مرجع تخصصی آب و فاضلاب

طبقه بندي رزين
رزين ها برحسب گروه عامل قابل تعويض متصل به پايه پليمري رزين به چهار دسته زير تقسيم مي شوند:
1- رزين هاي كاتيوني قوي (SAC)
2- رزين هاي كاتيوني ضعيف (WAC)
3- رزين هاي آنيوني قوي (SBA)
4- رزين هاي آنيوني ضعيف (WBA)

1- رزين هاي كاتيوني
رزين هاي كاتيوني در اثر واكنش فنل و يا مشتقات آن با فرمالدئيد و سپس سولفونه كردن آنها به كمك سولفوريك اسيد به حالت توده اي تهيه شدند كه آنها را خرد و غربال مي كردند و مورد استفاده قرار مي دادند. اين گونه رزين ها نيز از سولفونه كردن پلي استيرن تهيه گرديدند. هرگاه در پلي مريزاسيون استايرن مقداري دي وينيل بنزن افزوده گردد پلي مري با ساختار شبكه اي  توليد مي گردد كه در اثر سولفونه كردن آن، رزين كاتيوني قوي تهيه مي گردد. با تغيير دادن ميزان دي وينيل بنزن درجه cross-linked و در نتيجه تخلخل  و پايداري رزين كنترل مي گردد.افزايش پيوندهاي متقاطع  موجب كاهش تخلخل مي شود و در نتيجه مقاومت دمايي رزين بالا مي رود. براي توليد دانه هاي كروي بايد به كمك هم زن منومر در درون آب به حالت سوسپانسيون درآيد و در اين شرايط كوپلي مريزاسيون انجام گيرد. تركيب سولفونه بالا از نوع رزين هاي كاتيوني قوي مي باشد كه مي تواند با تمام كاتيون هاي موجود در آب تبادل يون نمايد. هرگاه به جاي گروه سولفونيك اسيد گروه كربوكسيليك اسيد (-COOH) جانشين شود، رزين هاي كاتيوني ضعيف، توليد مي گردد ولي روش ساده تر براي تهيه اين رزين ها تركيب متاكريليك اسيد با دي وينيل بنزن مي باشد. به طور معمول ظرفيت رزين هاي كاتيوني ضعيف بيشتر از ظرفيت انواع قوي مي باشند كه اين ميزان گاهي به دو برابر مي رسد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

رزینهای مصرفی در صنعت آب به دو گروه رزین‌های کاتیونی قوی و رزین‌های آنیونی قوی تقسیم می‌شوند. رزین‌ها برای خارج ساختن یون‌های کلسیم و منیزیم و آنیون‌های سولفات و کلرید موجود در اب و همچنین تهیه آب‌های بی‌یون برای راکتورهای اتمی به کار برده می‌شود. رزین‌های کاتیونی اغلب به صورت کوپلیمرهای تصادفی دی ونیل بنزن - استیرن در حضور پلی وینیل الکل هستند.

رزین‌های مصرفی به صورت ذرات کوچک جامد به اندازه‌های متفاوت در مخازن ویژه‌ای سبک انجام گیرد. در برخی از موارد برای حذف یون‌های سرب، جیوه و سایر یون‌های رایدواکتیو نیز از زرین‌های مبادله کننده یونی استفاده می‌گردد. رزین‌های تصفیه یونی از نوع کوپلیمرهای استیرن - دی ونیل بنزن در حضورپلی وینیل کلرید تشکیل می‌شوند؛ بدین ترتیب که بر روی مخلوط مونومر‌ها، پلی وینیل کلرید را افزوده، در غیاب نور و در حال به هم زدن یکنواخت، واکنش را به مدت ۳ ساعت انجام می‌دهند. سپس کوپلیمر حاصل را به وسیله دی اتیل ا‌تر استخراج کرده و خشک می‌نمایند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روشهای تبادل یونی ، براساس تبادل برگشت پذیر یونها بین محلول و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب ، غیر محلول بوده ، دارای گروههایی به‌صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیانها ، عوامل اصلی تبادل یون هستند. اجزا تشکیل دهنده فاز جامد ، ممکن است از ترکیبات معدنی شبیه زئولیتها باشند که اسکلت آنها از آلومینو سیلیکاتها تشکیل شده‌اند.

این ترکیبات چون در مقابل اسیدها و بازها مقاومت چندانی ندارند، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیبات معدنی جدید از مشتقات ZrO2 ساخته شده‌‌اند که زیرکونیوم فسفات ، زیرکونیوم تنگستات و زیرکونیوم مولیبدات از آن جمله هستند. برای جداسازی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی از هم مفید هستند.
رزینهای تبادلگر یونی
رزین تبادلگر یونی ، منشاء آلی دارند و از پلیمرهای با وزن ملکولی زیاد تشکیل شده‌اند. تشکیل این رزین‌ها بر اساس پلیمریزاسیون پلی‌استایرن و دی‌وینیل بنزن پایه‌گذاری شده است که همراه با ترکیبات دیگر نظیر تری‌کلرو آنیلین یا اسید سولفوریک ترکیب تبادلگر یونی آنیونی و کاتیونی را می‌دهد. افزایش پیوندهای عرضی ، خصوصیات رزین را از نظر آبگیری و نفوذ یونها تغییر می‌دهد.
تقسیم بندی رزینها
تبادلگرهای یونی شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. تبادلگرهای کاتیون شامل گروههای RCOOH یا R-SO3H هستند. تبادلگرهای یونی را می‌توان برحسب قدرت تبادلی و فعالیت گروههای فعالشان به دو دسته تقسیم می‌کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در این طراحی رزین مصرفی از نوع پلی استیرن سولفونه شده در سیکل سدیم ( Na -RSO₃ ) می باشد . میزان نمک لازم برای احیاء هر لیتر رزین برابر 0.25 کیلوگرم نمک می باشد ، که به صورت محلول 10% برای احیاء استفاده می شود.

در مورد احیاء رزین های آنیونی با سود میزان مورد نیاز سود را 5 پوند بصورت صددرصد به ازاء هر فوت مکعب رزین نوشته اند و باید محلول سود یا غلظت 5 درصد در احیاء رزین آنیونی بکار رود. در بعضی کتب سود مورد نیاز برای احیاء را 454-272 گرم به ازاء حذف هر 1000 گرین نوشته اند. زمان لازم برای احیاء رزین کاتیونی در مراحل مختلف شستشو و احیاء به شرح زیر است : نوع احیاء زمان به دقیقه شدت جریان ( gpm ) شستشوی معکوس 15 70 اسید 4 درصد 56 14 آبکشیدن 21 140  در هر دو نوع رزین نزدیک به 10 دقیقه زمان برای Displacement باید منظور شود. ضمناً از محلول خروجی از ستون کاتیونی برای شستشوی ستون آنیونی استفاده و این زمان 40 دقیقه طول می کشد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

رزین

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بخصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزامان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.
شیمی رزین‌ها

رزین‌های موازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های 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 رادیکالهای آنیونی SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تبادل یون می‌تواند یک فرایند مناسب رشد و ترقی برای حذف آرسنیک از آبهای طبیعی باشد. ملاحظات طراحی برای حذف آرسنیک بوسیله‌ی تبادل یون شامل موارد زیر می‌شود:

1)     مرحله‌ی اکسیداسیون آرسنیک

2)     نوع رزین

3)     غلظت یون زمینه و نوع یون

4)     زمان تماس بستر خالی

5)     میزان و قدرت بازیاب

6)      تصفیه و استفاده‌ی مجدد پساب. 

As(V) در محدوده‌ی pH آبهای طبیعی، 6 تا 9، به صورت   تک ظرفیتی و  دو ظرفیتی وجود دارد. در صورتی که As(III) در آب وجود داشته باشد، معمولا به صورت یک گونه‌ی خنثی وجود دارد، نمی‌توان آن را به وسیله‌ی روش تبادل یونی حذف کرد، بلکه باید نخست آن را به As(V) اکسید کرد و سپس با روش تبادل یونی آن را حذف نمود. برای آبهای با غلظت TDS کمتر از حدود 500 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت سولفات کمتر از 120 میلی‌گرم بر لیتر، تبادل یون آنیونی می‌تواند از نظر اقتصادی روش جذابی برای حذف آرسنیک باشد. در غلظتهای TDS و سولفات پایین، رقابت برای محلهای تبادل رزین با آرسنیک کم است و می‌توان به ظرفیت تبادل مورد نیاز برای حذف آرسنیک رسید. با این حال برای آبهای با غلظتهای TDS و سولفات بالا، تبادل یون ممکن است یک فرایند قابل رشد و ترقی نباشد. برای آبهای با pH و قلیاییت بالا و سولفات پایین، As(V) را می‌توان به طور موثری توسط یک رزین تبادل یون آنیونی در شکل کلرید تصفیه نمود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقدمه

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بخصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزامان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.
شیمی رزین‌ها

رزین‌های موازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های 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 رادیکالهای آنیونی SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

• 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.
• با رزین‌های کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کاتیونها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا باید 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 منگنز محلول در اب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.
• با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان لیزین را که جز اسید آمینه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خوکها ، ماکیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسید آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مصرف مواد خام و ... است با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب