دستگاه تبادل یونی ، تعویض یونی یا سیستم رزینی به وسیله فرایند تبادل یونی عمل می نمایند به گونه ای که یون های رزین با یون های هدف که قرار است از آب حذف شوند جایگزین یا تبادل می شوند. کلیه دستگاه های رزین تبادل یونی پس از مدت مشخصی اشباع شده و به منظور بازگشت قابلیت تعویض یون می بایست احیا شوند. انواع دستگاه تعویض یونی مورد استفاده در تصفیه آب شامل سیستم رزینی کاتیونی ، سیستم رزینی آنیونی ، ستون آنیونی و کاتیونی به صورت سری و همچنین دستگاه میکس بد یا بستر مختلط ( رزین آنیونی و کاتیونی در یک ستون فیلتر ) می باشد.
تعریف فرایند تبادل یونی یا تعویض یونی
فرآیند تبادل یونی یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر بین یون های فاز مایع و یون های فاز جامد ( رزین تبادل یونی ) می باشد. یون های خاصی در داخل فاز مایع توسط مبدل یونی جامد یا رزین جذب می شوند و جهت برقراری حالت خنثی مبدل جامد نیز یون هایی را به داخل مایع آزاد کرده که جایگزین یون های جذب شده می شوند.
ساخت دستگاه تبادل یونی
فیلتر رزینی مانند سایر فیلتر های تحت فشار از جمله فیلتر شنی و فیلتر کربنی شامل یک مخزن استوانه ایستاده ساخته شده از ورق فولادی ، مواد پلی پروپیلن یا کامپوزیتی FRP است که درون آن رزین های تبادل یونی قرار دارند. ساخت فیلتر تعویض یونی در کارخانه شرکت شاران صنعت و با بالاترین کیفیت انجام می گیرد و سپس در محل پروژه نصب و راه اندازی می شود.
نحوه عملکرد دستگاه تبادل یونی
آب از بالای فیلتر وارد شده و پس از عبور از بستر رزین از پایین دستگاه خارج می گردد. به منظور ممانعت از خروج رزین ها در کف فیلتر مجموعه ای نازل قرار می گیرد که بر روی آن را یک بستر سیلیس یا آنتراسیت قرار دارد.
انواع فیلتر تبادل یونی
دستگاه تعویض یونی به سه دسته اصلی فیلتر رزینی آنیونی ، فیلتر رزینی کاتیونی یا سختی گیر و فیلتر رزینی میکس بد تقسیم می شوند.
دستگاه تبادل یونی با رزین کاتیونی – دستگاه سختی گیر
رزین کاتیونی رزینی است که یون های مثبت یا همان کاتیون ها را مبادله میکند. رزین های کاتیونی سدیمی یا سختی گیر ها که به منظور حذف سختی آب استفاده میشوند پر کاربردترین آن ها می باشد. در سختی گیر ها با استفاده از رزین های کاتیونی یون های کلسیم و منیزیم یعنی +Ca2 و +Mg2 که عامل سختی آب هستند از آب گرفته شده و با یون سدیم +Na جایگزین می‌شود و به این ترتیب سختی کاهش پیدا کرده اما تاثیر چندانی بر میزان کل املاح محلول در آب نخواهد داشت. رزین های کاتیونی شامل رزین کاتیونی باز قوی SAC و رزین کاتیونی باز ضعیف WAC هستند.
دستگاه تبادل یونی با رزین های کاتیونی قوی یا SAC یا Strong Acidic Cation : رزین های کاتیونی قوی بر پایه عامل یونی Sulfonate و تمامی کاتیون های موجود در آب را حذف می کنند.
دستگاه تبادل یونی با رزین های کاتیونی ضعیف یا WAC یا Weak Acidic Cation : کاتیون های اسید ضعیف بر پایه عامل یونی Carboxylate و فقط کاتیون هایی را که مربوط به قلیائیت آب و محصول سیستم اسید کربنیک می باشد را حذف می کنند. مزیت رزین های کاتیونی ضعیف راندمان زیاد آن ها در مقایسه با رزین های کاتیونی قوی می باشد که موجب می شود تا در فرایند احیا تولید پساب کمتری را داشته باشد.
دستگاه تبادل یونی با رزین آنیونی
یک رزین آنیونی یون های منفی را مانند سیلیس ، مواد آلی ، نیترات ، کلراید ، سولفات ، بی کربنات و کربنات مبادله و حذف می کند. رزین های آنیونی شامل رزین آنیونی باز قوی SBA و رزین آنیونی باز ضعیف WBA هستند.
دستگاه تبادل یونی با رزین های آنیونی قوی یا SBA یا Strong Basic Anion : بر پایه گروه عامل یونی quaternary amine می باشند. رزین های باز قوی بار مثبت خود را در محدوده وسیعی از PH حفظ می کنند.
دستگاه تبادل یونی با رزین های آنیونی ضعیف یا WBA یا Weak Basic Anion : بر پایه گروه عامل یونی tertiary amine رزین های آنیون باز ضعیف در سطوح بالای PH خنثی می شوند. این رزین ها مقاوم تر از رزین آنیونی قوی بوده و به همین دلیل کاربرد بیشتری در سیستم های تصفیه آب دارند.
دستگاه رزین آنیونی و کاتیونی
در مواقعی که نیاز به حذف هر دو گروه آنیون ها و کاتیون ها وجود دارد از رزین های آنیونی و کاتیونی به صورت همزمان استفاده می شود و آب از میان یک رزین حاوی +H ( که جایگزین تمام کاتیون ها می شود ) 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.
دستگاه رزین میکس بد
رزین میکس بد یا رزین بستر مختلط ترکیبی از رزین آنیونی و کاتیونی است که قابلیت حذف کلیه یون ها از آب را دارا می باشد. رزین میکس بد معمولا پس از سایر سیستم های تصفیه آب مانند دستگاه اسمز معکوس RO به منظور تولید آب فوق خالص مورد استفاده قرار می گیرد.
تاریخچه سیستم رزینی یا تعویض یونی
سنتز مواد تبادل یونی بر پایه ذغال و رزین های فنولی، برای فعالیت های صنعتی برای اولین بار در دهه ۱۹۳۰ میلادی معرفی شدند. اولین کارخانه تصفیه تعویض یونی با مقیاس کامل که از رزین های مصنوعی استفاده می کرد در سال ۱۹۴۶ به منظور نرم کردن آب ساخته شده است. چند سال بعد رزین هایی که از پلی استایرن با گروه های سولفانات تشکیل شده بودند برای ایجاد تبادلگر های کاتیونی یا گروه های آمین برای تشکیل تبادلگر های آنیونی ، توسعه یافتند.
کاربرد دستگاه تبادل یونی در تصفیه آب
دو کاربرد 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 محلول آب می باشد. مهمترین موارد استفاده سیستم تعویض یونی به شرح زیر است.
آب آشامیدنی
آب دیگ بخار و برج خنک کننده
کاربرد در سیستم اسمز معکوس و یا سیستم دیونیزه
آب با درجه خلوص بالا
رستوران ها و خشکشویی ها
حفاظت از عناصر انتقال حرارت و نازل اسپری
یون های قابل حذف توسط پکیج تبادل یونی
یون های کلسیم و منیزیم یا به عبارتی سختی آب
قلیائیت زدایی
حذف باریم و رادیم
حذف آرسنیک و اورانیوم
حذف نیترات NO-3 و ClO-4
پیش تصفیه دستگاه تعویض یونی
در صورتی که آب ورودی به سیستم رزینی دارای کدورت و مواد جامد معلق TSS بیش از حد مجاز باشد می بایست قبل از ورود به واحد رزینی تبادل یونی توسط روش هایی مانند فیلتر شنی ، فیلتر کربنی و روش انعقاد و لخته سازی این مواد را حذف نمود. همچنین در واحدهای بزرگ عموما آب با عبور از میان برج گاز زدا Degassing Tower کاتیون ها را آزاد می کند.
این عمل اکثر اسیدکربنیک را که به وسیله کربن دی اکسید و بیکربنات در آب ورودی تولید شده حذف می کند و بار واحد آنیونی را کاهش می دهد. بدون گاززدایی کربنیک اسید پس از تبدیل به کربنات ممکن است به وسیله بستر آنیونی جذب شود.
احیای دستگاه تبادل یونی – تعویض یونی – سیستم رزینی
در فواصل زمانی منظم ، رزین تمیز می شود. 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 می باشد. در طی بازسازی و احیای رزین ، مواد شیمیایی احیا کننده از میان رزین ها عبور می کنند و یون های منفی به دام افتاده و از بین می روند و ظرفیت رزین تبادل یونی احیا می گردد.
در سختی گیری آب ، احیا کننده یک محلول قوی از سدیم کلرید یا همان محلول نمک طعام می باشد. برای رزین های آنیونی ، احیای رزین معمولاً شامل تصفیه با یک حلال بازی قوی ، مانند هیدروکسید سدیم آبی ، می باشد. احیای سیستم های رزینی آنیونی-کاتیونی به وسیله محلول اسید و باز انجام می شود.
مزایای دستگاه تبادل یونی
مزایای فرآیند تبادل یونی عبارتند از :
هزینه های اجرایی بسیار پایین
نگهداری ارزان
انرژی مورد نیاز بسیار کم
ارزان بودن مواد شیمیایی احیا کننده رزین ها
در صورت نگهداری مناسب از بستر رزین ، نیاز به جایگزینی مداوم رزین نمی باشد.
سازگاری بسیار بالایی با محیط زیست دارد زیرا فقط با مواد و محتویات موجود در آب برخورد می کند.
معایب سیستم تبادل یونی
گرفتگی با کلسیم سولفات ، گرفتگی با آهن ، جذب مواد آلی ، آلودگی ارگانیک از رزین ، آلودگی باکتریایی ، آلودگی کلر نیز وجود دارد.
در بعضی از آب ها مانند آب حاوی مواد آلی یا یون +Fe3 می تواند باعث خرابی رزین شود.
قیمت فیلتر تعویض یونی
قیمت سیستم رزینی به عوامل زیر بستگی دارد :
کیفیت و برند رزین
نوع رزین تبادل یونی
دوره احیای در نظر گرفته شده