پدیده تبادل یون:

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 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 1870 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 و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 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.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین ، 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. و امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند. برای سختی زدایی معمولاً از دستگاههای سختی گیر استفاده می شود. دستگاه شامل یک استوانه فلزی است که در داخل آن مواد موثر در سختی زدایی (رزین های تبادل یونی) قرار گرفته است رزینهای مزبور می توانند یونهای منیزیم و کلسیم را با یون سدیم مبادله نمایند، ضرورت دارد که رزین نو در دستگاه قرار گیرد و بعد از شستشو به فعال کردن و احیا رزین اقدام شود. راه اندازی، بهره برداری و تجدید بار دستگاه سختی زدایی ممکن است دستی یا با فرمان الکترونیکی به طور خودکار انجام گیرد.

مواد کاربرد سختی گیرها :
1- کاهش سختی آبهای آشامیدنی( طبق استاندارد WHO ) مقدار سختی را در آبهای مصرفی بر حسب ca co3 معادل250 میلی گرم پیشنهاد شده است.
2- حذف سختی آب دیگ های بخار
3- حذف یا کاهش سختی آب در سیستم گرمایش و سرمایش
4- حذف یا کاهش سختی آب در صنایع نساجی و رنگرزی و....

سختی گیری برای جدا کردن دو عنصر کلسیم و منیزیم بکار میرود. اگر این دو عنصر از آب جدا نشوند، همان اتفاقی در دیگ بخار می‌افتد که در کتری رخ می‌دهد. در واقع رسوبات، سطح بین لوله های آتش خوار با آب را کاهش می دهد و انرژی بیشتری برای تولید میزان معینی فشار مصرف می‌شود. همچنین پاکسازی این لوله ها علاوه بر هزینه بر بودن خط تولید را نیز متوقف می‌کند.

این بخش از دو مخزن تشکیل می‌شود، مخزن اول شامل بافت رزین سه ‌بعدی بوده که با منیزیم ترکیب شده RMg بوجود می‌آورد در نتیجه سختی آب از بین می‌رود ولی نمی‌توان آن را به فاضلاب هدایت کرد. چون رزین از دست خواهد رفت. سپس مخزن دوم به عنوان مخزن احیا استفاده می شود. در این مخزن آب‌ نمک وجود دارد. واکنشهای به صورت زیر انجام می‌شود. (واکنش زیر، با ترکیب رزین و منیزیم انجام می گیرد)

واکنش اول : MgSo4 + R ---> RMg + So4

واکنش دوم : NaCl + RMg + So4 ---> RNa + MgCl2

اکنون آب وارد مخزن نمک شده، و RNa مجددا با سولفات منیزیم تر کیب شده و تولید RMg می‌نماید. که با انجام چرخه‌ایی این واکنش ‌ها، رزین مجددا احیا شده و از چرخه احیا خارج می‌شود.

اکنون سختی آب گرفته شده. ولی برای وارد شدن به داخل دیگ باز مشکلاتی وجود دارد.

شیمی رزین‌ها:

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 SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.

در بكارگيري رزين ها 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 اب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.

رزین ها :

روشهای تبادل یونی ، براساس تبادل برگشت پذیر یونها بین محلول و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب ، غیر محلول بوده ، دارای گروههایی به‌صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیانها ، عوامل اصلی تبادل یون هستند. اجزا تشکیل دهنده فاز جامد ، ممکن است از ترکیبات معدنی شبیه زئولیتها باشند که اسکلت آنها از آلومینو سیلیکاتها تشکیل شده‌اند.

این ترکیبات چون در مقابل اسیدها و بازها مقاومت چندانی ندارند، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیبات معدنی جدید از مشتقات ZrO2 ساخته شده‌‌اند که زیرکونیوم فسفات ، زیرکونیوم تنگستات و زیرکونیوم مولیبدات از آن جمله هستند. برای جداسازی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی از هم مفید هستند.
رزینهای تبادلگر یونی
رزین تبادلگر یونی ، منشاء آلی دارند و از پلیمرهای با وزن ملکولی زیاد تشکیل شده‌اند. تشکیل این رزین‌ها بر اساس پلیمریزاسیون پلی‌استایرن و دی‌وینیل بنزن پایه‌گذاری شده است که همراه با ترکیبات دیگر نظیر تری‌کلرو آنیلین یا اسید سولفوریک ترکیب تبادلگر یونی آنیونی و کاتیونی را می‌دهد. افزایش پیوندهای عرضی ، خصوصیات رزین را از نظر آبگیری و نفوذ یونها تغییر می‌دهد.
تقسیم بندی رزینها
تبادلگرهای یونی شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. تبادلگرهای کاتیون شامل گروههای RCOOH یا R-SO3H هستند. تبادلگرهای یونی را می‌توان برحسب قدرت تبادلی و فعالیت گروههای فعالشان به دو دسته تقسیم می‌کنند.

میزان نمک و زمان لازم برای احیاء رزین ها در دستگاه سختی گیر

در این طراحی رزین مصرفی از نوع پلی استیرن سولفونه شده در سیکل سدیم ( Na -RSO₃ ) می باشد . میزان نمک لازم برای احیاء هر لیتر رزین برابر 0.25 کیلوگرم نمک می باشد ، که به صورت محلول 10% برای احیاء استفاده می شود.

در مورد احیاء رزین های آنیونی با سود میزان مورد نیاز سود را 5 پوند بصورت صددرصد به ازاء هر فوت مکعب رزین نوشته اند و باید محلول سود یا غلظت 5 درصد در احیاء رزین آنیونی بکار رود. در بعضی کتب سود مورد نیاز برای احیاء را 454-272 گرم به ازاء حذف هر 1000 گرین نوشته اند. زمان لازم برای احیاء رزین کاتیونی در مراحل مختلف شستشو و احیاء به شرح زیر است :

نوع احیاء زمان به دقیقه شدت جریان ( gpm ) شستشوی معکوس 15 70 اسید 4 درصد 56 14 آبکشیدن 21 140 در هر دو نوع رزین نزدیک به 10 دقیقه زمان برای Displacement باید منظور شود. ضمناً از محلول خروجی از ستون کاتیونی برای شستشوی ستون آنیونی استفاده و این زمان 40 دقیقه طول می کشد .

مشکلات رزین :

1. رزین هیچگاه عملکرد صد درصدی ندارد زیرا از لحظه شروع به کار کم کم اشباع شده و کارکرد خود را از دست می دهد تا اینکه به احیا شدن نیاز پیدا کرده و هزینه های اضافی رابدنبال دارد.

به طور مثال براي آزمايش سيستم هاي رزيني از كيت هاي سختي سنج استفاده مي شود.در ساعات اوليه با افزودن تعداد كم جواب حاصل و بعد از مدت كوتاهي تعداد بالا تر رفته و به مرور زمان رزين ها اشباع مي گردد.

در اين فاصله زماني ، كيفيت آب محصول ، شيب بين بهترين حالت و بدترين حالت را طي مي كند.

2. استفاده از رزین همواره نیروی متخصص انسانی و آزمایش های پیاپی متعدد نظارتی نیاز دارد (كنترل آنها سخت است)

3. عمل احیاء رزینی موجب اتلاف آب بین 10 تا 25 درصد کل آب ورودی می شود .

4. هزینه های نگهداري رزین در مقایسه با RO ببسیار بیشترمی باشد.

5. احیاء رزین ها که مواد شیمیایی غیر قابل تجزیه اند باعث ورود آب سنگین با املاح زیاد به محیط زیست و در نتیجه تخریب آن می شود

6. ایجاد خوردگی به دلیل پایین آمدن میزان قلیائیت آب تولیدی و افزایش میزان اسید محلول در آب