با رزین تبادل یونی به صورت نخصصی آشنا شوید

نقش رزین در صنعت قند

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.

در کاربردهای صنعتی، مزایای رزین‌های تبادل یونی عمدتاً ظرفیت پردازش بزرگ، محدوده رنگ‌زدایی گسترده، ظرفیت رنگ‌زدایی بالا، 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 سختی گیر با روش های سنتز آلی ساخته می شوند. مواد خام متداول مورد استفاده، استایرن یا اکریلیک اسید (استر) است که از طریق پلیمریزاسیون برای تولید یک اسکلت با ساختار شبکه فضایی سه بعدی تولید می‌شود و سپس انواع مختلف گروه‌های فعال شیمیایی (معمولا گروه‌های اسیدی یا بازی) را وارد می‌کند.

رزین های 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.

رزین تبادل یونی حاوی یک (یا چند) گروه شیمیایی فعال است که گروه‌های عاملی تبادلی هستند که می‌توانند برخی کاتیون‌ها (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 تصفیه آّب  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.

ترکیب ماتریس رزین تبادل یونی

ماتریس (ماتریس) رزین تبادل یونی (یونرزین) عمدتاً از استایرن و اسید اکریلیک (استر) ساخته شده است که به ترتیب با عامل پیوند متقابل دی وینیل بنزن پلیمریزه می شوند تا یک زنجیره اصلی مولکولی طولانی و متقابل اتصال متقابل ایجاد کنند. یک پلیمر با ساختار ستون فقرات شبکه ای از زنجیره ها. ابتدا از رزین های استایرنیک و بعداً از رزین های اکریلیک استفاده می شود.

خواص جذب این دو نوع رزین بسیار خوب است، اما ویژگی های متفاوتی دارند. رزین اکریلیک می تواند اکثر رنگدانه های یونی را مبادله و جذب کند، دارای ظرفیت رنگ زدایی زیادی است و جذب آن آسان است که برای بازسازی راحت است و می تواند به عنوان رزین اصلی بی رنگ کننده در کارخانه های قند استفاده شود. رزین های استایرن در جذب مواد معطر خوب هستند و در جذب رنگدانه های پلی فنل (شامل بار منفی یا بدون بار) در آب قند خوب هستند؛ اما شستشوی آنها در طول بازسازی دشوار است. بنابراین، محلول شکر ابتدا با رزین اکریلیک رنگ‌زدایی می‌شود و سپس با رزین استایرن رنگ‌آمیزی ریز می‌شود که می‌تواند به مزایای هر دوی آن‌ها بپردازد.

ساختار فیزیکی رزین تبادل یونی

رزین سختی گیر اغلب به دو دسته تقسیم می شوند: نوع ژل و نوع ماکرو متخلخل.

اسکلت پلیمری رزین نوع ژل در هنگام خشک شدن دارای منافذ مویرگی در داخل نیست. هنگامی که آب را جذب می کند متورم می شود و منافذ بسیار ظریفی بین زنجیره های ماکرومولکولی ایجاد می کند که معمولاً به آنها ریز منافذ می گویند. متوسط ​​قطر منافذ رزین مرطوب 2 تا 4 نانومتر (2×10-6 تا 4×10-6 میلی متر) است.

این نوع رزین برای جذب یون‌های معدنی مناسب‌تر است و قطر آن‌ها کوچک و عموماً 0.3 تا 0.6 نانومتر است. این نوع رزین نمی تواند مواد آلی ماکرومولکولی را جذب کند، زیرا اندازه دومی مانند مولکول های پروتئینی با قطر 20-5 نانومتر بزرگ است و نمی تواند وارد منافذ میکروسکوپی این نوع رزین شود.

گزینش پذیری جذب رزین های تبادل یونی

رزین های تبادل یونی تمایلات متفاوتی برای یون های مختلف در محلول دارند و برای جذب آنها انتخابی هستند. یک قانون کلی برای قدرت یون های مختلف که توسط رزین مبادله و جذب می شوند وجود دارد، اما ممکن است تفاوت های جزئی بین رزین های مختلف وجود داشته باشد. قوانین اصلی به شرح زیر است:

(1) جذب کاتیونها

یون های پر ظرفیت معمولا ترجیحا جذب می شوند، در حالی که یون های کم ظرفیت جذب ضعیفی دارند. در بین یون‌های هم ظرفیت، یون‌های با قطر بزرگ‌تر به شدت جذب می‌شوند. برخی از کاتیون ها به ترتیب زیر جذب می شوند:

Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+

(2) جذب آنیون ها

ترتیب کلی جذب رادیکال های اسید معدنی توسط رزین های آنیونی قوی به شرح زیر است:

SO42-> NO3-> Cl-> HCO3-> OH-

ترتیب کلی جذب آنیون ها توسط رزین های آنیونی ضعیف به شرح زیر است:

OH-> سیترات 3-> SO42-> تارتارات 2-> اگزالات 2-> PO43-> NO2-> Cl-> استات-> HCO3-

(3) جذب مواد رنگی

رنگ‌زدایی مایع شکر اغلب از رزین آنیون پایه قوی استفاده می‌کند که دارای جذب قوی به ملانین کاذب (محصول واکنش کاهش قند و اسید آمینه) و محصولات تجزیه قلیایی قند احیاکننده است، در حالی که جذب رنگ کارامل ضعیف است. تصور می‌شود که این به این دلیل است که دو مورد اول معمولاً دارای بار منفی هستند، در حالی که کارامل دارای بار ضعیفی است.

به طور کلی، رزین های با درجه اتصال عرضی بالا برای یون ها انتخابی تر هستند و رزین های با ساختار ماکرو متخلخل انتخابی کمتری نسبت به رزین های نوع ژل دارند. این گزینش پذیری در محلول های رقیق بزرگتر و در محلولهای غلیظ کوچکتر است.