مقدمه

پديده تبـــادل يــــون براي اولين بار در ســــال 1850 و به دنبال مــشاهده توانايي خاک‌هاي زراعي در تعويض برخي از يون‌ها مثل آمــــونيوم با يــــون کــلسيم و منيزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمايش‌هاي متعددي ثابت شد که بعضي از کانيهاي طبيعي بـخصوص زئوليت‌ها واجـــد توانايي انجام تبــادل يون هستند. در واقع به رزين‌هاي معـدني ، زئوليت مي‌گويند و اين مواد يون‌هاي سختي آور آب (کلسيم و منيزيم) را حذف مـي‌کردند و به جاي آن يون سديم آزاد مي‌کردند از اينرو به زئوليت‌هاي سديمي مشهور شدند کـه استفاده از آن در تصفيه آب مزاياي زياد داشت چون احتياج به مواد شيميايي نبود و اثرات جانبي هم نداشتند.

اما زئوليت‌هاي سديمي داراي مـــحدوديتهايي بودند. ايــن زئوليتها مي‌توانستند فقط سديم را جايگزين کــلـسـيـم و منيزيم محلول در آب نمايند و آنيونهايي از قبيل سولفات ، کلرايد و سيليکات‌ها بدون تغــيـيـر بـاقـي مــي‌مانند. واضح است چنين آبي براي صنايع مطلوب نيست. پس از انجام تحقيقات در اواســط دهه 1930 در هلند زئوليتهايي ساخته شد که به جاي سديم فعال ، هيدروژن فعال داشتند. اين زئوليتها که به تعويض کننده‌هاي کاتيوني هيدروژني معروف جديد ، سيلـيـس نـداشته و علاوه بر اين قادرند همزمان هم سختي آب را حذف کنند و هم قليائيست آب را کاهش دهند.

براي بهبود تکنولوژي تصفيه آب ، گامهاي اساسي در سال 1944 برداشته شد که بــاعـث توليد زرين‌هاي تعويض آنيوني شد. زرين‌هاي کاتيوني هيدروژني تمام کاتيوني آب را حــذف مي‌کنند و رزين‌هاي آنيوني تمام آنيونهاي آب را از جمله سيليس را حذف مي‌نمايند ، در نتيجه مي‌تـوان با استفاده از هر دو نوع زرين ، آب بدون يون توليد کرد. همچنين پژوهشگران دريـافـتـنـد کـه سيليکات آلومينيم موجود در خاک قادر به تعويض يوني مي‌باشد. اين نتيجه گـيـري با تهيه ژل سيليکات آلومينيم از ترکيب محلول سولفات آلــومـينيم و سيليکات سديم به اثبات رسيد. بنابراين اولين رزين مصنوعي که ساخته شد سيليکات آلومينيم بود. و امــروزه اکـثر زرين‌هاي تعويض يوني که در تصفيه آب بکار مي‌روند رزين‌هاي سنتزي هستند که با پليمريزاسيون ترکيبات آلي حاصل شده‌اند.

شــيــمــي رزيــن‌ها

رزيــن‌هــاي مـوازنه کننده يون ، ذرات جامدي هستند که مي‌توانند يونهاي نامطلوب در مــحـلول را بـا هـمان مقدار اکي والان از يون مطلوب با بار الکتريکي مشابه جايگزين کنند. رزين‌هاي تعــويـض يــوني شـامــل بـار مثبت کاتيوني و بار منفي آنيوني مي‌باشد بــگـونـه‌اي که از نظر الکتريکي خنثي هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌هاي الکتروليت ايــن تـفـاوت را دارنـد که فقط يکي از دو يون ، متحرک و قابل تعويض است به عنوان مثال ، يک تعويض کــنـنـده کــاتيوني سولفونيک داراي نقاط آنيوني غير متحرکي است که شامـل راديـکـالـهاي آنــيوني SO^2-₃ مي‌باشد که کاتيون متحرکي مثل ⁺H يا ⁺Na به آن هستند.

ايـن کـاتـيـونــهـاي مـتحرک مي‌توانند در يک واکنش تعويض يوني شرکت کنند به همين صورت يک تعويض کــنـنـده آنيوني داراي نقــاط کاتيوني غير متحرکي است که آنيون‌هاي متحرکي مثل ^-Cl يا ^-OH به آن متصل مي‌باشد. در اثــر تــعــويــض يــون ، کــاتــيــون‌هــا يا آنيون‌هاي موجود در محلول با کاتيون‌ها و آنيون‌هاي موجود در رزين تعويض مي‌شود ، بــگــونــه‌اي کـه هم محلول و هم رزين از نظر الکتريکي خنثي باقي مي‌ماند. در اینجا با تعادل جامـد مایـع ســروکــار داریـم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنــکه یـک 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 داشته باشد ، بطوریکه یونها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.

در مورد رزین‌های کاتیونی هر دانــه رزیــن با آنیـون غیر تحرک و یون متحرک ⁺H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غـــلظـت 25% فرض نمود. این

 قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید.

طبقه بندی رزین‌ها

رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

1.      رزین‌های کاتیونی قوی(( SAC) Strongacidis Cation)

2.      رزین‌های کاتیونی ضعیف(( WAC) Weak acidis Cation)

3.      رزین‌های آنیونی قوی SBA) Strongbasic anion) ))

4.      رزین‌های آمونیونی ضعیف WBA) Weak basic anion))

بــطــور کلی رزین‌های نوع قوی در یک محــدوده وسـیــع PH و رزیـن‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولـیـکـن با استفاده از رزین‌های نوع ضعیف ، صرفه جویی قابل توجهی در مــصــرف مــواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزیــن‌هـای کــاتیونی قــوی قـادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونــهای هـستند که به قلیائست آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.

نوع قوی

Ca(HCO₃)₂ OR MgSO₄ + 2ZSO₃H -----> Ca²⁺+2H₂CO₃ OR Mg²⁺ + H₂SO₄

نوع ضعیف

Mg(HCO₃)₂ OR Ca(HCO₃)₂ + 2ZCOOH -----> (ZCOO)₂₊ + Mg(ZCOO)₂₊Ca + 2H₂CO₃

مزیت رزین‌های کاتیونی ضعـیف بــازدهی بالای آنها در مقــایـسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد ، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مـکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکــارگیری تــوام رزیــن کــاتـیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی مــی‌بــاشد. رزین‌های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونــهای موجــود در آب بوده ولـــی رزین‌های آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قــوی نــظـیر اسـیـد سـولفوریک ، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهــای آنـیـونـی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب ، رزین‌های آنیونی قوی در پاین دسـت رزیـنـهـای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

2HCl OR 2H₂SiO₃ + 2ZOH -----> 2ZHSio₃ZCl + H₂O

2HCl OR 2HNO₃ + ZOH -----> 2ZCl OR 2ZNO₃ + H₂O

برخی از کاربردهای رزین‌ها

·         رزین‌های کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیون‌های سختی آور آب بلکه همه یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا این نوع رزین‌های کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.

·         بــا رزیــن‌هــای کــاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کــاتیونـها حـذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا بـاید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا ، آهن و منــگـنـز مـحـلول در اب اکـسیـده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رســوب کــرده و بــاعـث آلــوده شدن رزین می‌گردد.

·         با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان لیــزیــن را که جــز اســـیـد آمــینــه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خــوکــها ، مــاکـیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسـیــد آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مـصـرف مـواد خـام و ... اسـت با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

·         حذف سیلیکا از آبهای صنعتی با استفاده از رزین‌های آنیونی قوی

·         حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت(

منابع و ماخذ:

1.    نشریه علمی و پژوهشی شیمی ایران دوره 23 شماره 2

2.   اصول تصفیه آب تالیف دکتر محمد چالکش امیری

3.   روشهای پیشرفته در صنعت تصفیه آب تالیف مهندس محمد کرمانی