رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) چیست؟

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) طیف گسترده ای از ترکیبات آلی پلیمری و حاوی سایت های دارای بار مثبت یا منفی است که می تواند یون های بار مخالف را از محلول اطراف جذب کند.

این رزین ها معمولاً از یک کوپلیمر استایرن- دیوینیل بنزن (ماده ای با وزن مولکولی بالا) تشکیل شده اند ، اگرچه از ترکیبات دیگری مانند پلیمرهای اسید متاکریلیک-دیوینیل بنزن و فنل-فرمالدئید نیز استفاده می شود.  گروه های دارای بار الکتریکی معمولاً نمک های سولفونیک یا اسید کربوکسیلیک یا نمک های آمونیوم چهارتایی هستند.

پلیمرهای حاوی گروه های اسیدی به عنوان مبدل های اسیدی یا کاتیونی طبقه بندی می شوند زیرا یون های دارای بار مثبت مانند یون های هیدروژن و یون های فلزی را مبادله می کنند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

انواع رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی)

رزین های تعویض یونی دو نوع هستند رزین های تبادل کاتیونی  که یونهای دارای بار مثبت مانند سدیم را با کلسیم تبادل می کنند و رزین های تبادل آنیونی  که یونهای دارای بار منفی مانند کلرید را با آرسنیک مبادله می کنند.

رزین ها معمولاً از یک چارچوب پلیمری پلی استایرن ساخته می شوند و فقط از نظر گروه های عملکردی خاص متفاوت هستند. سیستم های تبادل یونی معمولاً با کلرید سدیم بازسازی می شوند. معمولاً نمک طعام ۰.۱ N در از بین بردن حتی آنیون های به شدت جذب شده موثر است.

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) چیست؟

رزین های تعویض یونی جامدات سبک و متخلخلی هستند که معمولاً به صورت گرانول ، مهره یا ورق تهیه می شوند. هنگام غوطه ور شدن در محلول ، رزین ها محلول را جذب کرده و متورم می شوند. درجه تورم به ساختار پلیمری و غلظت یونی کل محلول بستگی دارد.

رزین هایی با ترکیبات شیمیایی و خواص فیزیکی مناسب ممکن است به دلخواه برای کاربردهای خاص تبادل یونی سنتز شوند. بنابراین آنها عمده مواد مصنوعی تبادل یونی را تشکیل می دهند که در آزمایشگاه و صنعت استفاده می شوند.

در کاربردهای صنعتی و خانگی  از رزین های تبادل یونی برای حذف نمک های کلسیم ، منیزیم ، آهن و منگنز از آب (نرم شدن آب) ، تصفیه قند و غلظت عناصر ارزشمند مانند طلا ، نقره ، و اورانیوم از کانسنگ های معدنی استفاده می شود. در تجزیه و تحلیل شیمیایی ، از این رزین ها برای جداسازی یا غلظت مواد یونی استفاده می شود و در سنتز شیمیایی ، برخی از رزین های تعویض یونی به عنوان کاتالیزورهای موثر به خصوص در واکنش های استری و هیدرولیز استفاده شده است.

رزین های تبادل الکترون، الکترون ها را از محلول اطراف می پذیرند یا اهدا می کنند و در واکنش های کاهش اکسیداسیون استفاده می شوند. مثال ها شامل پلیمرهای تهیه شده از هیدروکینون ، فنل و فرمالدئید است.

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی) در تصفیه آب آشامیدنی

اخیراً از رزین های تعویض یونی به طور فزاینده ای برای تولید آب آشامیدنی استفاده می شود. رزین های تخصصی برای تصفیه آلاینده های مختلف نگران کننده از جمله پرکلرات و اورانیوم طراحی شده اند.

رزین های زیادی برای این اهداف طراحی شده است ، مانند رزین آنیونی قوی پایه / قوی ، که برای حذف نیترات و پرکلرات استفاده می شود. مهره های رزینی نیز وجود دارد که می تواند برای نرم شدن آب مورد استفاده قرار بگیرد.

اثر تبادل یونی برای تصفیه آب می تواند توسط پوسته پوسته شدن مواد معدنی ، گرفتگی سطح و سایر مواردی که باعث رسوب روی رزین  می شوند، محدود شود. فرآیندهای قبل از تصفیه مانند فیلتراسیون یا افزودن مواد شیمیایی می تواند به کاهش یا جلوگیری از این مشکلات کمک کند.

رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی)  در داروسازی

این رزین ها نه تنها برای کاتالیز کردن واکنشهای خاص ، بلکه برای جداسازی و تصفیه مواد فعال دارویی در داروسازی نیز استفاده می شوند. از سه رزین تبادل یونی ، سدیم پلی استایرن سولفونات ، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان مواد فعال استفاده می شود. سدیم پلی استایرن سولفونات یک رزین تبادل یونی به شدت اسیدی است و برای درمان هایپرکالمی استفاده می شود. کلستیپول یک رزین تبادل یونی ضعیف بازی است و برای درمان هایپرکلسترولمی استفاده می شود. کلستیرامین یک رزین تبادل یونی کاملاً بازی است و برای درمان هایپرکلسترولمی نیز استفاده می شود. کلستیپول و کلستیرامین به عنوان گیرنده های اسید صفراوی شناخته می شوند.

رزین های تعویض یونی همچنین به عنوان مواد افزودنی در فرمولاسیون های دارویی مانند قرص ، کپسول و سوسپانسیون استفاده می شوند. در این کاربردها ، رزین تعویض یونی می تواند چندین عملکرد از جمله پوشاندن طعم ، انتشار دارو ، تجزیه قرص ، افزایش فراهمی زیستی و بهبود ثبات شیمیایی مواد فعال مختلف داشته باشد.

کاربرد رزین تبادل یونی در سختی گیری آب

همانطور که می دانید آب حاوی مقادیر زیادی از مواد خارجی است. در بسیاری از موارد  اینها مشکلی ایجاد برای سلامتی ایجاد نمی کنند و نسبت به آب فوق العاده خالص برای کاربردهای خاص ، این مواد خارجی می توانند برای سلامتی مفید هم باشند. ولی بهرحال به عنوان ناخالصی در نظر گرفته می شود و باید از آب پاک شود.  مواد نامحلول (شن و غیره) را می توان با فیلتراسیون حذف کرد.

انواع مختلفی از فناوری های فیلتراسیون  تا اولترافیلتراسیون وجود دارد که می تواند ذرات زیر میکرون را از بین ببرد. ولی برای مواد محلول باید از تکنیک های دیگر استفاده شود. مواد یونیزه محلول را می توان با رزین تبادل یونی حذف کرد.

مکانیسم عملکرد رزین های مبادله کننده یون

آب سخت حاوی مقدار زیادی مواد محلول است. سختی  آب یک کلمه معروف برای نشان دادن کلسیم و منیزیم محلول در آب است. این یون ها می توانند تحت شرایط خاص رسوب کرده و باعث انسداد لوله ها و دیگ های بخار آب شود. برای نرم کردن آب مبادله کاتیون های سختی (Ca ++ و Mg ++) با کاتیون های دیگری انجام می شود که نمی توانند رسوب تشکیل دهد زیرا بسیار محلول هستند مانند یون سدیم.

برای نرم کردن آب ، شما یک رزین تبادل کاتیونی نیاز دارید که یون متحرک درون آن (Na +)  و با آب سختی که از یک ستون پر از رزین سدیم عبور می دهید ، تعویض شود. یون های سختی Ca ++ و Mg ++  به درون دانه های رزین حرکت می کنند و هر یک از این کاتیون های دو ظرفیتی با خارج شدن دو یون سدیم از رزین جایگزین می شوند.

آنیون های حاصل از آب نمی توانند وارد دانه رزین شوند زیرا توسط آنیون های سولفونات ثابت (SO3 -) موجود درون دانه ها دفع می شوند. این تبادل کاتیونی می تواند به طور موثر انجام شود زیرا رزین تبادل کاتیونی نسبت به سدیم میل بیشتری به یون های سختی دارد. به عبارتی رزین  شما کلسیم و منیزیم را به سدیم ترجیح می دهد. نتیجه فرآیند نرم سازی ، حذف خالص یون های سختی از آب نیست ، بلکه جایگزینی یون های سختی توسط یون های سدیم است.

در این فرآیند شوری آب تغییر نکرده است ، فقط ترکیبات شوری در پایان روند نرم شدن متفاوت هستند. بدیهی است که این تبادل نامحدود نیست و هنگامی که رزین سختی زیادی را از آب خارج کرده  باشد دیگر جایی برای رزین باقی نمی ماند و باید آن را یک رزین تازه ، یا احیا شده جایگزین کرد.

احیاء رزین تبادل یونی

وقتی رزین ها فرسوده می شوند ، می توانید آنها را به حالت اولیه برگردانید و مجددا از آنها استفاده کنید. بازسازی رزین های تبادل یونی معکوس واکنش های تبادل نشان داده شده است. به عنوان مثال واکنش بازسازی رزین نرم کننده با یونهای سدیم (Na +) به شکل زیر است:

R2Ca + 2 NaCl 2 RNa + CaCl2

بازسازی را فقط در مواردی می توان انجام داد که غلظت ماده احیا کننده کننده زیاد باشد ، معمولاً  ۱۰۰۰ برابر بیشتر از غلظت آب طبیعی . به عنوان مثال از آب نمک با غلظت ۱۰٪ (حدود ۱۰۰ گرم در لیتر) استفاده می شود.

در صورت مینرال زدایی ، اسیدهای قوی مانند اسید کلریدریک (HCl) یا اسید سولفوریک (H2SO4) کاملا جدا شده و می توانند یونهای H + را جایگزین کاتیون های موجود کنند. به همین ترتیب ، قلیاهای قوی  که در عمل فقط از سود سوز آور (NaOH) استفاده می شود ، می توانند OH– را برای جایگزینی آنیونهای نشسته بر روی دانه های رزین تبادل آنیونی تأمین کنند.

محدودیت های تکنیک تبادل یونی

برای اینکه تبادل یونی کارآمد باشد ، باید بین میل یون موجود در رزین و یون یا یون هایی که می خواهید از محلول خارج شود ، تفاوت میل وجود داشته باشد. رزین باید میل بیشتری به یون موجود در محلول نسبت به یون موجود در رزین داشته باشد.

فناوری تبادل یونی ابزاری مناسب برای حذف یا تبادل آلاینده های موجود در غلظت های کم است. در چنین حالتی مدت زمان اجرا شدن تا تمام شدن ستون رزین می تواند بسیار طولانی باشد ، از چند ساعت تا چند ماه. هر چقدر غلظت آلاینده ها زیاد باشد ، مثلاً چندین گرم در لیتر آب ، چرخه های تبادل یونی کوتاه تر می شوند و مصرف مقدار مواد احیا کننده تا سطوح غیر اقتصادی افزایش می یابد.

در مورد آب شور (آب زیرزمینی با شوری بالا که اغلب در کشورهای خشک یافت می شود) یا آب دریا ، تبادل یونی تکنیک مناسبی نیست و باید از فناوری های دیگری مانند اسمز معکوس یا تقطیر استفاده شود.

همچنین هرگونه آلودگی که یونیزه نباشد با تبادل یونی قابل حذف نیست. بلکه باید با استفاده از کربن فعال ، جاذب های پلیمری ، غربال های مولکولی و سایر محیط ها و تکنیک ها به این منظور استفاده کرد.

رزین تبادل یونی انتخابی

به لطف اختلاف میل برای یون های مختلف می توان از رزین های تبادل یونی رایج برای حذف انتخابی یون ها از آب استفاده کرد. یکی از بارزترین نمونه ها سختی گیری آب است. شما با اسمز معکوس نمی توانید آب را به طور موثر نرم کنید و  باید آن را تا حدی مینرال زدایی کنید.

به همین ترتیب ، می توانید با استفاده از رزین تبادل آنیونی به شکل کلرید ، سایر یون ها را به طور کاملاً انتخابی از بین ببرید ، مانند نیترات سولفات. این تکنیک موثر است زیرا رزین حاوی آنیونی است  که میل بیشتری برای یون نیترات یا سولفات نسبت به یون کلرید دارد.

با اینحال از بین بردن برخی از آلاینده ها توسط رزین های معمولی تبادل یونی آسان نیست. در خیلی موارد ، رزین های بسیار خاصی برای این آلاینده ها تولید شده است. رزین های انتخابی امروزه برای حذف موارد زیر موجود است:

• بور
• کادمیوم ، جیوه و سایر فلزات سنگین
• کرومات
• رهبری
• نیکل
• نیترات
• پرکلرات
• و برخی دیگر از آلاینده ها.

نتیجه گیری

رزین تبادل یونی یک فناوری بسیار قدرتمند برای از بین بردن ناخالصی های موجود در آب و سایر محلول هاست. بسیاری از صنایع برای تولید آب بسیار خالص به رزین تبادل یونی وابسته هستند که شامل موارد زیر است:

• نیروگاه های هسته ای و حرارتی
• تولید نیمه هادی ، تراشه های رایانه ای و صفحه نمایش
• حذف آلودگی های سمی از آب آشامیدنی
• تبادل یونی در تصفیه فاضلاب
• تبادل یونی در تصفیه آب

همچنین در زمینه های دیگری به غیر از تصفیه آب ، در صنایع غذایی ، فرآیندهای شیمیایی ، کاتالیز، استخراج ، ضد عفونی مواد زائد و بسیاری از موارد دیگر از این تکنیک استفاده می شود.

قیمت خرید و فروش رزین تبادل یونی (رزین تعویض یونی)

پیش بینی می شود که بازار جهانی رزین های تعویض یونی  که در سال ۲۰۱۴ ، ۱.۵۴ میلیارد دلار تخمین زده شده بود  تا سال ۲۰۲۲ به  ۴۶/۲ میلیارد دلار برسد . تحلیلگران افزایش تقاضای انرژی هسته ای و مقررات سختگیرانه زیست محیطی را در بازار را بر این مسئله موثر می دانند. این امر به ویژه در بازارهای تولید برق و تصفیه فاضلاب و همچنین در منطقه آسیا و اقیانوسیه مشاهده می شود. قیمت رزین تبادل یونی بر اساس نوع آن متفاوت است.