رزین های کاتیونی
فرایند تبادل یونی ، یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر حساب می شود . که در طی این واکنش شیمیایی ، یون‌های آلاینده و رسوب‌کننده از محلول خارج میشوند و با یون های مفید و دارای بار الکتریکی یکسان یا مشابه جایگزین میشوند .
رزین تبادل یونی که دارای رزین کاتیونی (مثبت) و رزین آنیونی (منفی) است ، به خودی خود یک واکنش دهنده شیمیایی محسوب نمی‌شود ، بلکه یک محیط فیزیکی است که واکنش‌های تبادل یونی را تسهیل میکند .
رزین کاتیونی چیست؟
رزین کاتیونی ، اشکال پلیمری با ساختار ماتریسی شکل سه بعدی و متخلخلی هستند . در حالت کلی ، به صورت کروی یا گاهی گرانول شکل با اندازه و یکنواختی مشخصی برای کاربردهای گوناگون تولید میشوند .
آنها دارای بار منفی ، همراه با یون‌های مثبت قابل تعویض می باشند . یون‌های دارای بار منفی به طور ثابت و دائم به یکدیگر متصل میشوند که در واقع بخشی از ساختار این ماده است از آنجا که این رزین بار منفی دارد ، فقط یون‌های مثبت جذب یا مبادله میشوند .
کاربرد رزین کاتیونی چیست؟
رزین کاتیونی بار مثبت می‌تواند آلاینده‌های یونی بار مثبت یا کاتیون‌های مضر آب را حذف کند . در این دسته از رزین‌ها می‌توان به رزین‌های اسید قوی یا کاتیون قوی (SAC) و اسید ضعیف یا کاتیون ضعیف (WAC) اشاره کرد .
موارد زیر را می‌توان از مهم‌ترین کاربردهای رزین‌های کاتیونی دانست
- حذف سختی آب
- دیگ های چگالشی
- تصفیه آب صنعتی
- نرم‌کننده و رقیق‌کننده
- تصفیه بیودیزل
- آبکاری فلزات
- حذف باریم و رادیوم
- مدارهای اولیه و ثانویه در نیروگاه های هسته ای
- خالص سازی اسید های آمینه
- قند زدایی
که در ادامه راجب برخی از موارد صحبت میکنیم .
حذف سختی آب :
رزین‌های کاتیونی برای نرم شدن آب بسیار مفید و مؤثر هستند که می‌توانند یون‌های سخت آن را حذف کنند . بیش از 100 سال است که از رزین‌های کاتیونی در کاربردهای مسکونی ، تجاری و صنعتی تصفیه آب استفاده می‌شود .
دانه‌های رزین کاتیونی مانند آهن‌رباهایی کوچک، یون‌های کلسیم (Ca2+) و منیزیم (Mg2+) تشکیل‌دهنده رسوب را حذف می‌کنند و در واقع این کار را به وسیله مبادله آنها با یون‌های سدیم انجام می‌دهند. با انجام این فرایند که تبادل یونی نامیده می‌شود، سطح سختی آب کاهش و سطح سدیم آن افزایش می‌یابد ..
نرم‌کننده و رقیق‌کننده :
رزین کاتیونی اسید ضعیف (WAC) می‌تواند سختی و قلیایی بودن محلول را به طور هم‌زمان حذف نماید و یا درجاتی از حذف کل جامدات محلول (TDS) را فراهم کند. به‌طور کلی، رزین WAC حدود 80 درصد از سختی موقت یعنی سختی مرتبط با مواد معدنی بی‌کربنات محلول را حذف می‌نماید .
در نتیجه آن، به ازای هر دانه سختی حذف‌شده از محلول، درجه غلظت آن حدود 17.1 قسمت در میلیون (ppm) کاهش می‌یابد. رزین‌های کاتیونی WAC قادر هستند یون‌های سختی و قلیایی را با یون‌های هیدروژن مبادله کنند. بنابراین آب تصفیه‌شده، اسیدی و یا با pH پایین‌تر خواهد بود. میزان کاهش درجه غلظت محلول یا TDS و کاهش pH آن تا حد زیادی به سطوح سختی ورودی محلول بستگی دارد.
حذف باریم و رادیوم :
باریم و رادیوم، دو کاتیون دو ظرفیتی هستند که توسط آژانس حفاظت از محیط‌زیست ایالات‌متحده (EPA) برای استانداردهای ملی آب آشامیدنی مضر شناخته شده‌اند و می‌توانند توسط رزین استاندارد کاتیونی حذف شوند .
انواع خاصی از رزین کاتیونی با خواص کاهش‌دهنده باریم و رادیوم در بازار وجود دارند که توسط بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) مورد آزمایش قرار گرفته‌اند و موفق به کسب گواهی شده‌اند
رزین های كاتیونی به دو دسته تقسیم میشوند
- رزین كاتیونی قوی
- رزین كاتیونی ضعیف
رزین کاتیونی قوی
این نوع از رزین های کاتیونی قابلیت حذف تمامی کاتیون ها از آب را دارد پر مصرف ترین رزین در این بخش رزین های سیکل سدیم برای سختی گیری می باشد . در مجموع از این رزین برای حذف سختی آب و مواد معدنی آب استفاده می شود و ظرفیت تبادل یونی آن به PH وابسته نمی باشد .
پر مصرف ترین رزین کاتیونی رزین سختی گیر می باشد که در سیکل سدیم فعالیت می کند و از آن برای جایگزینی یون های کلسیم و منیزیم با یون سدیم استفاده می شود .
رزین های سختی گیر پرکاربرد در ایران رزین پرولایت C100 و C100E می باشند که برای سختی گیری آب چه در صنعت و چه برای آشامیدن از آنها استفاده می شود. پر استفاده ترین برند های رزین در ایران برند های پرولایت، هیدرولایت ، پترولایت و امبرلایت هستند که در رزین های تولیدی یکسان هستند اما در نام های تجاری که برای انواع رزین هایشان انتخاب می کنند متفاوت اند.
از کاربرد های رزین کاتیونی قوی می توان به سختی گیری با رزین کاتیونی سیکل سدیم ، تولید آب دیون یا دیونیزه با رزین کاتیونی قوی سیکل هیدروژن که در دو نوع تولید می شود اشاره نمود . رزین ها در صنایع متفاوت دارای کاربرد های بسیار گسترده ای هستند که موارد ذکر شده گوشه ای از کاربرد رزین تبادل یونی از نوع کاتیونی است .
از یکی از انواع رزین کاتیونی قوی برای تولید آب دیون استفاده می کنند . در دیونایزر ها از رزین کاتیونی قوی در سیکل هیدروژن استفاده می کنند تا کاتیون های موجود در آب را با یون هیدروژن مبادله میکند . همانطور که اشاره شد این رزین در دو نوع تولید می گردد نوع اول مخصوص دیونایزر های دو ستونی و نوع دوم مختص ستون های میکس بد احیا شونده است .
رزین کاتیونی سختی گیر
رزین های کاتیونی در کل در دو چرخه عمل تبادل یون ها را انجام می دهند یا در چرخه سدیم و یا در چرخه هیدروژن
از رزین کاتیونی قوی سیکل هیدروژن برای تولید آب دیونیزه ( آبی که تمام یون های آن حذف شده باشد) استفاده می کنند. این نوع از رزین کاتیونی به همراه رزین آنیونی قوی سیکل هیدروکسید در دیونایزر ها این عمل را انجام می دهند. رزین کاتیونی یون هیدروژن و رزین آنیونی یون هیدروکسید را وارد آب می کند و یون های آب را از آن می گیرد. یون های هیدروژن و هیدروکسید نیز نهایتا ترکیب شده و آب به وجود خواهند آورد.
رزین کاتیونی ضعیف
مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزین كاتیونی قوی می‌باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیاء مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون های آب است بکارگیری توأم رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزین كاتیونی قوی می‌باشد.
عمر کاری رزین ها به شرط یکبار احیا در روز به صورت زیر است
کاتیونی قوی و ضعیف ۸-۱۰ سال
آنیونی ضعیف و قوی ۴-۵ سال
احیای رزین
احیای رزین به معنای برگرداندن توانایی تصفیه به دانه های رزین است. دانه های با استفاده از فرآیند تبادل یون به تصفیه شیمیایی آب می پردازند لذا برای احیای آنها باید یون از دست رفته را به رزین باز گرداند. بسته به نوع رزین ها از مواد متفاوتی برای احیای رزین استفاده می کنند. برای احیای رزین های سیکل سدیم و سیکل کلر از نمک خوراکی، برای احیای رزین های اسیدی از اسید و رزین های سیکل هیدروکسید از سود استفاده می کنند.
برای احیای سیستم های رزینی باید 4 مرحله زیر را به ترتیب دنبال نمود
- بکواش (شستشوی معکوس)
- تزریق ماده احیا کننده
- خروج ماده احیا کننده
- شستشوی نهایی
- بکواش رزین سختی گیر
در مرحله بکواش سختی گیر رزینی آب از پایین وارد مخزن رزین می شود و با بلند نمودن آن مواد نا خالص را از بستر رزین خارج می کند.