رزين سختي گير يا رزين تبادل يوني چيست؟

در علم مواد شيميايي پليمري، رزين سختي گير يك ماده جامد يا بسيار چسبناك هسته گياهي يا مصنوعي است كه معمولا به پليمر تبديل مي شود. رزين سختي گير (تبادل يوني) يا پليمر تبادل يون يك رزين يا پليمر است كه به عنوان وسيله اي براي تبادل يون عمل مي كند اين ماتريكس نامحلول ( تركيبات همراه ) به طور معمول به شكل دانه هاي كوچك (۰٫۲۵-۰٫۵ ميلي متر) ، معمولا سفيد يا زرد ، ساخته شده از يك بستر پليمري آلي است اين دانه ها معمولا متخلخل بوده و شامل سطح بالايي در داخل و روي آنها هستند به دام افتادن يون ها همزمان با انتشارساير يون ها رخ مي دهد ، بنابراين اين فرايند مبادله يون ناميده مي شود. انواع مختلفي از رزين هاي تبادل يوني وجود دارد.

تاريخچه رزين سختي گير يا رزين تبادل يوني

در سال ۱۹۰۵ ميلادي يك شيمي دان آلماني بنام گانس ( gans ) در نخستين تبادل يوني، مواد مصنوعي آلومينيوم سيليكات را كه بعنوان زئوليت شناخته مي شدند را بكار گرفت.اين مواد بزودي جايگزين مواد طبيعي كه شِن سبز ( green sand ) ناميده مي شدند ، شدند.

مزيت و معايب رزين سختي گير

۱- رزين هاي معدني يا زئوليت ها نسبت به شن سبز از ظرفيت تبادل كمتري برخوردار هستند.

۲- به دليل پايداري بيشتر در خواص فيزيكي در صنايع مناسب تر هستند

۳-اين مواد يون هاي سختي آور آب ( كلسيم و منيزيم ) را حذف كرده و به جاي آن يون سديم آزاد ميكردند از اين رو به زئوليت سديم مشهور شدند. اين زئوليت ها سختي آب را كاهش داده و تقريبا بطور كامل بر T.D.S آب بي اثر بودند

انواع رزين سختي گير يا رزين تبادل يوني

سه نوع اصلي رزين هاي تبادل يوني(رزين سختي گير) كه بر اساس عملكردي گروه آنها متفاوت است:

۱- رزين تبادل يوني كاتيوني اسيدي قوي:

به طور معمول شامل گروه هاي اسيد سولفونيك است، به عنوان مثال سديم پلي استايرن سولفونات يا پليAMPS، رزين مبادله كننده كاتيوني قوي به فرمول: R−H واكنش : H+ + C+ = R−C + H

۲- رزين تبادل يوني آنيوني بازي قوي :

به طور معمول شامل گروه هاي آمينه كواترنري، به عنوان مثال، گروه هاي تري متيل آمونيوم، به عنوان مثال پليAPTAC رزين تبادل يوني كاتيوني اسيدي ضعيف: به طور معمول شامل گروه هاي كربوكسيليك اسيد رزين تبادل يوني انيوني بازي ضعيف: معمولا شامل گروه هاي اوليه، ثانويه و / يا آمينو آمين، مانند پلي اتيلن آمين

۳- رزين مبادله كننده آنيوني:

به فرمول N(R)۴−OH N(R)۴−OH + HCl = N(R)۴Cl + H۲O استفاده از روش كروماتوگرافي مبادله آنيوني براي استخراج و خالص سازي مواد از مخلوط ها يا محلول ها مي شود.

كاربردهاي رزين سختي گير

اين ماده شيميايي داراي كاربردهاي مختلفي است كه در زير بيان شده است.

۱- سختي گيري آب

رزين هاي تبادل يوني ( رزين سختي گير ) يون هاي منيزيم و كلسيم موجود در آب سخت را با يون هاي سديم موجود بر روي رزين تبادل ميكنند. رزين سختي گير / رزين تبادلي تعداد كمي از رزين هاي تبادل يوني ميتوانند كلر يا آلاينده هاي آلي را از آب حذف مي كنند كه اين امر معمولا با استفاده از يك فيلتر زغال چوب فعال شده كه با رزين مخلوط مي شود ، صورت مي گيرد.برخي از رزين هاي تبادل يوني وجود دارد كه يون هاي آلي را حذف مي كنند ، مانند رزين هاي MIEX (تبادل يون مغناطيسي). رزين تصفيه آب داخلي معمولا شارژ نمي شود – رزين زماني كه ديگر نمي تواند استفاده شود ، از بين مي رود.

۲- توليد آب با خلوص بالا

آب با بالاترين خلوص براي صنايع الكترونيك ، آزمايش هاي علمي ، توليد ابررساناها ، و صنعت هسته اي و مواردي از اين قبيل مورد نياز است ، چنين آبي با استفاده از فرايندهاي تبادل يوني يا تركيبي از روش هاي غشايي و تبادل يوني توليد مي شود. كاتيون ها با استفاده از رزين هاي جايگزين كاتيون توسط يون هاي هيدروژن جايگزين مي شوند و آنيون ها با استفاده از رزين هاي آنيوني جايگزين هيدروكسيل ها مي شوند يون هاي هيدروژن و هيدروكسيل ها دوباره تركيب مي شوند و مولكول هاي آب توليد مي كنند. بنابراين ، هيچ يوني در آب توليدي باقي نمي ماند و فرايند تصفيه معمولا در چند مرحله با “ستون هاي تبادل يون مخلوط” در پايان زنجيره فن آوري انجام مي شود.

۳- استخراج ، جداسازي و خالص سازي فلزات

فرايندهاي تبادل يوني براي جداسازي و خالص سازي فلزات از جمله:

• جداسازي اورانيوم از پلوتونيوم و ديگر اكتينيد ها از جمله توريم استفاده مي شود
• جدا سازي لانتانيم ، نئوديميم ، يتربيم ، ساماريوم ، لوتيتيم ، از يكديگر و ديگر لانتانيدها

روش جداسازي فلزات نادر از طريق مبادله يون براي سال هاي زيادي تنها راه عمليبود كه در سال ۱۹۴۰ توسط فرانك اسپدينگ كشف شد. همچنين استخراج حلال عمدتا توسط رزين هاي تبادل يوني انجام ميشود بجز در توليد محصولاتي با خلوص بيشتر.

خواص رزين هاي سختي گير

رزين ها داراي خواص هيدروليكي ، فيزيكي و شيميايي هستند كه در زير بيان شده است:

خواص هيدروليكي

خواص هيدروليكي رزين تابعي از دانستيه و توزيع ابعاد ذرات رزين است. دانسيته رزين اولين پارامتري است كه بر سياله شدن(fluidization) بستر رزين در طي شستشوي معكوس اثر مستقيم دارد. بنابراين براي طراحي درام تبادل يوني و فضاي مورد نياز در بالاي بستر، براي انبساط زمان شستشوي معكوس و نرخ جريان لازم براي شستشوي معكوس نياز به دانسيته رزين خواهد بود.

همچنين توزيع ابعاد دانه هاي رزين نقش اساسي در شستشوي معكوس بازي ميكند زيرا نرخ سياله شدن دانه هاي رزين تابعي از نسبت سطح به حجم رزين هم ميباشد. اثر ديگر اندازه ذرات رزين در ميزان افت فشار ايجاد شده در بستر ظاهر ميشود همچنين براي طراحي پمپ تامين آب خوراك بستر نياز به اطلاع از حداكثر افت فشار ايجاد شده توسط بستر است.

خواص فيزيكي

خواص فيزيكي رزين نقش اساسي در مقاومت رزين در مقابل اصطكاك و نيروي وارد بر آن در طي سرويس دهي بازي ميكنند.

خواص شيميايي

مسلما عملكرد شيميايي رزين تبادل يوني به منزله قلب فرايند تصفيه آب بوسيله رزين ميباشد.
برخي از خواص شيميايي شامل:

• ظرفيت كل
• ظرفيت شكاف نمك
• ظرفيت نگهاري آب

ميباشد. اين اندازه گيري ها را براي بررسي وضعيت رزين و مقدار كارائي آن در جذب يون هاي شيميايي موجود در محلول بكار ميبرند. مقادير حاصل از اندازه گيري اين كميت ها را با روابط تجربي به كميت هاي كاربردي نظير تركيب آب ورودي ، كيفيت آب خروجي ، ميزان تزريق مواد احيا كننده و ميزان جريان خوراك مرتبط ميكنند.
اين كميت ها اثرات مهمي بر مكانيزم تعادل واكنش هاي تبادل يوني دارند. به همين دليل معمولا براي خواص شيميايي رزين مقادير جداگانه كمتر قيد ميشود و براي آن گراف هايي ارائه مينمايند كه ظرفيت كاري سيستم را برحسب تركيب آب خوراك ، ميزان جريان و ميزان مواد احيا كننده مصرفي ارائه ميدهند.