رزین تبادل یونی چیست؟

رزین های تبادل یونی، پلیمرهایی غیر محلول هستند که قادرند یون های موجود در آب که از رزین عبور می کنند را با یون های خاص موجود در پلیمر، مبادله کنند. این در حالی رخ می دهد که هیچگونه تغییر فیزیکی در رزین تبادل یونی ایجاد نمی شود. مواد طبیعی زیادی نظیر پروتئین ها، سلولز، سلول های زنده یا ترکیبات خاک نیز چنین ویژگی دارند. 
 رزین های تبادل یونی ترکیبات خطرناک موجود در مایعات (آب) را جدا و با یون های مفید دلخواه جایگزین می کنند. یون ها، اتم ها یا مولکول هایی هستند که تعداد کل الکترون های آنها با تعداد کل پروتون های آنها برابر نیست و به دو گروه متفاوت کاتیون های دارای بار مثبت و آنیون های دارای بار منفی تقسیم بندی می شوند. درمبادله کاتیون ها در حین تصفیه آب، یونهای دارای بار مثبت که با رزین تبادل یونی تماس پیدا می کنند با یون های بار مثبت موجود در سطح رزین (معمولاًسدیم) مبادله می شوند و در فرآیند تبادل آنیونی، یون های با بار منفی با یون های با بار منفی روی سطح رزین (معمولا کلرید) مبادله می شوند. آلودگی های مختلف از جمله نیترات، فلوراید، سولفات و آرسنیک همه می توانند با تبادل آنیونی از بین بروند.
فرایند تبادل یونی در تصفیه آب کاربرد دارد که می توان به نرم کردن آب، حذف مواد معدنی در صنایع، تولید آب فوق خالص و تصفیه فاضلاب اشاره کرد. همچنین رزین های تبادل یونی کاربردهای ویژه ای در سنتز مواد شیمیایی، فراوری مواد غذایی، معدن، تولید برق، کشاورزی و انواع صنایع  دارند. 

تاریخچه استفاده از رزین های تبادل یونی

پدیده تبادل یونی برای اولین بار در سال 1850 توسط دو انگلیسی به نام های Thompson و Way کشف شد. آن ها مشاهده کردند که هنگامی که محلول کود حاوی آمونیوم از ستون خاک عبور کرد، آمونیوم موجود در محلول با کلسیم خاک جایگزین شد. تبادل یونی تا سال  1905 کاربرد صنعتی نداشت. در این سال یک شیمیدان آلمانی به نام Gans از یک ماده تبادل کاتیونی آلومینوسیلیکاتی به نام زئولیت در سیستم های نرم کننده های آب استفاده کرد. سیستم نرم کننده ی آب Gans یون های سدیم موجود در زئولیت را با یون های کلسیم و منیزیم موجود در آب تعویض میکرد و بدین ترتیب سختی آب از بین میرفت. بعدها یک زئولیت طبیعی به نام گرینسند (Greensand) جایگزین آلومیناسیلیکات سنتزی در سیستم های نرم کننده آب شد. گرینسند قدرت فیزیکی بیشتری داشت، به همین دلیل برای کاربردهای صنعتی مناسب تر بود. 
در سال 1944 رزین تبادل کاتیونی قوی (SAC) با کوپلیمریزاسیون استایرن و دی وینیل بنزن تولید شد. این کوپلیمر استایرن-دی وینیل بنزن (S-DVB) بسیار پایدار بود و در مقایسه با گرینسند ظرفیت بیشتری برای تبادل یونی داشت. رزین تبادل آنیونی استایرن-دی وینیل بنزن (SBA) در سال 1948 تولید و توسعه یافت. این رزین قادر بود که تمامی آنیون ها شامل سیلیس و کربن دی اکسید موجود در آب را از بین ببرد. از سال 1948 به بعد تغییرات زیادی در ساختار کوپلیمر رزین های تبادل یونی SAC و SBA استایرن دی وینیل بنزن ایجاد شده است. این تغییرات برای افزایش طول عمر رزین ها و تامین نیاز های خاص صنعتی انجام گردیده است.

انواع رزین های تبادل یونی

رزین های تبادل یونی را بر اساس بار می توان به دو دسته اصلی و بر اساس قدرت می توان به چهار دسته تقسیم بندی کرد. رزین های تبادل کاتیونی دارای یون های مثبت در دسترس هستند، در حالی که رزین های آنیونی  برای تبادل آنیون ها به کار برده می شوند. لازم به ذکر است که هر دو رزین های آنیونی و کاتیونی از یک پلیمر آلی یکسان تولید می شوند و تفاوت آنها در گروه یونیزه شده متصل به شبکه هیدوکربن می باشد و این گروه عاملی است که رفتار شیمیایی رزین را تعیین می کند. چهار دسته رزین های تبادل یونی عبارتند از:
 رزین های تبادل کاتیونی اسیدی قوی
 رزین های تبادل کاتیونی اسیدی ضعیف
 رزین های تبادل آنیونی بازی قوی
 رزین های تبادل آنیونی بازی ضعیف

رزین های تبادل کاتیونی اسیدی قوی (Strong Aacid Cation (SAC) Exchange Resins)

علت نامگذاری رزین های کاتیونی اسیدی قوی این است که رفتار شیمیایی این رزین ها مشابه اسیدهای قوی می باشد. این رزین ها در هر دو صورت اسید (R-SO3H) و نمک (R-SO3Na) ازگروه اسیدسولفونیک بسیار یونیزه می شوند. آنها می توانند نمک فلزی را از طریق واکنش به اسید مربوطه تبدیل کنند:

2(R-SO3H)+ NiCl2→(R-SO4)Ni+2HCl

رزین های اسیدی قوی در فرم هیدروژن و سدیم به سادگی جدا می شوند و سدیم و هیدروژن به راحتی در کل دامنه pH قابل تعویض هستند؛ درنتیجه ظرفیت تبادل رزین های اسیدی قوی مستقل از  pH محلول می باشد. برای یونیزاسیون کامل از رزین های با فرم هیدروژن باید استفاده شود؛ درحالی که برای نرم کردن آب (حذف کلسیم و منیزیم) فرم سدیم این رزین ها کفایت می کند. پس از اشباع رزین، رزین با اسید قوی احیا می شود و به فرم هیدروژنی برمی گردد؛ رزین های در فرم سدیم نیز به محلول سدیم کلرید برای احیا نیاز دارند. 
رزین های تبادل کاتیونی از جمله پرکاربردترین رزین ها می باشند و نرم کردن آب مرسوم ترین کاربرد آنها است. امروزه انواع خاصی از رزین های کاتیونی طراحی و توسعه یافته اند که قادرند باریم و رادیوم را از آب های آشامیدنی یا سایر منابع آبی حذف کنند. رزین های SAC می توانند توسط مواد اکسید کننده آسیب ببینند یا توسط آهن یا منگنز دچار گرفتگی شوند؛ بنابراین باید از قرارگیری رزین در معرض چنین موادی جلوگیری به عمل آید.

رزین های تبادل کاتیونی اسیدی ضعیف (Weak Acid Cation (WAC) Exchange Resins)

در رزین های اسیدی ضعیف، گروه قابل یونیزه یک اسید کربوکسیلیک (COOH) می باشد. این گروه کربوکسیلیک اسید جایگزین گروه سولفونیک اسید در رزین های اسیدی قوی است. رزین های تبادل کاتیونی اسیدی ضعیف مشابه اسیدهای ضعیف رفتار می کنند و ضعیف جدا می شوند. درجه تفکیک یک رزین اسیدی ضعیف به شدت تحت تأثیر pH محلول است؛ در نتیجه، ظرفیت رزین به pH محلول بستگی دارد. یک رزین اسیدی ضعیف معمولی در زیر pH=6 ظرفیت محدودی دارد که آن را برای یونیزاسیون پساب فلزی اسیدی نامناسب می کند.
رزین های اسیدی ضعیف عموما برای قلیاییت زدایی و معدنی زدایی مورد استفاده قرار می گیرند. تمایل بالای این رزین ها به یون های دوظرفیتی (مانند +Ca2 و +Mg2) آنها را به گزینه ای مناسب برای حذف یون های سختی که مرتبط با قلیاییت هستند، تبدیل می کند. هنگامی که سختی موقت آب بالا باشد، در یک فرایند تبادل یونی دو مرحله ای، از رزین های کاتیونی ضعیف پیش از رزین های کاتیونی قوی می توان استفاده کرد. همچنین رزین های WAC پایداری مکانیکی و مقاومت اکسیداسیونی نسبتا بالاتری دارند؛ به همین دلیل گزینه مناسب تری برای آب هایی که دارای اکسید کننده نظیر پراکسید هیدروژن و کلر هستند، می باشند.

رزین های تبادل آنیونی بازی قوی (Strong Base Anion (SBA) Exchange Resins)

همانند رزین های اسیدی قوی، رزین های بازی قوی نیز بسیار یونیزه هستند و در کل محدوده pH می توانند مورد استفاده قرار گیرند. این رزین ها در فرم هیدروکسید (OH) برای یون زدایی آب استفاده می شوند. آنها با آنیون های موجود در محلول واکنش می دهند و می توانند محلول اسیدی را به آب خالص تبدیل کنند؛ رزین آنیونی بازی قوی را می توان با سدیم هیدروکسید (NaOH) احیا کرد و به فرم هیدروکسید درآورد.

R-NH3OH+HCl →R-NH3Cl+HOH

رزین های آنیونی بازی قوی در انواع مختلفی نظیر نوع 1، نوع 2 و اکریلیک یا ماکروپروس (macroporous) موجود هستند که هرکدام از آن ها دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که باید متناسب با کاربرد مورد نیاز انتخاب شوند. از رزین های آنیونی بازی قوی به طور معمول برای معدنی زدایی، قلیاییت زدایی، سیلیس زدایی و همچنین برای حذف کل کربن آلی (TOC) یا دیگر ترکیبات آلی استفاده می شود. برای نمونه رزین های SBA نوع 1 در حذف نیترات (^-NO3)، سولفات (^-SO4) و پرکلرات (^-ClO4)، معدنی زدایی کلی و حذف سیلیس کاربرد دارند؛ درحالی که رزین SBA نوع 2 در مواردی استفاده می شود که حذف کل آنیون ها مورد نیاز باشد، استفاده کم از مواد خورنده ترجیح داده شود و مقدار سیلیس در فرایندهای عملیاتی حیاتی نباشد.

رزین های تبادل آنیونی بازی ضعیف(Weak Base Anion (WBA) Exchange Resins)

رزین های بازی ضعیف از این جهت که درجه یونیزاسیون آنها به شدت تحت تاثیر pH است، مشابه رزین های اسیدی ضعیف می باشند؛ بنابراین رزین های بازی ضعیف در pH بیشتر از 7 ظرفیت تبادل کمی را از خود نشان می دهند. لازم به ذکر است که رزین های بازی ضعیف برخلاف رزین های بازی قوی، فرم هیدروکسید ندارند. این گونه رزین ها تنها اسیدهای قوی را جذب می کنند و قادر به شکستن نمک ها نیستند. بنابراین احیای آنها فقط برای خنثی سازی اسید جذب شده است و نیازی به یون های هیدروکسید ندارد. از شناساگرهای بازی ضعیف مانند آمونیوم (NH3) یا سدیم کربنات (Na2CO3) می توان برای احیا استفاده کرد.

R-NH2+HCl →R-NH3Cl

رزین های آنیونی بازی ضعیف تنها نوع از رزین های تبادل یونی هستند که یون های قابل تعویض ندارند. این رزین ها دارای گروه عملکردی آمین هستند و اسیدیته معدنی آزاد (Free Mineral Acidity) مانند کلر و سولفات را جذب می کنند. رزین های WBA در معدنی زدایی جزیی کاربرد دارند. در واحد های بزرگ ممکن است برای از معدنی زدایی کامل همراه با رزین های SBA مورد استفاده قرار گیرند. همچنین رزین های WBA برای جذب اسیدهای قوی به کار برده می شوند و در حذف اسیدهای ضعیف مانند سیلیس و کربن دی اکسید خیلی موثر نمی باشند.

ویژگی های فیزیکی رزین های تبادل یونی

رزین های تبادل یونی مرسوم از یک ماتریس پلیمری کراس لینک شده با توزیع یکنواخت سایت های فعال یونی تشکیل شده اند. رزین های تبادل یونی عموما به صورت کروی یا گرانوله و با ابعاد مشخص در حدود 0.3 تا 1.2 میلی متر به فروش می رسند. رزین های تبادل یونی در حالت خیس متورم وزن مخصوصی در حدود 1.1 تا 1.5 دارند. به طور کلی چگالی حجمی (Bulk Density) برای رزین های خیس در حدود 560 تا 960 گرم بر لیتر می باشد و هنگامی که رزین در ستون نصب می شود، دارای  35 تا 40 درصد فضای خالی برای محصولات کروی می باشد.

رزین های تبادل یونی چگونه عمل می کنند؟

رزین های تبادل یونی به صورت دانه های کروی به قطر 0.5 تا 1 میلیمتر تهیه می شوند. این دانه ها حتی در زیر میکروسکوپ نیز جامد به نظر می رسند، اما در مقیاس مولکولی مطابق شکل 1 ساختار آنها کاملا باز است. بدین ترتیب هنگامی که یک محلول از بستر رزین عبور می کند، می تواند در تماس نزدیک با محل های تبادل یونی قرار گیرد.

شکل 1-  نمای گسترده از یک دانه رزین پلی استایرنی

تمایل رزین های سولفونیک اسید به کاتیون های مختلف به اندازه یونی و بار یونی کاتیون بستگی دارد. به طور کلی تمایل به یون های بزرگتر و با ظرفیت بالاتر، بیشتر است. برای محلول های رقیق ترتیب تمایل برای تعدادی از کاتیون های مرسوم به صورت زیر است: 

⁺Hg²⁺ <Li⁺ <H⁺ <Na⁺ < K⁺ ≈ NH₄⁺ < Cd²⁺ < Cs⁺ < Ag⁺ < Mn²⁺ < Mg²⁺< Zn²⁺ < Cu²⁺ < Ni²⁺ < Co²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Pb²⁺ < Al³⁺ < Fe³

ترتیب تمایل به آنیون های مختلف برای رزین های تبادل آنیونی بر پایه آمین نیز مطابق زیر می باشد:

^-OH^- ≈ F^- < HCO₃^- < Cl^- < Br^- < NO₃^- < HSO₄^- < PO₄^3- < CrO₄^2- < SO₄²

فرض کنید یک رزین به یون B نسبت به یون A تمایل بیشتری دارد. حال اگر رزین حاوی یون A باشد و یون B در آب عبوری از آن حل شود، تبادل زیر صورت می گیرد و واکنش به سمت راست انجام می شود  (R نشاندهنده رزین است). بنابراین هنگامی که ظرفیت تبادل رزین به اشباع نزدیک شود، رزین بیشتر به صورت BR خواهد بود.

AR + B^n±⇆ BR + A^n±

نکته مهم هنگام استفاده از رزین های تبادل یونی، قابلیت استفاده مجدد و بازیابی آنها است. همان طور که در رابطه زیر نمایش داده شده است، Q ضریب تعادل است و یک مشخصه ثابت برای جفت یون ها و نوع رزین می باشد.این عبارت نشان می دهد که اگر یک محلول غلیظ حاوی یون A از بستر اشباع شده BR عبور داده شود، رزین دوباره به فرم AR درآمده و آماده برای استفاده مجدد می شود و یون B در آب شسته می شود. همه کاربردهای رزین های تبادل یونی در مقیاس بزرگ شامل چنین چرخه های اشباع و احیای مجدد هستند.

مزایای استفاده از رزین های تبادل یونی

استفاده از رزین های تبادل یونی محاسن زیادی دارد که از جمله ی آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• پایین بودن هزینه های جاری استفاده از رزین
• مصرف انرژی خیلی کم
• ارزان بودن مواد موردنیاز برای احیا و بازیابی رزین های تبادل یونی
• دوام و طول عمر بالای رزین های تبادل یونی در صورت نگهداری درست 

ظرفیت رزین های تبادل یونی

ظرفیت تبادل یونی یک رزین می تواند به طرق مختلف بیان شود. ظرفیت کل رزین تبادل یونی برابر با کل تعداد محل های مبادله موجود در سطح رزین است و این ظرفیت بر اساس وزن خشک، وزن مرطوب یا حجم مرطوب قابل محاسبه است. میزان آبی که توسط رزین جذب می شود و درنتیجه ظرفیت وزن مرطوب و حجم مرطوب آن به ماهیت پلیمر مورد استفاده و محیطی که رزین در آن قرار گرفته است، بستگی دارد. تغییرات در ظرفیت های وزن خشک و حجم مرطوب با میزان اتصال متقابل (درصد دیوینیل بنزن)  برای یک رزین سولفونیک در نمودار زیر نمایش داده شده است.

ظرفیت عملیاتی، اندازه گیری عملکرد مفیدی است که توسط رزین تبادل یونی بدست می آید وقتی که در یک ستون تحت شرایط تعیین شده کار می کند. این ظرفیت به فاکتورهای مختلفی نظیر ظرفیت ذاتی یا همان ظرفیت کل رزین، سطح احیا رزین، ترکیبات موجود در محلول تصفیه شده، نرخ جریان عبوری از ستون، دما، اندازه ذرات و توزیع آنها بستگی دارد. در شکل زیر مثالی از نرم کردن آب با رزین استاندارد سولفونیک در چندین سطح احیا نمایش داده شده است.

تورم رزین های تبادل یونی

هنگامی که رزین تبادل یونی در داخل آب قرار می گیرد، دانه های رزین شروع به تورم می کنند. درجه تورم رزین به درجه کراس لینک (ِDegree of Crosslinking) پلیمر بستگی دارد. رزین با کراس لینک بیشتر، مقاومت مکانیکی بیشتری در مقایسه با رزین با کراس لینک کمتر دارد و درنتیجه تمایلش به متورم شدن نیز کمتر می باشد.
میزان تورم رزین تحت تاثیر یون های جذب شده توسط رزین و قطر هیدراته (Hydrated Diameter) آنها نیز می باشد، به طوری که هرچه یون ها هیدراته تر باشند، تورم رزین نیز بیشتر می شود. درجه تورم رزین بسیار مهم است و حتما باید در طراحی ستون های تبادل یونی لحاظ شود، برای مثال ممکن است در هنگام احیای رزین تا 50 درصد رزین متورم شود.

احیای رزین های تبادل یونی

احیا یا بازیابی رزین های تبادل یونی فرایندی است که در آن یون هایی که در طول فرایند تصفیه بر دانه های رزین قرار گرفته اند و باعث اشباع دانه های رزین شده اند، جدا می شوند و رزین مجددا آماده برای استفاده می شود. به طور کلی رزین های تبادل یونی مورد استفاده در صنایع هر  12 تا 48 ساعت احیا می شوند. انجام فرایند احیا بسیار مهم است زیرا کاهش سطح احیا باعث کاهش کیفیت آب می شود.
یک سیستم تبادل یونی از یک بستر شامل دانه های رزین تشکیل می شود که این توانایی را دارد که سختی یا دیگر عناصر را از طریق تبادل یونی از آب جدا کند. دانه های رزین را پس از اشباع می توان با محلول با غلظت بالای نمک (10 درصد) یا سایر مواد شیمیایی احیا کرد تا ظرفیت رزین دوباره برگردانده شود و بتواند دوباره و دوباره مورد استفاده قرار گیرد. احیای بستر یک رزین تبادل یونی شامل چندین مرحله زیر است:
• شستشوی معکوس
• تزریق مواد شیمیایی
• شستشوی آرام
• شستشوی سریع

اولین قدم در احیای رزین های تبادل یونی، شستشوی معکوس می باشد، در این مرحله آب به سمت عقب و از پایین به بستر رزین وارد می شود، بدین ترتیب بستر بلند می شود و تمامی کثیفی ها، آشغال های باقی مانده و سایر مواد نامحلول بیرون می ریزد. این کار همچنین به از بین بردن حباب های هوای موجود در رزین کمک می کند و باعث طبقه بندی مجدد رزین می گردد. انجام بکواش برای به حداقل رساندن افت فشار و اطمینان یافتن از جریان یکنواخت در بستر ضروری است. انجام منظم شستشوی معکوس تنها در سیستم های با جریان هم جهت الزامی است و در سیستم های با جریان خلاف جهت فقط در صورت نیاز شستشوی معکوس انجام می شود. 
در مرحله ی بعد، بستر ته نشین شده با محلول آب نمک یا سایر مواد احیا کننده، احیا می شود. در این مرحله سختی یا دیگر یون ها از بین می روند و رزین به فرم اولیه خود برگردانده و آماده برای شروع یک چرخه جدید می شود.
پس از احیا، مرحله شستشوی آرام انجام می گیرد تا مواد احیا کننده به آرامی از بستر رزین خارج شوند. مرحله ی آخر مرحله شستشو سریع است که با استفاده از آب خام انجام می گردد تا از کیفیت آب پس از احیا اطمینان حاصل شود. در سیستم های با جریان خلاف جهت می توان یک مرحله بازیافت (Recycle Step) به جای شستشوی سریع قرار داد. بازیافت بین رزین کاتیونی و رزین آنیونی می تواند تمامی مواد شیمیایی احیا کننده باقی مانده را از بین ببرد.
پس از شستشو، رزین دوباره به فعالیت برمی گردد. کل زمان مورد نیاز برای احیای رزین کمتر از 2 ساعت و کل آب مصرفی مورد نیاز تقریبا  7 برابر حجم رزین می باشد. برای نمونه برای بستر 15 لیتری، 105 لیتر آب مورد نیاز است. در نهایت فاضلاب تولید شده از احیای رزین تخلیه می شود. نکته مهم و قابل توجه این است که هنگامی که یک سیستم رزینی احیا می شود، تنها 60 تا 80 درصد از کل ظرفیت تبادل یونی رزین بازگردانده می شود و همواره مقداری از سختی و یون های عناصر مختلف در رزین باقی می مانند؛ سپس در هنگام استفاده ی مجدد از رزین، برخی از این ترکیبات باقی مانده از رزین جدا و به پساب وارد می شوند که به این پدیده "نشت" می گویند.

انواع عملیات تبادل یونی

عملیات تبادل یونی را به سه گونه می توان اجرا کرد که عبارتند از:
• عملیات غیرپیوسته 
• عملیات بستر متحرک
• عملیات بستر ثابت یا ستونی

عملیات غیر پیوسته (Batch Operation)
در این نوع عملیات، پساب در یک تانک، هم زده و متلاطم می شود و رزین تبادل یونی به تانک اضافه می شود، سپس زمان داده می شود تا به تعادل برسند و پس از آن، رزین فیلتر و آب تخلیه می شود. در این روش عمدتا رزین احیا و بازیابی نمی شود.

برای طراحی تقریبی رزین تبادل یونی در فرایند غیر پیوسته می توان از فرمول زیر استفاده کرد:

t≅  1/(K×Ap ) ln (C₀/C)

در فرمول فوق K ضریب انتقال جرم بین ذرات رزین تبادل یونی و پساب بر حسب m/s و Ap سطح تجمعی ذرات تبادل یونی بر حسب m² و C غلظت آلاینده یونی بر حسب g/L می باشد. با استفاده از فرمول فوق می توان زمان تقریبی رسیدن غلظت آلاینده موجود در پساب به غلظت دلخواه را محاسبه کرد.

عملیات بستر متحرک (Moving-Bed Operation)
در این نوع عملیات رزین و پساب در خلاف جهت یکدیگر حرکت می کنند. این فرایند به صورت پیوسته انجام می شود و این بدان معنا است که نه تنها فاضلاب به صورت پیوسته به ستون وارد و خارج می شود، بلکه رزین تازه نیز به ستون اضافه و رزین مصرف شده خارج می گردد. رزین مصرف شده پس از احیا مجددا به ستون برگردانده خواهد شد. 

عملیات بستر ثابت یا ستونی (Fixed-Bed (Column) Operation)
عملیات بستر ثابت خود به سه حالت زیر قابل اجرا می باشد:
 ستون با جریان هم جهت (Cocurrent Column)
 ستون با جریان خلاف جهت (Countercurrent Column)
 ستون با بستر مختلط (Mixed Bed Column)
در هر کدام از عملیات های بسترهای ثابت که آب تنها یکبار از ستون رزین های تبادل یونی عبور می کند؛ شاید به نظر برسد که عبارات هم جهت و خلاف جهت مفهوم خاصی ندارند؛ اما این عبارات بیانگر جهت حرکت محلول احیا نسبت به جهت حرکت پساب می باشند.

ستون با جریان هم جهت (Cocurrent Column)
عبارت "Cocurrent" که به معنای هم جهت است، بیانگر این است که جهت جریان محلول احیا کننده (در پایان هر سیکل) مشابه جهت جریان پساب (در طول انجام عملیات تصفیه) می باشد. اگرچه تصفیه پساب با استفاده از عملیات هم جهت، کارآمدترین روش نمی باشد اما به دلیل سادگی طراحی و عملیات، مرسوم ترین روش است. در این روش برای احیا از محلول های اسیدی و بازی 1 تا 5 نرمال استفاده می شود، عموما ارتفاع ستون بین 0.6 تا 1.5 متر می باشد و نرخ جریان فاضلاب نیز 8 تا 40 حجم بستر به ساعت در نظر گرفته می شود.

ستون با جریان خلاف جهت (Countercurrent Column)
در این روش همانگونه که از نامش پیدا است، محلول احیا کننده در جهت مخالف با جهت حرکت پساب به ستون وارد می شود. این کار باعث بهبود راندمان فرایند احیا و کاهش مقدار ماده احیا کننده مصرف شده می شود. همچنین این روش باعث می شود که محلول احیا کننده غلیظ تر، ابتدا در تماس با بخش تمیز تر رزین قرار گیرد. لازم به ذکر است که در این روش برای جلوگیری از سیال شدن رزین در هنگام احیا، باید مراقبت های ویژه ای در نظر گرفته شود.  

ستون با بستر مختلط (Mixed Bed Column)
در این نوع از ستون ها، دو نوع مختلف از رزین (یک رزین کاتیونی و یک آنیونی) با یکدیگر ترکیب می شوند و در یک ستون قرار داده می شوند. بدین ترتیب هنگامی که پساب از ستون عبور می کند، تقریبا یون زدایی کامل انجام می گردد. احیای چنین ستون هایی تنها پس از شستشوی معکوس (Backwash) امکانپذیر است و در طی آن ذرات رزین طبقه بندی می شوند؛ سپس با استفاده از هوا ذرات رزین را مخلوط می کنند و پس از آن ستون دوباره می تواند مورد استفاده قرار گیرد. 

 

کاربردهای رزین های تبادل یونی

رزین های تبادل یونی کاربردهای بسیاری دارند و از جمله ی آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• سختی گیری و نرم کردن آب (Water Softening)
• قلیاییت زدایی (Dealkalization)
• معدنی زدایی (Demineralization)
• تصفیه کندانس (Condensate Polishing)
• آب فوق خالص (Ultra Pure Water)
• حذف نیترات (Nitrate Removal)
• تصفیه زباله رادیواکتیو (Waste Treatment – Radioactive)
• فرآوری شیمیایی (Chemical Processing)
• خالص سازی (Purification)
• استخراج، جداسازی و غلظت فلز (Metal Extraction, Separation and Concentration)
• خشک شدگی (Desiccation)
• جداسازی و خالص سازی شکر (Sugar Separations and Purifications)
• جداسازی کروماتوگرافی (Chromatographic Separation)
• داروسازی و تخمیر (Pharmaceuticals and Fermentation)

مشکلات احتمالی هنگام استفاده از رزین های تبادل یونی

هنگام استفاده از رزین های تبادل یونی مشکلاتی نظیر ایجاد رسوب کلسیم سولفات، رسوب آهن، جذب مواد شیمیایی، آلودگی آلی ایجاد شده از رزین، آلودگی باکتریایی و آلودگی کلر ممکن است رخ بدهد؛ توضیحاتی در رابطه با هرکدام در ادامه بیان شده است.

رسوب کلسیم سولفات (Calcium Sulphate Fouling)
سولفوریک اسید یکی از ارزان ترین موادی است که برای احیا و  بازیابی رزین های کاتیونی به کار برده می شود. از سویی برخی از منابع آب، دارای مقادیر زیادی کلسیم هستند؛ هنگامی که برای بازیابی رزین های کاتیونی که در تصفیه این منابع آب استفاده شده اند، از سولفوریک اسید استفاده شود، کلسیم سولفات رسوب می کند. بدین ترتیب رزین دچار گرفتگی می شود و لوله های زهکشی با رسوب بسته می شوند. در چنین مواردی باید از هیدروکلریک اسید استفاده شود.

رسوب آهن (Iron Fouling)
منافذی که از منابع زیرزمینی آب بی هوازی تولید می کنند، تقریبا همیشه حاوی آهن محلول در فرم +Fe2 هستند. مقادیر کم این آهن محلول به راحتی توسط نرم کننده های دارای سیکل سدیم جدا می شوند اما باید حتما دقت کرد که آب قبل از تصفیه در تماس با هوا قرار نگیرد. در صورتی که آب در مجاورت هوا قرار گیرد، یون های +Fe2 به +Fe3 اکسید می شوند و در نتیجه به صورت هیدروکسید فریک رسوب می کنند که منجر به گرفتگی بستر رزین می شوند و از عمل تبادل یونی جلوگیری می کنند. رسوب آهن معمول ترین علت خرابی نرم کننده ها می باشد.

جذب مواد آلی (Adsorption of Organic Matter)
جذب مواد آلی یکی از رایج ترین مشکلات ناشی از وجود مواد آلی در منابع آب است. آب تصفیه نشده دریاچه ها و رودخانه ها معمولا حاوی مواد آلی محلول هستند که حاصل از پوشش گیاهی در حال پوسیدگی است که رنگ زرد یا قهوه ای به آب می بخشند. این مواد آلی می توانند به طور برگشت ناپذیر در درون دانه های  رزین آنیونی جذب شوند، ظرفیت تبادل آنها راکاهش دهند و منجر به کاهش کیفیت آب تصفیه شده شوند. از بین بردن مواد آلی قبل از معدنی زدایی معمولا با ایجاد لخته با نمک های آلوم یا فریک که با فیلتراسیون همراه است، انجام می گردد، بدین ترتیب لخته های هیدروکسید فلزی و ترکیبات آلی تجمع یافته حذف می شوند. این روش هرگونه ذرات ریز دیگری که از منابع دیگر باعث ایجاد رسوب در رزین می شوند را نیز از بین می برد. لازم به ذکر است که واحدهایی که توسط مواد آلی یا آهن دچار رسوب شده اند را می توان با مواد شیمیایی و به صورت در محل تمیز کرد اما به ندرت ممکن است که تمامی ناخالصی ها از بین رود و معمولا پس از رسوب دهی، عملکرد رزین آسیب میبیند.

آلودگی آلی از رزین (Organic Contamination from the Resin)
رزین ها خود می توانند منبع آلودگی غیر یونیزه آلی باشند. رزین های تجاری جدید غالبا پس از ساخت، حاوی مواد آلی باقیمانده هستند، درحالیکه رزین های بسیار قدیمی باعث ریختن و جدا شدن قطعات آلی می شوند  زیرا ساختار پلیمرشان بسیار آهسته باز می شود. چنین آلودگی ممکن است در بسیاری از موارد نادیده گرفته شود، اما درصورت نیاز به حذف، می توان آب دفع شده را از غشای اولترافیلتراسیون عبور داد.

آلودگی باکتریایی (Bacterial Contamination)
بسترهای رزینی نه تنها به عنوان فیلتر برای از بین بردن باکتری ها یا سایر میکروارگانیسم ها عمل نمی کنند، بلکه اغلب تمایل دارند که چنین آلودگی هایی را بدتر کنند، زیرا مقادیر کم مواد آلی که بطور مداوم در رزین تجمع می یابند، منبع غذایی برای ادامه رشد این موجودات را فراهم می کنند. در صورتی که نیاز به آب استریل می باشد، می توان از روش های غیر شیمیایی نظیر گرما، تابش اشعه فرابنفش یا فیلتراسیون بسیار ریز استفاده کرد. بسترهای رزینی را می توان با ضد عفونی کننده هایی مانند فرمالدئید ضدعفونی کرد، اما نباید از ضدعفونی کننده های حرارتی یا اکسیدکننده مانند کلر استفاده شود زیرا به رزین آسیب وارد می کنند.

آلودگی کلر (Chlorine Contamination)
همانطور که در بالا گفته شد، کلر به رزین ها آسیب می رساند. این بدین معنا است که حتی آب شهری نیز به دلیل داشتن مقادیر ناچیز کلر برای ورود به رزین های تبادل یونی، مناسب نمی باشد. عموما چنین آب هایی که دارای کلر هستند را از کربن فعال عبور می دهند تا کلر آنها حذف شوند. 

پیامدهای زیست محیطی استفاده از رزین های تبادل یونی

پساب تولید شده پس از احیای رزین های تبادل یونی که باید دفع شود، حاوی تمام مواد معدنی جداشده از آب تصفیه شده به همراه نمک مصرف شده در محلول احیا کننده است؛ این ترکیبات در حجمی معادل 1 تا 5 درصد آب تصفیه شده تغلیظ شده اند. دفع پساب تولیدی عموما یک مشکل نمی باشد زیرا بار آلودگی پساب حاصل از تصفیه در مقایسه با سایر فرایندهای صنعتی کم است.

قیمت و برندهای تولید کننده رزین های تبادل یونی

امروزه استفاده از رزین های تبادل یونی در بسیاری از صنایع گسترش یافته است. با توجه به این که ملاحظات اقتصادی همواره امری مهم در صنایع و پروژه ها می باشد، هزینه تمام شده و قیمت خرید و نگهداری رزین های تبادل یونی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. کمپانی ها و شرکت های متعددی در سراسر جهان رزین های تبادل یونی گوناگونی را برای کاربردهای متنوع تولید می کنند. این رزین ها با توجه به کیفیت و کارخانه تولید کننده شان قیمت های متفاوتی نیز دارند. از معروف ترین رزین های تبادل یونی موجود در بازار ایران می توان به پرولایت انگلستان (Purolite)، دوپونت آمریکا (DuPont)، کنفتک کانادا (Canftech)، هیدرولایت چین (Hydrolite)، آکوالایت چین (Akualite)، پترولایت چین (Petrolite) و دئولایت هند اشاره کرد. لازم به ذکر است که رزین های برند دوپونت آمریکا تحت سری امبر (Amber) و در مدل های مختلف و گسترده امبرکروم (AmberChrom)، امبرلایت (AmberLite)، امبرجت (AmberJet)، امبرسپ (AmberSep) و امبرتک (AmberTec) در بازار شناخته می شوند. رزین های تبادل یونی پرولایت انگلستان معروف ترین، معتبرترین و پرفروش ترین رزین های موجود در بازار ایران هستند. این رزین ها عمدتا در کارخانه کمپانی پرولایت که در چین واقع شده تولید و به ایران وارد می شوند. رزین های تبادل یونی پرولایت که توسط آبکالا به فروش می رسد به دلیل واردات پیوسته و فروش بالا دارای تاریخ های به روز می باشد. با توجه به نوسانات قیمت ارز و کاربرد بالای رزین های تبادل یونی در صنایع گوناگون قیمت رزین های تبادل یونی روزانه تعیین می شود. آبکالا با سابقه 10 سال فعالیت درخشان مفتخر است که باکیفیت ترین رزین های تبادل یونی را با مناسب ترین قیمت به مشتریان محترم خود ارائه کند.