نمک های مختلف با غلظت های متفاوت در آب حل می شوند. این نمک ها در آب به یون های باردار تشکیل دهنده شان تجزیه می شود. ذرات با بار مثبت کاتیون و ذرات با بار منفی آنیون نامیده می شود. حضور این ناخالص های یونی در آب به شدت بر کارکرد مطلوب سیستم های بخار اثر منفی می گذارد و اصولا برای تمام مصارف صنعتی نامطلوب است.
با بالا رفتن فشار سیستم بخار، نیاز به آب خالص تر نیز افزایش می یابد، به طوریکه در بویلرهای با فشار کارکرد بالاتر از 1000psig باید تقریبا کلیه نمک های محلول در آب قبلا گرفته شده باشد. عمده ترین اثرات منفی مواد ناخالص در آب بویلرها یا پروسس واحدها در تشدید ترسیب، خوردگی و فولینگ سیستم های مختلف ظاهر می شود.
تاریخچه رزین
در سال 1905 میلادی یک شیمی دان آلمانی به نام گانس مواد مصنوعی آلومینیوم سیلیکات را که به عنوان زیولیت شناخته می شدند، در نخستین سیستم تبادل یونی به کار گرفت. به زودی این مواد جایگزین مواد طبیعی که شن سبز نامیده می شد، گردید. این رزین اگرچه نسبت به شن سبز از ظرفیت تبادل کمتری برخوردار بود، لیکن به دلیل پایداری بیشتر در خواص فیزیکی آن برای صنایع مناسب تر بود و آنها را رزین های معدنی یا زیولیت نامیدند. این مواد یون های سختی آور آب ( کلسیم و منیزیم ) را حذف کرده و به جای آن یون سدیم آزاد می کردند. از این رو به زیولیت های سدیم مشهور شدند. این زیولیت ها سختی آب را کاهش داده و تقریبا به طور کامل بر TDS آب بی اثر بودند.
تحقیقات برای رفع عیوب زیولیت های سدیمی ادامه یافت تا آنکه در اواسط دهه 1930 در هلند زیولیت هایی که در مدار خود هیدروژن فعال داشتند، ساخته شد. این زیولیت ها که به تعویض کننده های مدار هیدروژن معروف شدند، تمام نمک های محلول در آب را به اسیدهای مربوطه تبدیل می کنند.
برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب گام های اساسی در سال 1944 برداشته شد. برای اولین بار رزین های تعویض یونی آنیونی ساخته شد. رزین های آنیونی تمام آنیون های آب از جمله سیلیس را حذف می کند و رزین های آنیونی تمام آنیون های آب از جمله سیلیس را حذف می نمایند. در نتیجه می توان با استفاده از هر دو نوع رزین، آب بدون یون تولید کرد. پیشرفت های بعد از دهه 1950 حاصل شد و منجر به اختراع و تولید رزین های تعویض یونی ضعیف گردید که صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث گردید.
شیمی رزین ها
رزین های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می باشد، به گونه ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. تعویض کننده ها با محلول های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون، متحرک و قابل تعویض است. به عنوان مثال یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکال های آنیونی SO32- می باشد که کاتیون های متحرکی مثل H+ یا Na+ به آن متصل هستند. این کاتیون های متحرک می توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند. به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون ها متحرکی مثل cl- یا oH- به آن متصل می باشد.
در اثر تعویض یون، کاتیون ها یا آنیون ها موجود در محلول با کاتیون ها و آنیون های موجود در رزین تعویض می شود، به گونه ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سر و کار داریم، بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد، باید دارای شرایط زیر باشد:
1- خود دارای یون باشد.
2- در آب غیر محلول باشد.
3- فضای کافی در شبکه تعویض یونی وجود داشته باشد، به طوریکه یون ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد یا از آن خارج شوند.