رزین کاتیونی
رزین کاتیونی در اثر واکنش فنل و یا مشتقات آن با فرمالدئید و سپس سولفونه کردن آنها به کمک سولفوریک اسید به حالت توده‌ای تهیه میشوند که آنها را خرد و غربال می‌کنند و مورد استفاده قرار می‌دهند.
این گونه رزین‌ها نیز از سولفونه کردن پلی استیرن تهیه می‌گردند.
تاریخچه
پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال ۱۸۵۰ و پس از 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 متعدد ثابت شد که بعضی از کانی‌های طبیعی به‌خصوص زئولیت‌ها توانایی انجام تبادل یون را دارند. در واقع زئولیت به رزین‌های معدنی اطلاق می‌شود. این مواد یون‌های سختی‌آور آب یعنی کلسیم و منیزیم را حذف و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند. به همین علت به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند. استفاده از زئولیت‌های سدیمی در تصفیه آب دارای مزایای بسیاری بود علت این امر نیز آن است که دیگر نیازی به مزایای زیاد داشت چرا که از طرفی نیازی به حضور مواد شیمیایی نبود به علاوه اثرات جانبی نیز نداشتند.
رزین 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.
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 SO23- است که کاتیون متحرکی مثل H+ یا Na+ به آن هستند.
رزین‌های تعویض یونی
رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی هستند. به گونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی 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 میشوند، 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 جامد
برای آن که 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 رزین کاتیونی
رزین کاتیونی معمولاً به دو دسته تقسیم میشوند
- رزین کاتیونی قوی ( SAC Strongacidis Cation )
- رزین کاتیونی ضعیف ( WAC Weak Acidis Cation )
هرگاه در پلی مریزاسیون استایرن مقداری دی وینیل بنزن افزوده شود پلیمری با ساختار شبکه‌ای تولید می‌شود که در اثر سولفونه کردن آن، رزین کاتیونی قوی تهیه می‌گردد. هرگاه به جای گروه سولفونیک اسید گروه کربوکسیلیک اسید (-COOH) جانشین شود رزین کاتیونی ضعیف تولید می‌گردد. ولی روش ساده‌تر برای تهیه این رزین‌ها ترکیب متاکریلیک اسید با دی وینیل بنزن است.
رزین کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیون‌های موجود در آب است.
نوع ضعیف آن قادر به جذب کاتیون‌هایی است که به قلیائیت آب مرتبط .
محصول سیستم اسید کربنیک می‌باشد.
مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزین کاتیونی قوی است، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیاء مکرر می‌شود. در واقع زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون‌های آب است به کارگیری توأم رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی‌تر از بکارگیری رزین کاتیونی قوی می‌باشد.
پرکاربردترین رزین کاتیونی در صنعت آب و فاضلاب رزین کاتیونی سدیمی می‌باشد که در واحد سختی‌گیری برای از بین بردن سختی آب استفاده می‌شود.
نحوه عملکرد رزین کاتیونی سدیمی
در سختی گیر تعویض یونی، رزین کاتیونی سدیمی وجود دارند که یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) با سدیم رزین تعویض میشوند که در نتیجه آب بدون سختی تولید می‌شود چون یون سدیم بسیارمحلول است از این رو خطر تشکیل رسوب از بین می‌رود.
این تعویض یون سدیم رزین با یون‌های‌کلسیم ومنیزیم آب ورودی‌آنقدر ادامه می‌یابدکه رزین نیاز به احیاء داشته باشد.
رزین کاتیونی سدیمی از نوع قوی نه فقط کاتیون‌های مولد سختی آب بلکه همه‌ی یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند.
ترتیب گزینش نسبی کاتیون‌ها برای جذب به وسیله تعویض کننده کاتیونی قوی به شکل زیر می‌باشد:
Th۴+>Fe۳+>Fe۲+>Ca۲+>Mg+>NH۴+>K+>H+
احیای رزین کاتیونی قوی
برای احیاء این نوع رزین‌ها کافی است که رزین را با آب نمک شستشو دهیم که در طی آن یون‌های منیزیم و کلسیم محبوس در شبکه رزین با سدیم نمک تعویض میشوند.
در پایان کار احیاء، رزین را با آب تازه می‌شویند تا نمک اضافی حذف شده و دستگاه آماده سرویس گردد.
در زمان احیاء با نمک طعام، رزینی که پر از یون‌های کلسیم است دوباره به صورت رزین سدیمی در می‌آید:
با وجود اینکه هرچه نمک طعام بیشتری در موقع احیای رزین بکار رود، ظرفیت رزین افزایش می‌یابد ولی این بدان معنا نیست که مثلاً با دو برابر کردن مقدار نمک طعام در موقع احیاء ظرفیت رزین هم دو برابر خواهد شد.
برخی از کاربردهای رزین‌ها
با رزین‌های کاتیونی از نوع هیدروژنی و یا از نوع سدیمی می‌توان آهن‌ومنگنز را مانند سایرکاتیون‌ها حذف نمود.
به دلیل وجود احتمال آلوده شدن رزین‌ها به طور معمول مشکلاتی وجود دارد و باید نکاتی را رعایت کرد.
در وهله اول باید دقت‌کرد که قبل از حذف‌یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد.
علت این امر آن است که در اثر مجاورت با هوا، آهن و منگنز محلول در آب اکسیده شده به شکل غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین میشوند.
