کاربرد و گزارش فنی رزین تبادل یونی

کاربرد و گزارش فنی رزین تبادل یونی

رزین های تبادل یونی نقش مهمی در صنعت قند مدرن دارند. بسیاری از کارخانه های شکر در دنیا شکر تصفیه شده و شربت خوراکی با عیار بالا تولید می کنند و بیشتر آنها از رزین های تبادل یونی برای رنگ زدایی و تصفیه مایعات قند استفاده می کنند.در گذشته کارخانه های قند سنتی که از زغال سنگ استخوان استفاده می کردند نیز به تدریج به رزین های تبادل یونی روی آوردند. .

فناوری تبادل یونی سابقه ای طولانی دارد و برخی از مواد طبیعی مانند زئولیت و زغال سنگ سولفونه که از سولفوناسیون زغال سنگ به دست می آیند می توانند به عنوان مبدل یونی استفاده شوند. با این حال، با توسعه سریع تکنولوژی صنعتی سنتز آلی مدرن، بسیاری از انواع رزین های تبادل یونی با عملکرد عالی مورد تحقیق و پژوهش قرار گرفته اند و انواع روش های کاربردی جدید توسعه یافته اند و به طور گسترده در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گیرند. در سال های اخیر صدها نوع رزین در داخل و خارج از کشور تولید شده است که تولید سالانه آن صدها هزار تن است.

کاربرد صنعتی رزین تبادل یونی

در کاربردهای صنعتی، مزایای رزین سختی گیر عمدتاً ظرفیت پردازش زیاد، محدوده رنگ‌زدایی گسترده، ظرفیت رنگ‌زدایی بالا، توانایی حذف یون‌های مختلف، بازسازی مکرر، عمر کاری طولانی و هزینه‌های عملیاتی پایین است (اگرچه هزینه‌های سرمایه‌گذاری یکباره بیشتر است). . انواع فناوری های جدید مبتنی بر رزین های تبادل یونی مانند جداسازی کروماتوگرافی، حذف یون، الکترودیالیز و غیره، هر کدام دارای عملکردهای منحصر به فردی هستند و می توانند کارهای ویژه مختلفی را انجام دهند که دستیابی به آنها با روش های دیگر دشوار است. توسعه و کاربرد فناوری تبادل یونی هنوز به سرعت در حال توسعه است.

کاربرد رزین تبادل یونی یکی از موضوعات تحقیقاتی کلیدی در صنعت قند در داخل و خارج از کشور در سال‌های اخیر بوده و نماد مهمی از نوسازی صنعت قند است. کاربرد فناوری جداسازی غشایی در صنعت قند نیز به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.

رزین های تبادل یونی با روش های سنتز آلی ساخته می شوند. مواد خام متداول مورد استفاده استایرن یا اکریلیک اسید (استر) هستند که با پلیمریزاسیون برای تولید اسکلت با ساختار شبکه فضایی سه بعدی تولید می شوند و سپس انواع مختلفی از گروه های فعال شیمیایی (معمولا گروه های اسیدی یا بازی) را وارد می کنند.

رزین تصفیه آب (رزین تبادل یونی )  در آب و حلال های عمومی نامحلول هستند. بیشتر آنها به صورت دانه ای و برخی به صورت فیبری یا پودری هستند. اندازه ذرات رزین عموماً در محدوده 0.3 تا 1.2 میلی متر است و اکثر آنها بین 0.4 تا 0.6 میلی متر هستند. آنها دارای استحکام مکانیکی (ثابت) بالایی هستند، از نظر شیمیایی پایدار هستند و در شرایط عادی عمر طولانی دارند.

گروه شیمیایی رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی حاوی یک (یا چند) گروه شیمیایی فعال است که گروه‌های عاملی تبادلی هستند که می‌توانند کاتیون‌های خاصی (مانند H+ یا Na+) یا آنیون‌ها (مانند OH- یا Cl-) را در محلول آبی تفکیک کنند. همزمان سایر کاتیونها یا آنیونهای موجود در محلول را جذب کنید. یعنی یون های موجود در رزین با یون های موجود در محلول مبادله می شوند و در نتیجه یون های موجود در محلول از هم جدا می شوند.

نوع گروه های فعال شیمیایی در رزین مشخص کننده خواص و انواع اصلی رزین است. ابتدا به دو دسته رزین کاتیونی و رزین آنیونی تقسیم می شود که به ترتیب با کاتیون و آنیون در محلول قابل تبادل یونی هستند. رزین های کاتیونی به اسید قوی و اسید ضعیف و رزین های آنیونی به باز قوی و باز ضعیف (یا به اسید با قوی متوسط ​​و باز با قدرت متوسط ​​تقسیم می شوند).

رزین های تبادل یونی با توجه به نوع زیرلایه خود به رزین های استایرن و رزین های اکریلیک و با توجه به ساختار فیزیکی رزین به نوع ژل و ماکرو متخلخل تقسیم می شوند.

انواع مختلفی از رزین های تبادل یونی وجود دارد که به دلیل ترکیبات و ساختارهای شیمیایی متفاوت، عملکرد و خواص متفاوتی دارند و برای اهداف مختلف مناسب هستند. انواع و گونه های مناسب رزین های کاربردی باید با توجه به الزامات فرآیند و خواص مواد انتخاب شوند.

انواع اصلی رزین های تبادل یونی

1. رزین کاتیونی اسیدی قوی

این نوع رزین حاوی تعداد زیادی گروه اسید قوی مانند گروه اسید سولفونیک -SO3H است که به راحتی H+ را در محلول تفکیک می کند، بنابراین به شدت اسیدی است. پس از جدا شدن رزین، گروه های دارای بار منفی موجود در بدن، مانند SO3-، می توانند کاتیون های دیگر را در محلول جذب و متصل کنند. این دو واکنش H+ را در رزین با کاتیون های موجود در محلول مبادله می کنند. رزین اسیدی قوی دارای توانایی تفکیک قوی است و می تواند در محلول اسیدی یا قلیایی تبادل یونی را تجزیه کرده و ایجاد کند.

پس از استفاده از رزین برای مدتی، نیاز به بازسازی دارد، یعنی واکنش تبادل یونی در جهت مخالف با مواد شیمیایی انجام می شود تا گروه های عملکردی رزین به حالت اولیه بازگردند. برای استفاده مجدد رزین کاتیونی فوق با اسید قوی بازسازی می شود.در این زمان رزین کاتیون های جذب شده را آزاد می کند و سپس با H+ ترکیب می شود تا ترکیب اولیه را بازیابی کند.

2. رزین کاتیون اسید ضعیف

این رزین ها حاوی گروه های اسیدی ضعیف مانند کربوکسیل-COOH هستند که می توانند H+ را در آب جدا کرده و اسیدی شوند. باقیمانده گروه های دارای بار منفی پس از تفکیک رزین، مانند R-COO- (R یک گروه هیدروکربنی است)، می توانند جذب شده و با کاتیون های دیگر در محلول ترکیب شوند و در نتیجه تبادل کاتیونی ایجاد شود. اسیدیته این رزین ضعیف است و تفکیک و انجام تبادل یونی در pH پایین مشکل است و فقط در محلول های قلیایی، خنثی یا کمی اسیدی (مانند pH 5-14) می تواند کار کند. این رزین ها همچنین با اسید بازسازی می شوند (بازسازی آسان تر از رزین های شدیدا اسیدی)

3. رزین آنیون پایه قوی

این نوع رزین حاوی گروه‌های پایه قوی مانند گروه آمین چهارتایی (همچنین به عنوان گروه آمین چهارتایی شناخته می‌شود) - NR3OH (R یک گروه هیدروکربنی است) که می‌تواند OH- را در آب تفکیک کند و بازی قوی نشان دهد. گروه‌های دارای بار مثبت این رزین می‌توانند جذب و با آنیون‌های موجود در محلول ترکیب شوند و در نتیجه تبادل آنیون ایجاد شود. این رزین بسیار تجزیه پذیر است و در pH های مختلف به خوبی عمل می کند. با یک پایه قوی مانند NaOH بازسازی می شود

4. رزین آنیون پایه ضعیف

 این رزین ها حاوی گروه های بازی ضعیف مانند گروه آمین اولیه (همچنین به عنوان گروه آمین اولیه) - NH2، گروه آمین ثانویه (گروه آمین ثانویه) - NHR یا گروه آمین سوم (گروه آمین سوم) - NR2 هستند که می توانند OH را جدا کنند. - در آب و ضعیف قلیایی هستند. گروه‌های دارای بار مثبت این رزین می‌توانند جذب و با آنیون‌های موجود در محلول ترکیب شوند و در نتیجه تبادل آنیون ایجاد شود. این رزین در بیشتر موارد کل مولکول های اسید دیگر را در محلول جذب می کند. فقط در شرایط خنثی یا اسیدی (مانند pH 1 تا 9) می تواند کار کند. می توان آن را با Na2CO3 و NH4OH بازسازی کرد.