رزین‌های کاتیونی و رزین‌های آنیونی
در رزین‌های کاتیونی هر دانه رزین با آنیون غیر متحرک و یون متحرک +H را می‌توان یک قطره اسید سولفوریک با غلظت ۲۵% فرض کرد.
این قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از آن عبور کند.
تاریخچه تبادل یون
پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال ۱۸۵۰ 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 ۱۸۷۰ 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. این مواد یون‌های سختی‌آور آب یعنی کلسیم و منیزیم را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند.
به همین علت به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند.
زئولیت‌های سدیمی
استفاده از زئولیت‌های سدیمی در تصفیه آب مزایای زیادی داشت.
از مزایای آن می‌توان به عدم نیاز به مواد شیمیایی و نداشتن اثرات جانبی اشاره کرد.
زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیت‌هایی بودند.
این زئولیت‌ها تنها قادر به جایگزینی سدیم با کلسیم و منیزیم محلول در آب بود.
اما آنیون‌هایی از قبیل سولفات، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند.
در نتیجه آب خروجی برای استفاده در صنایع نامطلوب است.
پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه ۱۹۳۰ 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.
رزین آنیونی
برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب، گام‌های اساسی در سال ۱۹۴۴ برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد.
زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیون‌های آب از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند. در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع رزین، 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. امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب به کار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.
رزین‌های موازنه کننده یون
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 SO۲-۳ می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.
این کاتیون‌های متحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل –Cl یا –OH به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون، کاتیون‌ها یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شود، به گونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند.
در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود.
شرایط اثرگذاری تعویض کننده یونی
برای آنکه 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 یونی داشته باشد، به طوریکه یون‌ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.
انواع رزین‌ها
رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- رزین‌های کاتیونی قوی ( SAC Strongacidis Cation )
- رزین‌های کاتیونی ضعیف ( WAC Weak acidis Cation )
- رزین‌های آنیونی قوی ( SBA Strongbasic anion )
- رزین‌های آمونیونی ضعیف ( WBA Weak basic anion )
بطور کلی رزین‌های نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزین‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولی با استفاده از رزین‌های نوع ضعیف، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیون‌های موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیون‌های هستند که به قلیائست آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزین‌های کاتیونی قوی می‌باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون‌های آب است به کارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی‌تر از به کارگیری رزین‌های کاتیونی قوی می‌باشد. رزین‌های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیون‌های موجود در آب بوده ولی رزین‌های آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک، کلریدیک و نیتریک است. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاوم‌تر از رزین‌های آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب، رزین‌های آنیونی قوی در پایین دست رزین‌های آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.
برخی از کاربردهای رزین‌های کاتیونی و آنیونی
- رزین‌های کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیون‌های سختی‌آور آب بلکه همه یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا رزین‌های کاتیونی سدیمی کافی است که رزین را با آب نمک شستشو 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 آب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.
- حذف سیلیکا از آب‌های صنعتی با استفاده از رزین‌های آنیونی قوی
- حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت)
