رزین تصفیه آب ماده ای شیمیایی است که قابلیت تبادل یونی با آب را دارد. رزین تعویض یونی ذرات جامدی است که می تواند یون های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کند.
تاریخچه کشف رزین و سیستم تبادل یونی به سال 1850 برمیگردد که یک خاک شناس انگلیسی متوجه شد که محلول سولفات آمونیمی که بعنوان کود شیمیایی بکار می رود، در اثر عبور از لایه های ستونی از خاک، آمونیم خود را از دست می دهد و در محلول خروجی از ستون خاک، سولفات کلسیم در محلول ظاهر می شود. این یافته توسط سایر دانشمندان پیگیری شد و متوجه شدند که سیلیکات آلومینیوم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می باشد.
رزین تصفیه آب با روش تبادل یون به تصفیه آب می پردازد و در واقع با جابجایی یون های موجود در رزین با یون های موجود در آب، عمل تصفیه آب صورت می گیرد. رزین در انواع مختلفی تولید می شود که هر یک به منظور خاصی مورد استفاده قرار می گیرد. پرکاربردترین رزین در صنعت تصفیه آب، رزین کاتیونی بوده که در سختی گیرهای رزینی استفاده می شود و با جایگزینی یون کلسیم و منیزیم موجود در آب با یون سدیم باعث کاهش سختی آب و رسوب گذاری آن می گردد.
رزین تبادل یون از دانه های ریز و متخلخل ساخته شده که در آب و حلال های آلی حل نمیشوند. ظاهر رزین تصفیه آب مانند شکل زیر بصورت دانه هایی با قطر حدود 0.3 تا 1.3 میلی متر بوده و در سطح بیرونی، رزین حالت ژله ای دارد.
بخشی از ناخالصی های موجود در آب بصورت یون های باردار هستند که با فرایند تبادل یونی می توان آنها را با یون های دیگر جابجا نمود. به یون هایی که بار مثبت دارند یون کاتیون گفته می شود، مانند کلسیم، منیزیم، سدیم و …. به یون هایی با بار منفی، آنیون اطلاق می شود مانند نیترات، سولفات و …. این یون ها بین یک الی سه بار الکتریکی دارند مثلا یون سدیم یک بار مثبت دارد در حالیکه یون کلسیم حامل دو بار مثبت است. در حالت عادی آب از نظر بار الکتریکی خنثی است به این معنی که تعداد یون های مثبت با تعداد یون های منفی در آن، برابر است.
میزان کلی وجود این املاح در آب با فاکتوری به نام TDS یا TOTAL DISSOLVED SOLID سنجیده می شود. وجود برخی از املاح در آب مشکلی ایجاد نمیکند ولی برخی دیگر سبب بروز مشکلاتی می شوند. مثلا یون کلسیم و منیزیم عوامل رسوب گذار بوده و در سیستم های تاسیساتی باعث گرفتگی و آسیب به تجهیزات می شوند. همچنین یون نیترات و نیترین که بار منفی دارند برای مصرف در آب شرب مشکل ساز بوده و باید آب شرب را به نحوی تصفیه نمود که این یون ها در آن حذف شده باشند. لذا بنا به نیاز باید برخی یون ها در آب کاهش یابند و یا بطور کلی حذف شوند.
با استفاده از دستگاه تصفیه آب صنعتی به روش اسمز معکوس می توان تمامی یون ها و ناخالصی ها را از آب حذف نمود ولیکن قیمت دستگاه تصفیه آب صنعتی بالا بوده و در بسیاری موارد مقرون به صرفه نیست. به همین دلیل روش های دیگر مانند فیلتراسیون و تبادل یون در صنعت تصفیه آب جایگاه ویژه ای دارند.
اصول کارکرد تبادل یون
در فرایند تبادل یون که ION EXCHANGE نیز نامیده می شود کاتیون ها یا آنیون های موجود در محلول با کاتیون ها و آنیون های موجود در رزین تعویض می شوند به گونه ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی بمانند.
باید توجه داشت که در اینجا با تعادل جامد-مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای اینکه یک تعویض کننده یونی جامد، مفید باشد، باید دارای شرایط زیر باشد:
خود دارای یون باشد.
در آب غیر محلول باشد.
فضای کافی در شبکه تعویض کننده وجود داشته باشد که یون ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد یا خارج شوند.
بطور کلی رزین تبادل یونی دانه هایی متخلل هستند که معمولا بصورت شفاف بوده و از یک شبکه پلیمری تشکیل شده است. در شکل زیر دو نوع رزین تبادل یونی کاتیونی و آنیونی نشان داده شده است.
در رزین کاتیونی که قابلیت تبادل یون های مثبت (کاتیون) را دارد، یون SO3- در رزین ثابت بوده و یون سدیم متحرک می باشد و می تواند با یون کلسیم و منیزیم موجود در آب تعویض گردد. به همین دلیل از این رزین در سختی گیر رزینی به منظور تولید آب نرم استفاده می شود.
در رزین آنیونی نمایش داده شده ، یون کلر متحرک بوده و قابلیت تبادل یون هایی با بار منفی را فراهم می سازد.
علت تمایل رزین به تبادل یون
بطور کلی در غلظت های کم، مثل آب طبیعی، هرچه ظرفیت یون بیشتر باشد با تمایل بیشتری جذب رزین می شود. مثلا یون های سه ظرفیتی و یون دو ظرفیتی بیش از یون یک ظرفیتی توسط رزین جذب می شود. حتی برای یون هایی با ظرفیت یکسان نیز ضریب گزینش متفاوت است و معمولا هرچه وزن مولکولی بیشتر باشد و یا اندازه یون کوچکتر باشد تمایل جذب افزایش می یابد مثلا ترتیب زیر در مورد گزینش نسبی کاتیون ها برای جذب توسط تعویض کننده کاتیونی (اسیدی) وجود دارد (این ترتیب تجربی است)
رزین قوی
+Th4+ > Fe3+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > K+ > H
رزین ضعیف
+H+ > Fe3+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na
این ترتیب به این مفهوم است که تا زمانی که یون کلسیم در آب وجود دارد، احتمال جذب شدن یون پتاسیم توسط رزین بسیار ضعیف است.
در مورد تبادل یون کلسیم، غلظت یون کلسیم در محلول جهت پیشرفت واکنش را تعیین می کند. در آبهای طبیعی که غلظت یون کلسیم حدود چند میلی مول در لیتر است، رزین ترجیح میدهد که سدیم داخل شبکه خود را با کلسیم آب تعویض کند و در نتیجه سختی آب کاهش خواهد یافت. اما وقتی که رزین در آب نمک قرار گیرد، رزین ترجیح می دهد که یون کلسیم را از دست بدهد و سدیم را داخل شبکه خود بپذیرد و به صورت اولیه خود در آید (احیا رزین).
این مطالب در مورد تعویض کننده آنیونی هم معمولا صادق است و ترتیب گزینش تجربی در آنها بصورت زیر است:
مطالب این بخش برگرفته از کتاب اصول تصفیه آب به تالیف دکتر محمد چالکش امیری می باشد.
انواع رزین تبادل یون
رزین های تعویض یونی را می توان به دو دسته بزرگ 1- رزین های کاتیونی و 2- رزین های آنیونی تقسیم کرد که هر گروه شامل نوع ضعیف و نوع قوی می باشند. بطور کلی رزین های نوع قوی در یک محدوده وسیع pH و رزین های نوع ضعیف در یک محدود کوچک از pH مناسب هستند.
رزین کاتیونی قوی
رزین های کاتیونی قوی به صورت سدیمی برای کاهش سختی آب بکار می روند. اگر R معرف همه ساختمان رزین بدون یون متحرک باشد، برای سهولت در نوشتن، رزین را به صورت RNa نشان می دهیم. در حذف سختی آب واکنش های زیر انجام می شود.
2RNa+MgSO4 ↔ R2Mg + Na2SO4
2RNa+Ca(HCO3)2 ↔ R2Ca + 2NaHCO3
دیده می شود که رزین های کاتیونی سدیمی از نوع قوی نه فقط کاتیون های سختی آور آب بلکه همه یون های فلزی را با سدیم تعویض می کنند.
برای احیا این نوع رزین کاتیونی قوی کافیست که رزین را با آب نمک شستشو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود یعنی RNa تبدیل شود.
زمان احیا : R2Ca+2NaCl ↔ 2RNa + CaCl2
رزین آنیونی قوی
رزین آنیونی را با ZOH نشان می دهیم که Z معرف همه شبکه رزین بدون یون متحرک است. وقتی که آب از روی رزین آنیونی ZOH از نوع قوی عبور کند بنیان اسیدها توسط این نوع رزین ها جذب شده و بجای آنها یون هیدروکسیل آزاد می شود.
ZOH + HCl ↔ ZCl + H2O
2ZOH + H2SO4 ↔ Z2SO4 + 2H2O
بنابراین آب حاوی املاح در اثر عبور از روی رزین های کاتیونی و آنیونی همه املاح خود را از دست می دهد (لااقل از نظر تئوری) و آب بدون یون حاصل می شود.
برای احیا رزین های آنیونی قوی باید از یک باز قوی چون سود استفاده کرد.
ZCl + NaOH ↔ ZOH+ NaCl
رزین کاتیونی ضعیف
در این رزین ها، گروه فعال بجای سولفوریک، کربوکسیلیک است. این گروه مانند اسیدهای آلی ضعیف در محیط اسیدی یونیزه نمی شوند اما در محیط قلیایی یونیزه شده و یون متحرک خود را می توانند تعویض نمایند (بنیان رزین های کاتیونی ضعیف را با RC نشان می دهیم).
بدون واکنش→2RCH + CaCl2
بدون واکنش→RCH + NaCl
اما رزین کاتیونی ضعیف در محیط قلیایی( Ph بیشتر از 7) می تواند یون های فلزی را با یون H تعویض نماید.
2RCH + Ca(HCO3)2 ↔ (RC)2Ca + 2CO2 + 2H2O
واکنش فوق را حذف قلیاییت می نامند.
RCH + NaOH ↔ RCNa + H2O
برای احیا رزین کاتیونی ضعیف از هر نوع اسیدی می توان استفاده کرد.
رزین آنیونی ضعیف
این رزین ها همانند رزین های کاتیونی ضعیف عمل می کنند. این رزین ها قادر به حذف اسیدهای معدنی چون HCl و یا H2SO4 هستند اما قادر به حذف اسیدهای ضعیف (با درجه یونیزاسیون کم) مثل اسید کربنیک یا سیلیسیلیک نیستند به این دلیل این رزین ها را اغلب جاذب اسید می نامند. بنیان رزین آنیونی ضعیف را با RA نشان می دهیم.
رزین آنیونی ضعیف برای جذب مواد آلی بر رزین آنیونی قوی برتری دارد چون در صورت استفاده از رزین آنیونی قوی ، مواد آلی باعث آلودگی آنها می شوند.
بدون واکنش→RAOH + NaCl
بدون واکنش→RAOH + H2CO3
RAOH + HCl → RAOH.HCl
یعنی رزین های آنیونی ضعیف عملا جاذب هستند نه تعویض کننده.
در موقع احیا رزین های آنیونی ضعیف توسط یک محلول قلیایی، اسیدهای جذب شده توسط رزین با قلیا خنثی شده و به صورت نمک خنثی آزاد می شوند.
یکی از معایب رزین آنیونی ضعیف این است که ظرفیت تبادل یونی آنها به دبی آب بستگی دارد و هر چه دبی آب بیشتر می شود ظرفیت آنها کمتر می گردد.
رزین میکسبد
رزین میکسبد از جمله مواد مورد استفاده در تبادل یونی می باشد که قابلیت جابجایی یون های مثبت و منفی را همزمان دارد. رزین تبادل یونی میکس بد یا بستر مختلط، یک نوع رزین با ترکیب مشخصی از رزین کاتیونی اسیدی قوی حاوی یون‌های هیدروژن (H+) و رزین آنیونی بازی قوی نوع ۲ حاوی یون هیدروکسید (OH-) است. این رزین می‌تواند همزمان تمام آنیون‌ها و کاتیون‌های موجود در آب را جذب کرده و با دادن یون‌های هیدروژن و هیدروکسید، آب خالص تولید کند. به همین دلیل گاهی از رزین میکسبد بعنوان یونزدایی کامل و تولید آب خالص استفاده می شود.
مزیت استفاده از رزین در تصفیه آب
یکی از مهمترین مزایای استفاده از رزین در صنعت تصفیه آب، قابلیت احیا آن می باشد. به این معنی که بعد از عبور میزان مشخصی آب با شرایط معین، رزین اشباع شده و قابلیت تبادل را از دست می دهد. اشباع شدن رزین به پارامترهای مختلفی از جمله: دبی آب عبوری، نوع و مقدار یون های موجود در آب بستگی دارد.
در این مرحله نیاز است تا رزین با استفاده از ماده مشخصی احیا شود. مثلا رزین کاتیونی مورد استفاده در سختی گیر را با استفاده از آب نمک احیا می کنند اما برخی دیگر از رزین های کاتیونی باید توسط اسید احیا گردند. رزین آنیونی باید توسط قلیا احیا گردد.
در صورتیکه احیای رزین بطور منظم و صحیح صورت گیرد، رزین می تواند 5 تا 10 سال عمر داشته و قابل استفاده باشد. عواملی نظیر بالا بودن میزان کلر در آب، آهن زیاد و دیر یا زود احیا کردن رزین و همچنین احیای ناکامل آن، می تواند موجب کاهش عمر مفید رزین گردد.
بطور کلی از رزین تبادل یونی در صنعت تصفیه آب، صنایع غذایی، داروسازی، تولید لوازم آرایشی بهداشتی و … استفاده می شود. البته کاربرد فرایند تبادل یون محدود به موارد بالا نبوده و تعداد زیادی از صنایع نیازمند سیستم های تبادل یون هستند.
قیمت رزین تصفیه آب
رزین معمولا بر اساس حجم فروخته می شود. قیمت هر لیتر رزین آنیونی قوی سه تا چهار برابر یک رزین اسیدی قوی می باشد که بعلت پیچیدگی تولید رزین آنیونی قوی است. رزین بازی ضعیف تقریبا به همان قیمت رزین بازی قوی است. قیمت رزین اسیدی ضعیف تا سه برابر رزین اسیدی قوی می باشد.
بطور کلی قیمت رزین تصفیه آب بنا به شرکت سازنده، تاریخ تولید و مدل متفاوت می باشد. همچنین به دلیل وارداتی بودن رزین، قیمت ارز تاثیر محسوسی بر قیمت آن دارد.
یکی از مهمترین عوامل موثر بر قیمت رزین تبادل یونی، برند آن می باشد. رزین تصفیه آب پرولایت یکی از پرکاربردترین رزین های مورد استفاده در صنعت تصفیه آب بوده که قیمت آن با توجه به کارایی و کیفیت آن، مقرون به صرفه است. سایر برندهای تولید کننده رزین مانند هیدرولایت و … معمولا ارزانتر از رزین پرولایت می باشند.
