واکنش تبادل یونی یک واکنش شیمیایی برگشت‌پذیر می‌باشد. که در آن یون‌های محلول از فاز محلول خارج شده و یون‌های دیگر با بار الکتریکی مشابه جایگزین می‌شوند. رزین تبادل یون، یک محیط فیزیکی است. که واکنش‌های تبادل یونی را تسهیل می‌کند. در زیر مثالی از واکنش تبادل یون ارائه شده است.

رزین تبادل یون از پلیمرهای آلی تشکیل شده است. که شبکه‌ای از هیدروکربن‌ها را تشکیل می‌دهد. در سراسر ماتریس پلیمر، سایت‌های تبادل یونی وجود دارد. جایی که اصطلاحاً “گروه‌های عاملی” به شبکه پلیمر متصل می‌شوند. این گروه‌های عاملی یون‌های با بار مخالف را به راحتی جذب می‌کنند.

مشخصات فیزیکی رزین‌ تبادل یون:

شکل هندسی، اندازه و ساختار رزین‌های تبادل یون می‌تواند از یک نوع به نوع دیگر متفاوت باشد. دانه‌های رزین معمولاً کوچک و کروی هستند و شعاع آن‌ها 25/0 تا 25/1 میلی‌متر می‌باشد. بسته به کاربرد و طراحی سیستم، دانه‌های رزین ممکن است دارای اندازه ذرات یکنواخت یا توزیع اندازه گاوسی باشند. در برخی موارد از دانه های رزین ژله‌ای استفاده می‌شود که ظاهر شفاف و ظرفیت بالایی دارند.

شکل 1 نمونه‌ای از دانه‌های رزین را نشان می‌دهد.

رزین ‌های تبادل یون از چه موادی ساخته می‌شوند؟

رزین تبادل یون، از طریق پیوند زنجیره‌های هیدروکربن با یکدیگر و طی فرآیند پلیمریزاسیون تشکیل می‌شود. پیوند عرضی، باعث ایجاد ساختاری مقاوم، انعطاف‌پذیر و با ظرفیت بالا در پلیمر رزین می‌گردد. ترکیب شیمیایی اکثر رزین‌های تبادل یون، پلی استایرن می‌باشد. سپس طی یک یا چند فرایند شیمیایی، گروه‌های عاملی به سایت‌های تبادل یونی رزین متصل می‌گردد. این گروه‌های عاملی به رزین تبادل یونی قابلیت جداسازی می‌دهند. و از یک نوع رزین به نوع دیگر متفاوت می‌باشند. رایج ترین ترکیبات عبارتند از:

• رزین ‌های تبادل کاتیونی اسید قوی Strong acid cation exchange (SAC):

  رزین‌های SAC از پلی استایرن با یک گروه عاملی سولفوناته (^–SO₃) تشکیل شده است. که برای نرم‌سازی با یون‌های سدیم (⁺Na) و برای نمک‌زدایی با یون‌های هیدروژن (⁺H) شارژ می‌شود.

• رزین‌ های تبادل کاتیونی اسید ضعیف Weak acid cation exchange (WAC):

  رزین های WAC از یک پلیمر اکریلیک تشکیل شده است که برای تشکیل گروه‌های عاملی کربوکسیلیک اسید، با اسید سولفوریک یا سود هیدرولیز شده است. به دلیل تمایل زیاد این رزین‌ها به یون‌‌های هیدروژن (⁺H) ، از رزین‌های WAC به طور معمول برای حذف انتخابی کاتیون‌های مرتبط با قلیاییت استفاده می‌شود.

• رزین های تبادل آنیونی باز قوی Strong base anion exchange (SBA):

  رزین‌های SBA به طور معمول از پلی استایرن تشکیل شده‌اند که برای اتصال آنیون‌ها به سایت‌های تبادل و تثبیت آن‌ها، تحت کلرومتیلاسیون و آمیناسیون قرار گرفته‌اند. رزین‌های SBA نوع 1، که یون کلرید (^–Cl) مبادله می‌کنند، با استفاده از تری متیل آمین تولید می‌شوند و رزین‌های SBA نوع 2، که یون هیدروکسید (^–OH) مبادله می‌کنند، با استفاده از دی متیل اتانول آمین تولید می‌شوند.

• رزین های تبادل آنیون باز ضعیف Weak base anion exchange (WBA):

  رزین‌های WBA معمولاً از پلی استایرن تشکیل شده‌اند که تحت کلرومتیلاسیون قرار گرفته و به دنبال آن آمیناسیون با دی متیل آمین انجام می‌شود. رزین‌های WBA از این جهت که یون‌های قابل تبادل ندارند، به عنوان جاذب اسید برای از بین بردن آنیون‌های مرتبط با اسیدهای معدنی قوی مانند ^–SO₄² و ^–Cl استفاده می‌شوند.

• رزین های کی‌لیت‌ساز (chelating) : 

  کی‌لیت نوعی پیوند بین یون‌ها و یون‌های فلزی می‌باشد. رزین‌های کی‌لیت‌ساز رایج‌ترین نوع رزین‌های خاص هستند و برای حذف انتخابی فلزات خاص و سایر مواد استفاده می‌شوند. در بیشتر موارد، این رزین‌ها از پلی استایرن تشکیل شده‌اند و مواد مختلفی از جمله تیول، تری اتیل آمونیوم و آمینوفسفونیک و بسیاری موارد دیگر به عنوان گروه‌های عاملی در ساختار این رزین استفاده می‌شوند.

کاربرد انواع رزین‌های تبادل یون:

• رزین های تبادل کاتیونی اسید قوی:

از رزین‌های SAC عمدتاً برای نرم کردن آب استفاده می‌شود و در حذف یون‌های مربوط به سختی آب مانند منیزیم (⁺Mg²) یا کلسیم (⁺Ca²) بسیار موثر می‌باشد. انواع خاصی از رزین‌های تبادل کاتیونی اسید قوی، برای حذف باریم و رادیوم از آب آشامیدنی استفاده می‌گردد. رزین‌های تبادل کاتیونی اسید قوی، توسط مواد اکسید‌کننده آسیب می‌بینند و توسط آهن یا منگنز دچار رسوب گرفتگی می‌شوند. بنابراین باید از قرار گرفتن رزین در معرض این مواد جلوگیری گردد.

• رزین های تبادل کاتیونی اسید ضعیف:

استفاده از رزین‌های تبادل WAC، برای کاربردهای نمک‌زدایی و قلیاییت‌زدایی می‌باشد. به دلیل تمایل زیاد آن‌ها برای جذب یون‌های کاتیونی دو ظرفیتی (⁺Ca² و ⁺Mg²)، این رزین‌ها گزینه مناسبی برای کاربردهای حذف یون‌های سختی مرتبط با قلیاییت می‌باشند. در مواردی که سختی آب بالا باشد، می‌توان از رزین WAC قبل از رزین SAC در یک فرآیند تبادل یونی دو مرحله‌ای استفاده کرد. علاوه بر این، تمایل رزین‌های WAC به مقاومت در برابر اکسیداسیون و دوام مکانیکی نسبتاً بالا، آن‌ها را به گزینه مناسبی برای تصفیه جریان‌های حاوی مواد اکسیدکننده مانند پراکسید هیدروژن و کلر تبدیل می‌کند.

• رزین های تبادل آنیونی باز قوی:

رزین‌های SBA به طور معمول در قلیاییت‌زدایی، از بین بردن مواد معدنی، نمک‌زدایی و همچنین حذف کل کربن آلی (TOC) یا سایر مواد آلی (بسته به نوع رزین) دارای کاربرد می‌باشند. از رزین‌های SBA نوع 1 برای حذف انتخابی نیترات (^–NO₃) ، سولفات (^–SO₄²)، پرکلرات (^–ClO₄) و حذف مواد معدنی استفاده می‌شود. از رزین‌های SBA نوع 2 برای کاربردهایی استفاده می‌شود که حذف کامل آنیون‎ها مورد نظر باشد.

• رزین‌های تبادل آنیونی باز ضعیف:

از رزین‌های WBA برای قلیاییت‌زدایی جزئی و کاربردهای جذب اسید شامل حذف کلرید، سولفات، نیترات و سایر آنیون‌های مرتبط با اسیدهای قوی استفاده می‌شود.

احیا رزین‌های تبادل یون:

با گذشت زمان، تمام سایت‌های تبادل موجود در رزین، از یون‌های آلاینده اشباع می‌شوند، بنابراین برای استفاده مجدد دانه‌های رزین باید احیا ‌گردد. در طی فرایند احیا، واکنش تبادل یون، با استفاده از یک محلول احیا کننده غلیظ، معکوس می‌گردد. بسته به نوع رزین و کاربرد آن، ماده احیا کننده ممکن است محلول نمک، اسید یا سود باشد که با استفاده از آن، رزین یون‌های آلاینده را آزاد می‌کند و آن‌ها را با یون‌های موجود در محلول احیا کننده تعویض می‌کند. یون‌های آلاینده از سیستم تبادل یون، به عنوان جریان پساب فرایند احیا، خارج شده و تخلیه می‌شوند.

قبل از احداث واحد صنعتی تبادل یون، توصیه می‌گردد که برای اطمینان از اصل بودن رزین‌های تبادل یون، پیش‌بینی طول عمر رزین‌ها و زمان احیا آن و در نتیجه پیش‌بینی و تخمین هزینه‌های فرایند، بررسی‌هایی در مقیاس آزمایشگاهی انجام گیرد.

همچنین در واحدهای تبادل یون بعد از گذشت مدت زمانی، طول زمان سیکل کارکرد ستون کاهش یافته و  عملیات احیا در فواصل زمانی کوتاه‌تری باید انجام گیرد. در برخی موارد استهلاک رزین‌ها منجر به ایجاد این مشکل می‌گردد که در این صورت ستون‌ها باید با رزین‌های جدید جایگزین گردند. ولی در اکثر موارد علت این رخداد، تشکیل فولینگ در ستون می‌باشد که با شستشوی مناسب قابل بازیابی می‌باشد. تشخیص این دو مورد و همچنین ارائه روش شستشوی مناسب برای رفع فولینگ توسط بررسی آزمایشگاهی مقدور می‌باشد.

شرکت پالا فرایند راستین با توان مهندسی و امکانات آزمایشگاهی خود، در خصوص بررسی عملکرد انواع رزین‌ها، انتخاب رزین مناسب و شرایط احیا رزین‌ها، خدمات زیر را ارائه می‌دهد:

• اندازه‌گیری توزیع سایز دانه‌های رزین طبق استاندارد ASTM
• انجام آزمایش سینتیکی و تعیین نقطه شکست بستر رزین و محاسبه ظرفیت تبادل سینتیکی آن برای انواع رزین‌های کاتیونی، آنیونی
• پیش‌بینی عمر بستر رزین در شرایط واحد صنعتی
• تعیین ظرفیت تبادل تعادلی رزین‌ها
• تعیین شرایط بهینه احیا و انجام تست عملکرد پس از عملیات احیا به منظور اثربخشی این عملیات

برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس حاصل بفرمایید.