رزین تبادل یونی و نوع های آن

رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی رزین یا پلیمری است که به عنوان محیطی برای تبادل یونی عمل می کند. این یک ساختار یا ماتریکس است که اغلب به شکل میکروکره های نامحلول با قطر 0.25 تا 0.5 میلی متر، به رنگ سفید تا زرد کم رنگ، تولید شده توسط ترکیبات آلی پلیمریزه شده است. این میکروسفرها عموماً متخلخل هستند، بنابراین سطح ویژه بالایی دارند که هم روی سطح و هم در داخل هر میکروسفر توزیع می شوند. انواع مختلفی از رزین های تبادل یونی وجود دارد که اکثر رزین های تجاری بر پایه پلی (استایرن سولفونات) (PSS) هستند.

رزین های تبادل یونی در فرآیندهای مختلف جداسازی، تصفیه و آلودگی زدایی استفاده می شوند. نرم کردن آب و تصفیه آب شناخته شده ترین کاربردهای این گونه رزین ها هستند. در بسیاری از موارد، این فرآیندها از این رزین ها به عنوان جایگزین های انعطاف پذیرتری برای زئولیت های طبیعی یا مصنوعی استفاده می کنند.

نوع رزین های تبادل یونی

رایج ترین رزین سختی گیر بر پایه پلی استایرن متقاطع هستند. رزین های تبادل یونی پس از پلیمریزاسیون تشکیل می شوند. علاوه بر این، در مورد پلی استایرن، اتصال عرضی با کوپلیمریزاسیون استایرن با درصد کمی از دی وینیل بنزن صورت می گیرد. اتصال عرضی باعث کاهش ظرفیت و نرخ تبادل یونی می شود اما استحکام مکانیکی آن را افزایش می دهد. اندازه مرواریدها نیز بر پارامترهای رزین تأثیر می گذارد: هر چه این مرواریدها کوچکتر باشند، سطح خارجی آنها بزرگتر است. با این حال، دانه های خیلی کوچک می توانند به طور قابل توجهی افت فشار را در ستون فرآیند افزایش دهند.

علاوه بر میکروسفرها، رزین های تبادل یونی نیز می توانند به صورت غشا تولید شوند. این غشاهای تبادل یونیen  را می توان توسط یون ها عبور داد اما نه با آب، به عنوان مثال برای الکترودیالیز مفید است.

چهار نوع رزین تبادل یونی وجود دارد که با گروه های عملکردی که حمل می کنند متمایز می شوند:

به شدت اسیدی، به طور معمول با -S (= O) 2- گروه های اسید سولفونیک، مانند پلی سدیم (استایرن سولفونات) و polyAMPS.

به شدت پایه، به طور معمول با گروه های آمونیوم چهارتایی -NR 3+، مانند polyAPTAC (en).

اسیدی ضعیف، معمولاً با گروه های اسید کربوکسیلیک -COOH.

ضعیف بازی، به طور معمول با آمین های اولیه -NH 2، ثانویه -NHRo سوم -NRR'، مانند پلی اتیلن ایمین (یا پلی آزریدین).

رزین های آنیونی و رزین های کاتیونی

بیشتر رزین تصفیه آب، رزین های آنیونی یا رزین های کاتیونی هستند. اولی به یون های دارای بار منفی و دومی به یون های دارای بار مثبت متصل می شود.

رزین های آنیونی می توانند قوی یا ضعیف پایه باشند. رزین‌های آنیونی با بازی قوی بار منفی خود را در محدوده وسیعی از pH حفظ می‌کنند در حالی که رزین‌های آنیون بازی ضعیف به PH بالا خنثی می‌شوند زیرا در آنجا پروتونه می‌شوند. با این حال، آنها پایداری مکانیکی و شیمیایی عالی و همچنین نرخ تبادل یونی بالا را نشان می دهند که آنها را برای نمک های آلی مناسب می کند. بازسازی رزین های آنیونی به طور کلی شامل یک محلول بسیار اساسی است، به عنوان مثال یک محلول هیدروکسید سدیم. ماده احیا کننده از طریق رزین گردش می کند و آنیون های متصل به آن را حذف می کند و ظرفیت تبادل یونی آن را بازیابی می کند.

کاتالیزور

رزین های تبادل یونی در سنتز آلی، به عنوان مثال، برای کاتالیز واکنش های استریفیکاسیون و هیدرولیز استفاده می شوند. ماهیت نامحلول آنها و سطح ویژه بالای آنها آنها را برای واکنش های فاز مایع و فاز گاز مفید می کند. این می تواند خنثی سازی نمک های آمونیوم و تبدیل هالیدهای آمونیوم چهارتایی به هیدروکسید با رزین های تبادل یونی پایه باشد. رزین های اسیدی را می توان به عنوان کاتالیزور اسید جامد برای برش گروه های اتری محافظ و برای واکنش های بازآرایی استفاده کرد.

تصفیه آب

تصفیه آب شامل حذف کاتیون های سمی یا مضر مانند مس Cu 2+، سرب 2+ یا کادمیوم برای جایگزینی آنها با کاتیون های طبیعی موجود در آب مانند کاتیون های سدیم یا پتاسیم است. کلر یا آلاینده‌های آلی معمولاً با استفاده از فیلتر کربن فعال مخلوط با رزین به جای یک رزین منفرد حذف می‌شوند، که دومی معمولاً در این کاربرد کاملاً مؤثر است. رزین تصفیه آب هنوز هم قادر به حذف مواد آلی طبیعی هستند. رزین های تصفیه آب خانگی معمولاً بازسازی نمی شوند: پس از استفاده دور ریخته می شوند.

رزین های تبادل یونی در تصفیه آب صنعتی و خانگی هم برای نرم شدن و هم برای حذف برخی یون های فلزی موجود مانند مس، کادمیوم و سرب استفاده می شوند.

از میان گونه های موجود، آنهایی که سختی آب را تشکیل می دهند عبارتند از یون های کلسیم و منیزیم، کربنات ها، کلریدها، نیترات ها و سولفات ها. هنگامی که گرم می شوند، این یون ها رسوب می کنند و رسوبات آهکی را تشکیل می دهند که به لوله ها و بویلرها آسیب می رساند.

بنابراین سختی آب از طریق رزین های تبادل یونی کاهش می یابد که در آن یون های Na +  با یون های Ca2 +  و Mg2 +  جایگزین می شوند.

واکنش تبادل را می توان به صورت زیر نوشت:

2 R-Na + + Ca2 + → R2Ca + 2 Na +

به دلیل تفاوت میل ترکیبی برای یون های مختلف، می توان از رزین های تبادل یونی برای حذف انتخابی یون ها از آب استفاده کرد.

هنگامی که رزین دیگر قادر به تبادل یون نیست، زمانی که تمام رزین  فعال اشباع شده اند

بسته به نوع رزین و استفاده ای که برای بازسازی رزین در نظر گرفته شده است، انواع مختلفی از مواد ممکن است رخ دهد، از جمله کلرید سدیم که منجر به واکنش می شود:

R2Ca + 2 NaCl → 2 R-Na + + CaCl2