سیستم تبادل یونی

سیستم تبادل یونی چگونه کار میکند؟

 سیستم های تبادل یونی معمولا به دو دسته اصلی سختی گیرها و رزین های آنیونی و کاتیونی تقسیم می­شوند.

سختی گیر ها

در سختی گیر ها با استفاده از رزین های کاتیونی، یون های کلسیم و منیزیم از آب گرفته شده و با یون سدیم جایگزین می‌شود. این امر باعث می­شود تا میزان سختی آب که عمدتا ناشی از یونهای کلسیم و منیزیم می‌باشد کاهش پیدا کند اما تاثیر چندانی بر میزان کل املاح محلول در آب نخواهد داشت. رزینهای سیستم‌ سختی گیر معمولاً در بازه‌های مشخص زمانی اشباع شده و نیاز به احیا مجدد با استفاده از محلول نمک طعام را دارند.

 رزینهای آنیونی و کاتیونی

در مواقعی که نیاز به حذف هر دو گروه آنیون ها و کاتیون ها وجود دارد از رزینهای آنیونی و کاتیونی به صورت همزمان استفاده می­شود. احیای سیستم های رزینی آنیونی-کاتیونی به وسیله محلول اسید و باز انجام میشود.

برای آشنایی با محصولات و خدمات شرکت شاران صنعت در این زمینه می توانید با کارشناسان ما در شرکت تماس حاصل فرمایید. همچنین می توانید در صورت نیاز به اطلاعات بیشتر به ادامه مطلب مراجعه نمایید.

 

 

 

 

 

فهرست

۱ تبادل یونی ۱
۲ رزین های تبادل یونی ۱
۲-۱ رزین های کاتیونی ۲
۲-۲ رزین های آنیونی ۴
۳ مواد مورد استفاده در تهیه رزین ها ۴
۴ کاربرد روش تبادل یونی در تصفیه آب ۵
۵ مزایا و معایب روش تبادل یونی ۶

۱- تبادل یونی

فرآیند تبادل یونی، یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر بین یون های فاز مایع و یون های فاز جامد (رزین تبادل یونی) می­باشد. یون های خاصی در داخل فاز مایع، ترجیحاً توسط مبدل یونی جامد (مبدل یونی معمولاً یک رزین است) جذب می شوند و به دلیل اینکه حالت خنثی برقرار گردد، مبدل جامد نیز یون هایی را به داخل مایع آزاد کرده که جایگزین یون های جذب شده می شوند.  

۲- رزین های تبادل یونی

مواد تبادل یونی، مواد جامد نامحلول هستند که دارای یون های آزاد می­باشند و می­توانند با یون های دیگر در محلولهایی که با آنها در تماس قرار می­گیرند، مبادله شوند. این تبادلات در سیستم های مختلف طبیعی مانند خاک و سلول های زنده نیز دیده می­شود و بدون هیچ گونه تغییر فیزیکی در مواد تبادلگر یونی انجام می­شود. تبادلگرهای یونی، اسید و بازهای نامحلول دارای نمک های نامحلول هستند که این امر آنها را قادر می سازد تا هم یون های بار مثبت (مبدلهای کاتیونی) و هم یون های بار منفی (مبدلهای آنیونی) را تبادل کنند. رزین تبادل یونی، یک ماده مهره مانند است که یون ها را از آب حذف می­کند. رزین های تبادل یون مصنوعی از یک رزین تبادل یون ساخته شده است که به طور معمول با پلیمرهای شاخه دار که دارای گروه های عاملی قابل تعویض می باشند، تولید می­شود. رزین های تبادل یونی، یون ها را در یک جهت انتخابی، بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی رزین و یون، تبادل می­کنند.

دو نوع کلی از رزین ها وجود دارد. رزین هایی که یون های مثبت را مبادله می کنند رزین های کاتیونی و آنهایی که یون های منفی را مبادله می کنند، رزین های آنیونی نامیده می شوند.

۲-۱- رزین های کاتیونی

کاتیون، یک یون با بار مثبت می­باشد. کاتیون های رایج در آب شامل +Mg2 و +Ca2  و +H می­باشند. رزین کاتیونی، رزینی است که یون های مثبت را مبادله می­کند. پر کاربرد ترین نوع رزین ها در صنعت آب و فاضلاب، رزین های کاتیونی سدیمی می­باشند که به منظور حذف سختی آب استفاده میشوند. کاتیون اسید قوی (SAC) و کاتیون اسید ضعیف (WAC) دو نوع کلی از رزین ها هستند که میتوانند کاتیون ها را مبادله کنند. رزین های کاتیونی قوی، تمامی کاتیون های موجود در آب را حذف می کنند، اما کاتیون های اسید ضعیف تنها کاتیون هایی را که مربوط به قلیائیت آب و محصول سیستم اسید کربنیک می­باشد را حذف میکنند.

در سیستم سختی گیر و استفاده از کاتیون سدیم، واکنش زیر انجام می شود.

ترتیب انتخاب کاتیون ها برای جذب به وسیله رزین کاتیونی قوی به صورت زیر می باشد.

آب با استفاده از یک رزین با کاتیون های +Na، که یون های +Ca2 و +Mg2 را بسیار قوی تر از یون +Na نگه می دارد، نرم می شود. در حالی که آب از میان رزین عبور می کند، رزین یون های +Ca2 و +Mg2 را جذب می کند و یون +Na را آزاد می کند. در صورتی که آب نیاز به حذف مواد معدنی داشته باشد، از میان یک رزین حاوی +H (که جایگزین تمام کاتیون ها می شود) عبور می کند و سپس از میان یک رزین ثانویه که حاوی OH (که جایگزین تمام آنیون ها می شود) عبور می کند. سپس یون های +H و OH با یکدیگر واکنش می دهند تا آب بیشتری به دست آید.

در سختی گیری آب، یک رزین کاتیونی به فرم سدیم برای حذف یون های فلزی سخت (کلسیم و منیزیم) همراه با اثرات مضر آهن و منگنز که اغلب وجود دارد، استفاده می­شود. این یون ها، با مقدار معادل سدیم جایگزین می­شوند. بنابراین مقدار کل جامدات محلول در آب همانند میزان pH و محتوای آنیونی، بدون تغییر باقی می­ماند. در فواصل زمانی منظم، رزین تمیز می­شود. این عمل شامل برگشت آب ورودی از طریق رزین برای حذف جامدات معلق، عبور یک محلول احیای رزین جهت جایگزینی یون هایی که رزین را پر کرده اند، و سپس شستشو با آب برای حذف محلول احیا کننده رزین می­باشد. در سختی گیری آب، احیا کننده یک محلول قوی از سدیم کلرید می باشد.

۲-۲- رزین های آنیونی

آنیون، یک یون با بار منفی است. آنیون های رایج در آب شامل Cl ، SO42 و OH می باشند. یک رزین آنیونی یون های منفی را مبادله می کند. رزین های آنیونی شامل رزین  آنیون باز قوی (SBA) و رزین آنیون باز ضعیف (WBA) هستند که معمولاً برای حذف آنیون هایی مانند نیترات و کلر استفاده می شوند. رزین های باز قوی، بار مثبت خود را در محدوده وسیعی از PH حفظ می کنند، در حالی که رزین های آنیون باز ضعیف، در سطوح بالای PH خنثی می شوند. برای رزین های آنیونی، احیای رزین معمولاً شامل تصفیه با یک حلال بازی قوی، مانند هیدروکسید سدیم آبی، می­باشد. در طی بازسازی و احیای رزین، مواد شیمیایی احیا کننده از میان رزین ها عبور می­کنند و یون های منفی به دام افتاده و از بین می روند و ظرفیت رزین تبادل یونی احیا می گردد.

۳- مواد مورد استفاده در تهیه رزین ها

سنتز مواد تبادل یونی بر پایه ذغال و رزین های فنولی، برای فعالیت های صنعتی برای اولین بار در دهه ۱۹۳۰ میلادی معرفی شدند. چند سال بعد، رزین هایی که از پلی استایرن با گروه های سولفانات تشکیل شده بودند، برای ایجاد تبادلگرهای کاتیونی یا گروه های آمین برای تشکیل تبادلگرهای آنیونی، توسعه یافتند. این دو نوع رزین ها، امروزه پرمصرف ترین رزین های معمول هستند. رزین های مصنوعی عمدتاً برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می­گیرند، همچنین کاربردهای دیگری از جمله جداکردن برخی عناصر، نیز دارا می باشند.  

۴- کاربرد روش تبادل یونی در تصفیه آب

فرآیند تبادل یونی به طور عمده در نرم سازی آب، حذف مواد معدنی، نمک زدایی و حذف نیترات از آب کاربرد دارد. همچنین روش تبادل یونی، یک روش جداسازی در بسیاری از فرآیندهای غیر آبی را فراهم می آورد. روش تبادل یونی یک ابزار ویژه در سنتز شیمیایی، تحقیقات پزشکی، صنایع غذایی، معدن، کشاورزی و سایر زمینه ها می باشد. مزیت روش تبادل یونی، راحتی استفاده و استفاده مجدد از مواد تبادل یونی می­باشد.

جهت تبادل یون، به جاذب های انتخابی رزین تبادل یونی برای یون های خاص موجود و غلظت یون ها در محلول، بستگی دارد. هم تبادل آنیونی و هم تبادل کاتیونی برای حذف سختی و یا آلاینده ها به کار برده می­شوند. اولین کارخانه تصفیه تبادل یونی با مقیاس کامل که از رزین های مصنوعی استفاده می کرد، در سال ۱۹۴۶ به منظور نرم کردن آب ساخته شده است.

در تصفیه آب، معمولاً هدف نرم سازی آب و یا حذف کامل تمامی مواد معدنی می باشد. رزین ها بیش از هر هدف دیگری، برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می­گیرند. واحد تبادل یونی صنعتی، در اندازه های مختلف، از چند لیتر تا محفظه هایی حاوی چندین تن رزین، ساخته می­شوند. دو نوع اصلی تصفیه آب در این روش عبارتند از نرم کردن آب (جایگزین کردن یون های سخت مانند Ca2+ و Mg2+ با Na+) و حذف کامل مواد معدنی حل شده.

تقریباً تمامی مواد محلول در آب طبیعی به حالت یون های باردار هستند. دیونیزاسیون کامل را می­توان با استفاده از دو رزین به دست آورد. ابتدا آب از میان یک بستر رزین تبادل کاتیونی که در فرم یون هیدروژن است و با استفاده از یک احیا کننده اسید قوی (هیدرو کلریک اسید یا سولفوریک اسید) به وجود می­آید، عبور می­کند. در طول فرآیند، در حالی که یون های هیدروژن آزاد می شوند، کاتیون های موجود در آب به وسیله رزین گرفته می شود. بنابراین، خروجی از مخلوط بسیار ضعیف اسیدها تشکیل شده است. حال آب از میان محفظه دوم که شامل رزین تبادل آنیونی در فرم هیدروکسید می باشد (برای احیای آن سدیم هیدروکسید به عنوان احیا کننده استفاده می شود) عبور می­کند. در اینجا آنیون ها در مقابل یون های هیدروکسید، مبادله می­شوند و با یون های هیدروژن برای تشکیل آب واکنش می­دهند. چنین واحدهای بستر دوقلو، کل مواد جامد را در حدود ۲-۱ میلی گرم در لیتر کاهش می دهند.

در واحدهای بزرگ، معمولاً آب با عبور از میان برج بدون گاز (Degassing Tower) کاتیون ها را آزاد می­کند. این عمل اکثر اسیدکربنیک را که به وسیله کربن دی اکسید و بیکربنات در آب ورودی تولید شده، حذف می­کند و بار واحد آنیونی کاهش می­دهد. بدون گاززدایی، کربنیک اسید پس از تبدیل به کربنات ممکن است به وسیله بستر آنیونی جذب شود.

۵- مزایا و معایب روش تبادل یونی

یکی از معایب سیستم این است که در بعضی از آب ها (مانند آب حاوی مواد آلی یا یون +Fe3) می­تواند باعث خرابی رزین شود، اما به طور کلی مزایای فرآیند تبادل یونی (عمر طولانی رزین، نگهداری ارزان و غیره) از معایب آن بیشتر است. به علاوه این فرآیند سازگاری بسیار بالایی با محیط زیست دارد زیرا فقط با مواد و محتویات موجود در آب برخورد می­کند.

مزایای فرآیند تبادل یونی عبارتند از هزینه های اجرایی بسیار پایین، انرژی مورد نیاز بسیار کم، ارزان بودن مواد شیمیایی احیا کننده رزین ها و در صورت نگهداری مناسب از بستر رزین، نیاز به جایگزینی مداوم رزین نمی­باشد. با این حال، محدودیت هایی مثل گرفتگی با کلسیم سولفات، گرفتگی با آهن، جذب مواد آلی، آلودگی ارگانیک از رزین، آلودگی باکتریایی، آلودگی کلر نیز وجود دارد که باید در طول مراحل طراحی به دقت مورد توجه قرار گیرند.

مزایای سیستم تبادل یونی ذکر شده بسیار زیاد هستند و به راحتی محدودیت های این روش را جبران می کنند و در نتیجه سیستم تبادل یونی از لحاظ اقتصادی و استفاده بسیار مقرون به صرفه می باشد.

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *