیونی می گویند. این نوع رزین ها قابلیت از بین بردن آلودگی های یونی با بار مثبت در آب را دارند. زمانی که این آلودگی ها از آب حذف می شوند یون هیدروژن و سدیم جایگزین کاتیون های موجد در آب می شود. قطر تقریبی این رزین ها برابر با ۵ میلیمتر می باشد. شما می توانید از رزین های کاتیونی برای جلوگیری از خراب شدن دیگ ها و دستگاه ها در بسیاری از کارخانه ها استفاده کنید.

رزین کاتیونی ضعیف WAC

رزین کاتیونی ضعیف (WAC)  نمی تواند تمام کاتیون های موجود در محلول را جذب کند.  این نوع رزین کاتیون های مرتبط با سختی موقت را از بین می برد و بیشتر برای کاربرد های معدنی سازی قابل استفاده می باشد. رزین کاتیون ضعیف در مقایسه با رزین کاتیونی قوی دارای بازدهی بالاتری می باشد که این یک مزیت به حسای می آید.  این رزین ها برای کاربرد های دمینرالیزاسیون و دکالیزاسیون استفاده می شوند. علاوه بر این، رزین‌های WAC مقاومت نسبتاً بالایی در برابر اکسیداسیون و دوام مکانیکی دارند که آن‌ها را به انتخاب خوبی برای جریان‌های حاوی اکسیدان‌هایی مانند پراکسید هیدروژن و کلر تبدیل می‌کند. این رزین دارای مزایا و معایبی می باشد. از معایب آن می توان به قابلیت نداشتن جذب تمامی فلزات موجود در آب اشاره نمود و از مزایای آن می توان به داشتن پساب کم و بازدهی بالا اشاره نمود.

رزین کاتیونی قوی SAC

رزین کاتیونی قوی (SAC) یکی از پر کاربرد ترین رزین های تبادل یونی می باشد. این نوع رزین به دلیل از بین بردن یون های سختی آب همانند منیزیم Mg+  یا کلسیم Ca2+ کاربرد زیادی در نرم نمودن آب ( از بین بردن سختی آب) دارد. رزین کاتیونی قوی قابلیت از بین بردن باریم و رادیوم از آب آشامیدنی را نیز دارد . ابل به ذکر می باشد این نوع رزین می توانند توسط اکسیدان ها آسیب ببینند و به وسیله ی آهن یا منگنز آلوده شون پس توصیه می شود مراقب باشید رزین ها در معرض این مواد قرار نگیرند.

رزین آنیونی

از دیگر انواع رزین های تبادل یونی می توان به رزین آنیونی اشاره نمود. به رزین هایی که دارای آنیون های قابل تبادل باشند رزین آنیونی می گویند.  از رزین های آنیونی به عنوان فیلتر تصفیه آب استفاده می کنند. شاین نوع رزین قابلیت جذب یون ها را دارد و می تواند عناصری همانند اورانیوم، نیترات، پرکلرات، آرسنیک و کربن آلی را حذف کند. این نوع رزین همانند رزین های کاتیونی دارای دو نوع قوی و ضعیف می باشد. در ادامه به توضیح هر کدام می پردازیم.

رزین آنیونی قوی SBA

رزین های آنیونی قوی SBA بسیار قوی می باشند و قابلیت این را دارند تمام اسید های قوی و ضعیف همچون اسید کربنیک و سیلیسیک را از بین ببرند. از جمله ویژگی های رزین آنیونی قوی می توان به حذف نمودن اکثر اسید های ضعیف، قدرت و پایداری بالا، خنثی نمودن اسید های قوی و تبدیل آن ها به نمک معادل اشاره نمود.  رزین های آنیونی قوی بسته به نوعی که دارند می توانند کربن آلی و سایر ارگانیک ها را از بین ببرند و بیشتر برای دمینرالیزاسیون ، دالکالیزاسیون و دسیلکشن   استفاده می شوند.

رزین آنیونی ضعیف WBA

از رزین های آنیونی ضعیف WBA  همراه با رزین های آنیونی قوی SBA  برای انجام یک فرآیند استفاده می شود. به این دلیل این دو زین را با هم استفاده می کنند زیرا آنها فقط آنیون‌های مرتبط با اسیدهای قوی‌تر (مانند کلرید و سولفات) را حذف می‌کنند و اسیدهای ضعیف (مانند دی اکسید کربن و سیلیس) را حذف نمی‌کنند. رزین های آنیونی ضعیف نسیت به رزین های آنیونی قوی دارای مقاومت بیشتری در برابر آلاینده های آب دارند. قابل به ذکر می باشد برای محافظت از رزین های آنیونی قوی از رزین های آنیونی ضیعیف در بالا دست آن استفاده می کنند.

رزین میکس بد

رزین های میکس بد به رزین هایی گفته می شود که مخلوطی از رزین های آنیونی و کاتیونی می باشند. از این نوع رزین به صورت معمول در صنعت تصفیه آب برای شفاف سازی آب و از بین بردن سختی آب استفاده می باشد. با استفاده از این رزین می توان آب را با کیفیت و بدون یون استفاده نمود. جنس رزین های میکس بد پلاستیکی می باشد و قطر آن ها به صورت میانگین برابر با ۰.۵ میلی متر می باشد. از جمله کاربرد های رزین تصفیه آب میکس بد می توان به تصفیه آب دریا، تولید آب خالص ، تصفیه میعانات، از بین بردن املاح موجود در میعانات اشاره نمود.

شرایط استفاده از رزین تبادل یونی

برای استفاده مؤثر از رزین‌ تبادل یونی در فرایند تصفیه آب باید شرایط زیر حتماً مهیا باشد:

تمایل رزین به جذب یون

باید ساختار رزین به کار رفته، متناسب با یون‌های محلول در آب و به گونه‌ی انتخاب شود که تمایل لازم برای جذب شیمیایی یون موردنظر را داشته باشد.

پایین بودن غلظت محلول

وقتی رزین را در محلولی با غلظت پایین قرار گیرد، بعد از گذشت مدت زمان قابل قبولی واکنش شیمیایی را انجام داده و ستون آن اشباع می‌شود. بعد از آن با مواد احیا کننده، رزین را مجدداً وارد واکنش شیمیایی می‌کنیم.

در صورتی که میزان یون‌های موجود در محلول بسیار زیاد باشد، ستون رزین بسیار زود اشباع شده و دیگر رزین‌ تأثیرگذار نخواهد بود و اگر بخواهیم به مقدار زیاد از مواد احیا کننده برای وارد شدن مجدد رزین به واکنش شیمیایی استفاده کنیم، از نظر اقتصادی به صرفه نخواهد بود.

برای محلول‌هایی که غلظت آن‌ها بالاست استفاده از روش‌های دیگر چون اسمز معکوس و یا تقطیر گزینه‌ی مناسب تری است.

ناخالصی‌های یونی

باید در نظر داشت که رزین تبادل یونی تنها قادر به حذف ناخالصی‌ها و آلودگی‌های یونی از محلول است. اگر محلول دارای ناخالصی‌های غیریونی بالای است، توصیه می‌شود از سایر روش‌ها استفاده کنید.

عملکرد رزین تبادل یونی چگونه است؟

همان طور که می دانید امروزه سختی آب یک تهدید بزرگ برای سلامتی انسان ها محسوب می شود . وجود بیش از حد منیزیم و کلسیم در آب یک چالش بزرگ در صنعت تصفیه آب می باشد. روش های متعددی وجود دارد که برای کاهش آب طراحی شده اند که یکی از این روش ها استفاده از رزین تصفیه آب می باشد. رزین تصفیه آب محصولی می باشد که برای نرم سازی و کاهش سختی آب کاربرد چشم گیری دارد. سختی آب شامل کلسیم و منیزیم موجود در آب می باشد که با رزین تصفیه آب می توان سختی آب و فلزات سمی را از آب حذف و کاهش نمود. این رزین متشکل از دانه های ریز و متخلخل می باشد که قطر آن ها در محدوده ۳.۰ تا ۳.۱ می باشد. شما می توانید با استفاده از رزین در دستگاه های صنعتی تصفیه آب عملکرد سیستم را بالا ببرید و هزینه تصفیه آب را کاهش دهید. از کاربرد های رزین تصفیه آب می توان به نرم کردن آب ، املاح زدایی آب و قلیایی زدایی آب اشاره کرد. رزین تصفیه آب دارای ویژگی هایی همچون پایداری بالا، متشکل شده از مولکول های بزرگ قطبی، حلال بودن در آب و قابلیت برقراری واکنش با یون های مضر در آب می باشد.

استفاده از رزین تصفیه آب دارای مزایا و معایبی می باشد که در ادامه به این موارد می پردازیم.

مزایای رزین تبادل یونی

1. رزین های تصفیه آب دارای طول عمر بالا می باشند.
2. از بین بردن آلاینده های موجود در آب.
3. قابلیت استفاده مجدد از رزین.
4. قابلیت از بین بردن انتخابی مبدل یونی
5. قابلیت کارآیی با فشار کم آب.

معایب رزین تبادل یونی

1. با استفاده طولانی مدت از رزین تصفیه آب این امکان وجود دارد باعث بالا رفتن هزینه عملیاتی شود.
2. رزین های تصفیه آب قابلیت این را ندارند که تمام باکتری های موجود در آب را حذف کنند.
3. برای استفاده از این رزین اغلب به مرحله پیش تصفیه همانند هوادهی آب ، ته نشینی و فیلتراسیون شنی نیازمی شود.

عمر رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی دارای طول عمر متفاوتی می باشند. طول عمر رزین ها به عوامل مختلفی نیز بستگی دارد. این عوامل شامل دفعاتی که شما رزین ها را احیا می کنید و شرایط کیفی که رزین در آن وجود دارد بستگی دارد. هر کدام از انواع رزین ها دارای طول عمر متفاوتی می باشند که شما می توانید با مراقبت درست نهایت استفاده از این محول را ببرید. از مواردی که می تواند به طول عمر رزین ها کمک کند قرار ندادن رزین ها در شرایط آلوده و احیا کردن آن ها فقط روز یک بار می باشد. اگر بخواهیم به صورت دقیق تر به این موضوع اشاره کنیم رزین های کاتیونی هم از نوع قوی و هم از نوع ضعیف  دارای طول عمر بین ۸ تا ۱۰ سال می باشد و قابلیت این را دارند در این بازه زمانی آب خالص تولید کنند. رزین های آنیونی هم از نوع قوی و هم از نوع ضعیف دارای طول عمری کم تر از رزین های کاتیونی می باشند و می توان گفت حداکثر طول عمر مفید این نوع رزین ها بین ۴ تا ۵ سال می باشد.

احیای رزین کاتیونی اسیدی

همان طور که از نام رزین کاتیونی اسیدی معلوم است احیای این رزین به وسیله اسید می باشد. برای انجام این کار می توان از کلریدریک اسید و یا سولفوریک نیز استفاده نمود. در مقایسه کلریدریک اسید و یا سولفوریک می توان گف کلریدریک اسید موثرترمی باشد زیرا باعث افزایش ظرفیت رزین می شود.قابل به ذکر می باشد به علت تفاوت قیمت این دو در صنایع بزرگ بیشتر از سولفوریک استفاده می شود. سولفوریک اسید دارای دانستنیه زیادی می باشد و در زمان رقیق کردن تولید حرارت می کند . برای انجام این کار به سیستم های اتوماتیک نیاز است.