دانلود مقاله تاریخچه رزین های تعویض یونی

رزین های تعویض یونی ذرات جامدی هستند که می توانند یون های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند.

در سال 1850 یک خاک شناس انگلیسی متوجه شد که محلول سولفات آمونیمی که به عنوان کود شیمیایی بکار می رود، در اثر عبور از لایه های ستونی از خاک، آمونیم خود را از دست می دهد بگونه ای که در محلول خروجی از ستون خاک، سولفات کلسیم در محلول ظاهر می شود.

این یافته توسط دیگران پیگیری شد و متوجه شدند که سیلیکات آلومینیوم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می باشد.

این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیوم از ترکیب محلول و سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید.

بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیوم بود.

به رزین های معدنی، زئولیت می گویند و در طبیعت سنگهای یافت می شوند که می توانند کار زئولیت های سنتزی را انجام دهند.

این مواد، یون های سختی آور آب ( کلسیم و منیزیم) را حذف می کردند و بجای آن یون سدیم آزاد می کردند از اینرو به زئولیت های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیادی داشت چون احتیاج به استفاده از مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند.

این زئولیت ها می توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونها بدون تغییر باقی می ماندند.

از این رو آب تصفیه شده با زئولیت های سدیمی به همان اندازه آب خام، قلیاییت، سولفات، کلراید و سیلیکاتت دارند.

واضح است که چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست.

مثلاً بی کربنات سدیم محلول در آب می تواند مشکلاتی را در مراحل بعدی برای دیگ بخار بوجود آورد.

زیرا در اثر حرارت به سود و گاز دی اکسید کربن تبدیل می شود.

سود یکی از عوامل مهم در خوردگی موضعی در نیروگاههاست که بحث مفصل تر آن در مباحث آینده خواهد آمد.

گاز دی اکسید کربن موجود در بخار آب در اثر میعان بخار به صورت اسید کرینیک در می اید که باعث خوردگی لوله های برگشتی می شود که بخار آب خروجی از توربین را به کندانسور (چگالنده) می برند.

یکی دیگر از اشکلات مهم استفاده از زئولیت ها ی سدیمی، عدم کاهش غلظت سیلیس در آب تصفیه شده می باشد که یکی از خطرناکترین ناخالصی های آب تغذیه دیگ بخار در فشارهای زیاد می باشد.

تحقیقات برای رفع عیوب زئولیت های سدیمی ادامه یافت تا آنکه در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیت هایی ساخته شد که بجای سدیم فعال، هیدروژن فعال داشتند .

این زئولیت ها که به تعویض کننده های کاتیونی هیدروژنی معروف شدند، می توانستند تمام نمکهای محلول در آب را به اسیدهای مربوط تبدیل کنند.

بعنوان مثال بی کربناتهای کلسیم و منیزیم به اسید کربنیک تبدیل می شوند که اسید کربنیک بی دی اکسید کربن و آب تجزیه می شود.

دی اکسید کربن تولید شده را می توان توسط هوادهی یا هوازدایی از محیط حذف کرد.

لذا با این روش تمام قلیاییت بی کربناتی حذف می شود.

رزین های کاتیونی هیدروژنی جدید، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیاییت آب را کاهش دهند.

آب خروجی از تعویض کننده کاتیونی هیدروژنی، اسیدی است و باید خنثی شود.

این کار با اضافه کردن قلیا (‌باز) یا مخلوط کردن خروجی تعویض کننده کاتیونی هیدروژنی با خروجی تعویض کننده سدیمی (زئولیت ) امکان پذیر است.

تعویض کننده های کاتیونی هیدروژنی هم دارای محدودیت هایی هستند.

هنوز آنیونها، مثل سولفات کلراید و سیلیکات حذف نمی شوند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب گام های اساسی در سال 1944 برداشته شد که باعث تولید رزین های تعویض یونی آنیونی شد.

(3) رزین های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونهای آب را حذف می کنند و رزین های آنیونی تمام آنیونهای آب از جمله سیلیس را حذف می نمایند.

در نتیجه می توان با استفاده از هر دو نوع رزین، آب بدون یون تولید کرد.

پیشرفت های بعدی که در دهه 1950 حاصل شد منجر به اختراع و تولید رزین های تعویض یونی ضعیف گردیدکه صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیاء رزین ها را باعث شد.

2- شیمی رزین ها همانگونه که می دانید محلول های الکترولیت دارای یون های مثبت (‌کاتیون) و یونهای منفی (آنیون) هستند و از نظر بار الکتریکی خنثی هستند.

یعنی مجموع آنیون ها و مجموع کاتیون ها از نظر بار الکتریکی با هم برابرند.

رزین های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می باشند به گونه ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند.

اما تعویض کننده ها با محلول های الکترولیت این تفاوت را داند که فقط یکی از دو یون، متحرک و قابل تعویض است.

بعنوان مثال یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکال های آنیونی می باشد که کاتیون های متحرکی مثل H+ یا Na+ می توانند به آن متصل باشند.

این کاتیون های متحرک می توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند و به همین صورت یک تعویض کنده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون های متحرکی مثل هیدروکسیل یا کلراید می توانند به آن متصل باشند.

در اثر تعویض یونی، کاتیون ها با آنیون های موجود در محلول با کاتیون ها و آنیون های موجود در رزین تعویض می شوند به گونه ای که هم محلول و هم رزی ناز نظر الکتریکی خنثی باقی می مانند.

باید توجه داشت که در اینجا با تعادل جامد- مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود.

برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد، مفید باشد، باید دارای شرایط زیر باشد : 1- خود دارای یون باشد.

2- در آب غیر محلول باشد.

3- فضای کافی در شبکه تعویض کننده وجود داشته باشد که یون ها بتوانند بسهولت در شبکه جامد رزین وارد یا خارج شوند.

اکثر رزین های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می روند رزین های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده اند.

بعنوان مثال روش تهیه رزین های سولفونیک در اینجا شرح داده می شود.

برای ساختن رزین، استیرن را با دی وینیل بنزن مخلوط می کنند و به آن یک ماده پراکسید و یک عامل تفرق ساز[1] می افزایند.

آنگاه این مخلوط را به آب اضافه می کنند و با یک همزان آنقدر هم می زنند تا بصورت قطرات معلق با اندازه معین در آیند.

با حرارت دادن پلیمریزاسیون شروع می شود که چون گرمازاست باید با یک ماده سرد کننده، دما راکنترل کرد.

ذرات به تدریج ویسکوز شده و در نهایت به صورت ذرات یا دانه های کروی در می آیند.

حرارت دادن ادامه می یابد تا زمانی که پلیمریزاسیون کامل شود.

دانه های حاصل، شبکه پلی استیرن را تشکیل می دهند.

حال برای تهیه تعویض کننده کاتیونی باید دانه ها را با سولفوریک اسید ترکیب کرد تا گروه HSO3 به شبکه هیدروکربن متصل شود.

به ازاء هر دو گروه بنزن، حدود هشت تا ده گروه HSO3 در شبکه وارد می شود.

برای تهیه تعویض کننده آنیونی باید شبکه را با کلراید متیل یا آمین ترکیب کرد.

رزین های حاصل وقتی خشک شوند، شکننده خواهند بود و زنجیرها خیلی نزدیک به هم قرار می‌گیرند.

به گونه ای که یون ها نمی توانند به راحتی در دانه ها نفوذ کنند اما وقتی در آب قرار بگیرند با جذب آب متورم می شوند و زنجیرها از هم فاصله می گیرند به طوری که نفوذ یون ها امکان پذیر می شود.

درجه متورم شدن بستگی به مقدار دی وینیل بنزن دارد.

رزین های تجارتی در حدود 8-20% دی وینیل بنزن دارند.

هر دانه رزین با آنیون غیر متحرک و یون متحرک H+ را می توان همچون یک قطره سولفویک اسید با غلظت 25% تصور کرد که این قطره در غشایی قراردارد که فقط کاتیون از آن می تواند عبور کند.

در شکل 9-2 مقطعی از یک دانه رزین را نشان می دهد که معادل تصور قطره ای آن نیز نشان داده شده است.

قدرت اسیدی یا بازی یک تعویض کننده را می توان با تیتراسیون معلوم کرد که برای این کار، تغییر در pH یک سوسپانسیون از آن رزین را اندازه می گیرند.

در مورد تعویض کننده های کاتیونی قوی، pH از حدود یک شروع می شود و با افزایش قلیا تا حدود 12 افزایش می یابد.

در حالی که وقتی یک رزین کاتیونی ضعیف مثل کربوکسیلیک را به این صورت خنثی کنیم، pH از حدود 3 شروع می شودد و برای رسیدن به pH حدود 12 احتیاج به قلیای بیشتری است.

سوال 9-1- چرا برای یک رزین کاتیونی ضعیف در مقایسه با کاتیونی قوی، به قلیای بیشتری احتیاج است ؟

وقتی که یک رزین آنیونی قوی را با اسید خنثی کنیم، pH که از حدود 13 شروع شده تا به حدود 2 کاهش می یابد در حالی که یک رزین آنیونی ضعیف را به این صورت خنثی کنیم، pH از حدود 8 شروع می شود و به اسید بیشتری نیاز است تا به pH برابر 2 برسیم.

وقتی از تعویض کننده اسیدی قوی یا ضعیف صحبت می شود منظور کوچکی یا بزرگی درجه تفکیک یا درجه یونیزاسیون آن است.

همانگونه که منظور از اسید قوی مثل کلریدریک اسید به مفهوم آن است که بیشتر یونیزه می شود نه اینکه غلیظ تر است.

3-تعادل یون ها در حضور رزین ها اگر رزین در تماس با محلولی قرار گیرد یون متحرک موجود در ساختمان رزین یون موجود در محلول می توانند محل خود را تعویض کنند ولی با حفظ این شرط مهم که هم محلول و هم رزین همواره از نظر الکتریکی خنثی بمانند.

این تعویض محل یون ( در داخل رزین یا در محلول) را می توان همانند یک واکنش شیمیایی تعادلی در نظر گرفت.

فرض کنید که درابتدا در رزین فقط یون B موجود است که ظرفیت آن ZB می باشد و در محلول فقط یون A موجود است.

که ظرفیت آن ZA می باشد.

در اثر تماس رزین با محلول، A و B می توانند جای خود را تعویض کنند که اگر این تعویض را بصورت یک واکنش شیمیایی تعادلی در نظر بگیریم داریم.

( در محلول ) + ( در رزین) ( در محلول) + ( دررزین) که منظور از اکتیویته مولی یون در داخل رزین و a اکتیوته مولی یون در داخل محلول است.

بنابراین اکتیویته مولی یون A در داخل رزین ولی aA اکتیویته مولی یون A در داخل محلول است.

ینکه یون B تمایل داشته باشد به محلول منتقل شود و یا در داخل رزین بماند بستگی به ثابت تعادل ka دارد ولی در هر صورت غلظت مولی یون های A و B در رزین و غلظت مولی یون های A و B در محلول در زمان تعادل به اندازه ای است که رابطه تعادلی بالا ارضا می شود.

مقدار ثابت تعادل طبق رابطه زیر به دما بستگی دارد.

همنطور که می دانید اکتیویته مولی بصورت زیر با غلظت رابطه دارد.

که ضریب اکتیویته و C غلظت مولی است.

اگر در رابطه تعادلی بجای اکتیویته، غلظت مولاری قرار دهیم و همه ضرایب اکتیویته را در هم ضرب کنیم به رابطه تعادلی زیر می رسیم که qM غلظت مولاری در داخل رزین و CM غلظت مولاری در محلول است.

رابطه غلظت مولاری و غلظت اکی والانی ( نرمالیته) به صورت زیر است .

qAm.ZA=qA CAm.ZA=CA در روابط بین qA و CA به ترتیب غلظت اکی والانی در رزین و محلول می باشند.

اگر Q ظرفیت کل رزین بر حسب نرمالیته و Co نرمالیته محلول باشد در آن صورت داریم CA+CB=Co QA+qB=Q چون در داخل رزین با یون A وجود دارد و یا یون B و در هر صورت مجموع یون های متحرک رزین برابر ظرفیت کل رزین است که مقدار ثابتی است و با توجه به اصل خنثایی الکتریکی، Co هم مقدار ثابتی است.

در تصفیه آب Co حدود یک میلی نرمال و Q حدود 2 نرمال است.

معمولاً رابطه تعادلی را بر حسب جزء اکی واالانی می نویسند که منظور از جزء اکی والانی عبارت است : ِ 1= yA+yB 1=xA+xB که در اینجا y جزء اکی والانی در رزین و x جزء اکی والانی در محلول است.

که با جایگزینی در ثابت تعادل داریم : ضریب گزینش[2] که ارزش ضریب فراریت درتقطیر را دارد، برای رزین ها چنین تعریف می‌شود: دیده می شود که ضریب گزینش بری یون های یک ظرفیتی همان ثابت تعادل است ولی اگر A و یا B یک ظرفیتی نباشد ضریب گزینش با ثابت تعادل فق می کند.

ثابت تعادل برای یون های یک ظرفیتی حدود یک ولی برای یون های دو ظرفیتی می تواند بزرگتر از بیست باشد.

توجه به این نکته مهم است که چون در تعویض یون ها با یک فرآیند تعادلی سروکار داریم بنابراین هر یون در هر فاز دیده می شود و ضریب گزینش معلوم می کند چه کسری از کل هر یون در فاز محلول است و یا در فاز رزین.

البته این مزیت مهم برای رزین هاست چون می توانیم با تغییر شرایط محلول، یون داخل رزین را تغییر دهیم.

بطورکلی در غلظت های کم، مثل آب طبیعی، هرچه ظرفیت یون بیشتر باشد با تمایل بیشتری جذب رزین می شود.

مثلا یون سه ظرفیتی و یون دو ظرفیتی بیش از یون یک ظرفیتی توسط رزین جذب می شود حتی برای یونهای با ظرفیت یکسان نیز ضریب گزینش متقاوت است و معمولاً هر چه وزن مولکولی بیشتر باشد و یا اندازه یون کوچکتر باشد تمایل جذب افزایش می یابد مثلاً ترتیب زیر در مورد گزنیش نسبی کاتیون ها برای جذب توسط تعویض کننده کاتیونی (‌اسیدی) وجود دارد ( این ترتیب تجربی است) بطورکلی در غلظت های کم، مثل آب طبیعی، هرچه ظرفیت یون بیشتر باشد با تمایل بیشتری جذب رزین می شود.

مثلا یون سه ظرفیتی و یون دو ظرفیتی بیش از یون یک ظرفیتی توسط رزین جذب می شود حتی برای یونهای با ظرفیت یکسان نیز ضریب گزینش متقاوت است و معمولاً هر چه وزن مولکولی بیشتر باشد و یا اندازه یون کوچکتر باشد تمایل جذب افزایش می یابد مثلاً ترتیب زیر در مورد گزنیش نسبی کاتیون ها برای جذب توسط تعویض کننده کاتیونی (‌اسیدی) وجود دارد ( این ترتیب تجربی است) رزین قوی رزین ضعیف این ترتیب به این مفهوم است که تا زمانی که یون کلسیم در آب وجود دارد، احتمال جذب شدن یون پتاسیم توسط تعویض کننده کاتیونی (‌اسیدی) بسیار ضعیف است.

بنابراین در غلظت های پایین کاتیون ها، مثل آب طبیعی، تعویض کننده کاتیونی به راحتی می تواند تعویض کاتیون ها را بر مبنای گزینش نسبی انجام دهد.

توجه داشته باشید : 1- هر چه غلظت یونی محلول کمتر باشد (‌محلول رقیق تر باشد) تفاوت گزینش ها بیشتر می شود (4) 2- در محلول غلیظ ترتیب گزینش بالا صادق نیست.

اما چگونه واکنش معکوس انجام می شود یعنی رزین احیا می شود؟

اگر ایزوترم تعادلی تعویض یعنی y برحسب x را در مور یک تعویض کننده کاتیونی سدیمی رسم کنیم شکل 9-3 حاصل می شود.

در رابطه تعادلی غلظت یون کلسیم در محلول است که جهت پیشرفت واکنش را تعیین می کند.

در آبهای طبیعی که غلظت یون کلسیم حدود چند میلی مول در لیتر است، رزین توضیح می دهد که سدیم داخل شبکه خود را با کلسیم آب تعویض کند و در نتیجه سختی آب کاهش خواهد یافت.

اما وقتی که رزین در آب نمک قرار گیرد، رزین ترجیح می دهد که یون کلسیم را از دست بدهد و سدیم را در داخل شبکه خود بپذیرد و به صورت اولیه خود در آید ( احیا رزین).

محورها بر حسب جزء اکی والانی یون کلسیم یعنی می باشد.

محور عمودی جزء اکی والانی یون کلسیم در تعویض کننده و محور افقی جزء اکی والانی کلسیم در محلول را نشان می دهد.

اگر هیچ گزینشی وجود نمی داشت ایزوترم به صورت خطی با زاویه ْ45 می شد که معرف آن است که نسبت +2Ca به + Na در تعویض کننده برابر همین نسبت در محلول است.

در شکل 9-3 دیده می شود که گزینش تعویض کننده برای جذب یون کلسیم بطور قابل توجهی با کاهش غلظت سدیم در محلول، افزایش می یابد.

یعنی یک تعویض کننده به صورت گزینشی یون کلسیم را با ترجیح بیشتری نسبت به یون سدیم در محلول رقیق حاوی 2+Ca و +Na جذب می کند.

شکل 9-3 توضیح می دهد که چرا یک تعویض کننده سدیمی می تواند بطور گزینشی یون 2+ Ca را از یک محلول رقیق مثل آب طبیعی حذف کند.

حتی وقتی که [Ca2+] بنابراین اگر رزین در تماس با محلولی غنی از سدیم و بسیار فقیر از نظر یون کلسیم قرار گیرد، ضریب گزینش کلسیم رزین کاهش یافته و ضریب گزینش سدیم آن افزایش می یابد که در نتیجه رزین شروع به رها کردن یون کلسیم و جذب یون سدیم می کند که باعث دوباره فعال شدن رزین می شود که به آن اجباری رزین می گویند.

بنابراین در احیای رزین، یون هایی که درطول مدت سرویس توسط رزین از آب جذب شده با یون های ماده احیا کننده تعویض می شوند و رزین دوباره به صورت اولیه ( قبل از شروع سرویس) در می آید.

راندمان احیا تعیین می کند که آیا همه یون های جذب شده با یون های ماده احیا کننده تعویض می شود و یا کسری از آن یون های جذب شده تعویض می گردند.

این مطالب در مورد تعویض کننده های آنیونی هم معمولاً صادق است و ترکیب گزینش تجربی در آنها به صورت زیر است : رزین آنیونی ضعیف رزین آنیونی قوی 94- ظرفیت رزین دیدیم که در شبکه رزین ها، گروه های فعالی هستند که می تواند با یون های محیط خود تبادل یونی انجام دهند.

بنابراین ظرفیت یک رزین به این مفهوم است که چقدر می تواند با محیط خود تبادل یونی انجام دهد و معمولاً برحسب اکی والان از یون های قابل تعویض و یا میلی گرم معادل کربناتی به ازاء واحد حجم رزین بیان می شود.

بعنوان مثال اگر یک لیتر از رزین سختی گیر 20 گرم سختی کلسیمی را بتوند حدف کند در ان صورت ظرفیت آن [(2/40/20] یکی اکی والان بر لیتر یا 1*50=50 گرم معادل کربناتی به ازاء هر لیتر است.

توجه داشته باشید که در مورد ظرفیت رزین مهم نیست که چه نوع یونی حذف می شود.

بعنوان مثال هر لیتر از رزینی که بحث آن شد، می تواند 9 گرم آلومینیوم را حذف کند زیرا که 9 گرم آلومینیوم معادل یکی اکی والان آلومینیوم می شود.

ظرفیت رزین را میتوان به چند روش تعیین کرد.

ولی ظفیت کل تعویض یون را می توان به طور مستقیم از روش زیر پیدا کرد.

اگر بخواهید که ظرفیت کل تعویض یون رزین اسیدی قوی را پیدا کنید باید مراحل زیر راطی کنید.

1- با شستن رزین با کلریدریک اسید 10%، رزین را به فرم RH در آورید.

2- با آب مقطر، اسید اضافی ر ا بشویید تا از سیستم خارج شود.

3- حجم رزین را اندازه بگیرید.

4- آب مقطر اضافه کرده و با سود تیتر کنید.

ظرفیت کل تعویض یون را از فرمول زیر می توانید محاسبه کنید.

حجم رزین بر حسب سانتیمتر مکعب + میلی اکی والان باز = ظرفیت کل رزین بر حسب نرمال ( میلی لیتر باز مصرفی) (نرمالیته باز) = میلی اکی والان باز برای رزین بازی قوی همین روش را دنبال کنید.

کافی است که جای اسید و باز را عوض کنید.

اگر حجم رزین را یک میلی لیتر بگیرید نرمالیته رزین با نرمالیته باز برابر خواهد شد ( برابر اکی والان در لیتر) ظرفیت رزین های کاتیونی حدود 2 نرمال و ظرفیت رزین های آنیونی قوی حدود 3/1 نرمال است.

هنوز هم در بسیاری از صنایع رزین را بر حسب کیول گرین درهر فوت مکعب (3 kgr/ft) بیان میکنند ضریب تبدیل نرمالیته به کیول گرین در هر فوت مکعب 8/21 می باشد یعنی 3 kgr/ft 8/21= meq/mlit 1 : توجه داشته باشید که اگر ظرفیت رزین را بر حسب نرمالیته بیان کنیم در آن صورت می توانیم از رابطه مشهور N.V=NwVw استفده کنیم که درآن N نرمالیته رزین، V حجم رزین، Nw نرمالیته یون هایی که می خواهیم از آب حذف کنیم و Vw حجم آب مورد نظر است.

مثلاً اگر بخواهیم فقط سختی آبی که TDS آن برابر ppm 300 و سختی کل آن ppm 100 معادل کربناتی است را با رزینی با نرمالیته 2 حذف کنیم، حجم آبی که می توان در هر سرویس تصفیه کرد هزار برابر حجم رزین مورد استفاده است چون اما توجه داشته باشید که در عمل قسمتی از ظرفیت رزین بدون استفاده می ماند.

5- انواع رزین های تعویض یونی رزین های تعویض یونی را میت وان به دو گروه بزرگ الف: رزین های کاتیونی ب : رزین های آنیونی تقسیم کرد که هر گروه شامل نوع ضعیف و نوع قوی می باشند.

بطور کلی رزین های نوع قوی در یک محدوده وسیع pH و زین های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از pH مناسب هستند.

5-1- رزین های کاتیونی قوی رزین های کاتیونی قوی به صورت سدیمی برای کاهش سختی آب بکار می روند.

ار R معرف همه ساختمان رزین بدون یون متحرک باشد، برای سهولت در نوشتن، رزین را به صورت Rna نشان می دهیم.

در حذف سختی آب واکنش های زیر انجام می شود.

دیده می شود که رزین های کاتیونی سدیمی از نوع قوی نه فقط کاتیون های سختی آور آب بلکه همه یون های فلزی را با سدیم تعویض می کنند ( شکل 9-4) برای احیا این نوع رزین ها کافی است که رزین را با آب نمک شستشو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود یعنی Rna تبدیل شود.

: زمان احیا سوال 9-2 : اگر آبی از روی رزین های کاتیونی سدیم عبور داده شود مقادیر زیر در »آب تصفیه شده نسبت به آب ورودی کاهش می یابد یا افزایش ؟

1- سختی 2- TDS 3- قلیاییت رزین های کاتیونی هیدروژنی از نوع قوی قادر به جایگزینی یون های فلزی با یون هیدروژن هستند بنابراین همهم نمک های موجود در آب به اسیدهای مربوطه تبدیل می شوند.

برای احیا این نوع رزین باید از یک اسید قوی چون کلریدریک اسید یا سولفوریک استفاده کرد.

5-2 رزین های آنیونی قوی رزین های آنیونی را با ZOH نشان می دهیم که Z معرف همه شبکه رزین بدون یون متحرک است.

وقتی که آب از روی رزین های آنیونی ZOH از نوع قوی عبور کند بنیاد اسیدها توسط این نوع رزین ها جذب شده و بجاری آنها یون هیدروکسیل آزاد می شود.

بنابراین آب حوی املاح در اثر عبور از روی رزین های کاتیونی و آنیونی همه املاح خود را از دست می دهد ( لااقل از نظر تئوری) و آب بدون یون حاصل می شود.

سوال 9-3 :‌اگر آب ابتدا از رزین آنیونی و سپس از رزین کاتیونی عبور کند چه اشکالی پیش می آید ؟

توجه :‌اسیدهای ضعیف چون اسید سیلیسیلیک H2SiO3 و اسید کربنیک H2CO3 به صورت یک ظرفیتی جذب رزین می شوند چرا ؟

برای احیا رزین های آنیونی قوی باید از یک باز قوی چون سود استفاده کرد.

5-3 رزین های کاتیونی ضعیف در این رزین ها، گروه فعال بجای سولفوریک، کربوکسیلیک است.

این گروه مانند اسیدهای آلی ضعیف در محیط اسیدی یونیزه نمی شوند اما در محیط قلیایی یونیزه شده و یون متحرک خود را میتواند تعویض نمایند ( بنیان رزین های کاتیونی ضعیف را با Rc نشان می دهیم ).

بدون واکنش بدون واکنش اما در محیط قلیایی (7 (pH> یون های فلزی را می توانند به یون H تعویض نمایند.

واکنش فوق را حذف قلیاییت می نامند.

برای احیا رزین های کاتیونی ضعیف از هر نوع اسیدی می توان استفاده کرد.

5-4 رزین های آنیونی ضعیف این رزین ها همانند رزین های کاتوینی ضعیف عمل می کنند.

این رزین ها قادر به حذف اسیدهای معدنی چونی HCl و یا هستند اما قادر به حذب اسیدهای ضعیف ( با درچه یونیزاسیون کم) مثل اسید کربنیک یا سیلیسیلیک نیستند به این دلیل این رزین ها را اغلب جاذب اسید می نامند ( بنیان رزین های آنیونی ضعیف ر ابا RA نشان می دهیم).

رزین های آنیونی ضعیف برای جذب مواد آلی بر رزین های آنیونی قوی برتری دارند چون در صورت استفاده از رزین های آنیونی قوی، مواد آلی باعث آلودگی آنها می شوند.

بدون واکنش بدن واکنش یعنی رزین های آنیونی ضعیف عملاً جاذب هستند نه تعویض کننده.

در موقع احیا رزین های آنیونی ضعیف توسط یک محلول قلیایی، اسیدهای جذب شده توسط رزین با قلیا خنثی شده و به صورت نمک خنثی آزاد می شوند.

یکی از معایب رزین های آنیونی ضعیف این است که ظرفیت تبادل یونی آنها به دبی آب بستگی دارد و هر چه دبی آب بیشتر می شود ظرفیت آنها کمتر می گردد.

مثال 9-1 اگر آبی ابتدا از ستون رزین اسیدی قوی عبور داده شود و سپس وارد ستون رزین آنیونی شود، آب بدون یون تولید می شود چرا ؟

حل :‌ در اثر عبور آب از ستون رزین های اسیدی قوی همه املاح به اسیدهای مربوطه تبدیل می شوند.

حال اگر این آب از ستون رزین های آنیونی عبور کند همه اسیدهایی که می توانند یونیزه شوند جذب رزین آنیونی ضعیف می شوند.

دیده می شود که همه ترکیباتی که می توانستند یونیزه شوند جذب رزین آنیونی ضعیف شدند و حتی اسید ضعیف چون که به مقدار کم یونیزه می شود جذب رزین می شود ولی اسیدی که بسیار کم یونیزه می شود ( اسید سیلیسیلیک) بدون هچگونه تغییری در آب باقی مانده است.

بنابراین آب تصفیه شده عملاً فاقد یون می باشد هر چند ناخالصی های غیر یونی چون اسید سیلیسیلیک دارد.

از این رو به این آب، آب بدون یون گفته می شود.

6 - اقتصاد رزین رزین ها معمولاً بر حسب حجم فروخته می شوند.

قیمت هر حجم رزین آنیونی قوی سه تا چهار برابر یک رزین اسیدی قوی می باشد که بعلت پیچیدگی تولید رزین های آنیونی قوی است.

رزین های بازی ضعیف تقریباً به همان قیمت رزین های اسیدی ضعیف تا سه برابر رزین های اسید قوی می باشد.

هزینه کارگر تقریباً مستقل از اندازه عملیات تعویض یونی است.

6-1- مقایسه رزین های ضعیف و قوی هر چند که رزین های تعویض یونی ضعیف قادر به تعویض همه نوع یون ها نیستند و فقط قادرند یون های با شرایط خاصی را حذف کنند ولی هم در صنایع کاربرد بیشتری از ر رزین های نوع قوی دارند و هم معمولاً گرانتر از رزین های قوی هستند و این به آن خاطر است که راندمان احیا رزین های ضعیف بسیار بیشتر از رزین های قوی است.

راندمان احیا چنین تعریف می شود.

راندمان احیا رزین های قوی معمولا کمتر از 40% است یعنی حدود 60% از ماده شیمیایی عملاً تلف می شود ولی راندمان احیا رزین های ضعیف معمولاً 100% می باشد.

به علاوه رزین ضعیف را هم می توان با اسید یا باز ضعیف و هم با اسید و یا باز غلظت کم احیا کرد.

رزین های قوی وقتی که به صورت هیدروژنی یا هیدروکسیلی هستند بیشترین حجم متورم شده را دارند، اما رزین ضعیف وقتی به صورت نمک در می آیند بیشترین حجم را دارند از این رو رزین های قوی پس از احیا ممکن است تا 90% افزایش حجم داشته باشند در حالی که رزین های ضعیف در پایان سرویس ممکن است تا حدود 90% افزایش حجم داشت باشند 7- نشتی ناخالصی ها از رزین ها دیدیم رزین های نوع ضعیف فقط قسمتی از یون ها را جذب می کنند ولی ازنظر تئوری رزین های کاتیونی قوی، همه کاتیون ها و رزین های آنیونی قوی هه آنیون ها را حذف می کنند ولی در عمل به خاطر برگشت پذیر بودن واکنش تعویض یونی، مقدار کمی ناخالصی به صورت نشتی در آب تصفیه شده دیده می شود بحث نشتی در کتاب « تصفیه آبهای صنعتی» از این مؤلف به طور کامل بحث شده است در اینجا به خاطر اجتناب از حجیم شدن کتاب، فقط نکات کاربردی موضوع مورد بحث قرار می گیرد.

اگر آبهای معمولی از بستر رزین های کاتیونی هیدروژنی عبور داده شوند محتمل ترنی یون آب که ممکن است با هیدروژن رزین تعویض نشود سدیم است چون ضریب گزینش سدیم توسط رزین هیدروژنی کمتر از هر کاتیون دیگر است و با همین استدلال می توان گفت که محتمل ترین آنیون آب که ممکن است با هیدروکسیل رزین آنیونی ضعیف تعویض نشود، یون کلر است.

سوال 9-4 : محتمل ترین یون نشتی از رزین کاتیونی و رزین آنیونی قوی چیست؟

اگر آب هم از رزین کاتیونی و هم از رزین آنیونی ضعیف عبور داده شود در آن صورت آب تصفیه شده حاوی هم سدیم و هم کلر است.

اگر نشتی این دو یون یکسان باشد در آب تصفیه شده سدیم کلراید خواهیم داشت.

اگر نشتی سدیم بیشتر از کلر باشد در آن صورت سدیم اضافی به صورت هیدروکسید سدیم ظاهر می شود که باعث افزایش pH آب تصفیه شده نهایی به بالای 8 می شود.

اگر نشتی کلر بیشتر از سدیم باشد در آن صورت کلر اضافی به صورت کلریدریک اسید درمی آید که باعث کاهش pH آب تصفیه شده نهایی به پایین تر از 6 می شود.

بنابراین تعداد یون های نشتی (کمیت) تعیین کننده هدایت الکتریکی ولی نسبت یون سدیم به یون کلر نشتی تعیین کننده pH آب تصفیه شده نهایی از مجموعه رزین های کاتیونی و آنیونی است.

این ارتباط بین نشتی یون ها، هدایت الکتریکی و pH آب تصفیه شده نهای در کاتالوگ های بعضی از شرکت های سازنده رزین به صورت ترسیمی نشان داده شده است.

نشت سدیم از رزین های کاتیونی اسیدی و کلر از رزین های آنیونی ضعیف بستگی به نسبت سدیم و کلر به دیگر یون ها در آب ورودی به رزین و نیز به مقدار ماده شیمیایی مصرف شده در زمان احیا رزین بستگی دارد ( می توانید به ضمیمه رزین های تجارتی مراجعه کنید).

اگر رزین آنیونی قوی باشد نشت کلر به تأخیر خواهد افتاد و ابتدا سیلیکا در آب تصفیه شده به صورت نشتی ظاهر می شود.

این سیلیکای نشتی به صورت غیر یونی است و روی pH و حتی هدایت الکتریکی تأثیر محسوسی ندارد چون سیلیکای نشتی با سدیم واکنشی نمی دهد از این رو سدیم نشتی به صورت هیدروکسید سدیم ظاهر می شود که در نتیجه pH آب خروجی از مجموعه واحد رزین اسیدی و واحد رزین بازی قوی معمولاً بالای 8 است.

نشت سیلیکا در آبهای قلیایی تشدید می شود.

از این رو نشت سیلیکا در واحد رزین بازی قوی بستگی به نشت سدیم در واحد رزین اسیدی قوی دارد یعنی با میتوان با کنترل نشت سدیم، غلظت سیلیکای نشتی را هم کنترل کرد.

توجه داشته باشید که با افزایش مقدار ماده شیمیایی مصرفی در زمان احیا هم می توان ظرفیت رزین را افزایش داد و هم نشت را کاهش داد ولی این افزایش ظرفیت رزین و یا کاهش نشتی بهصورت خطی نیست از این رو تصمیم گیری در مورد افزایش مقدار ماده شیمیایی در زمان احیا بستگی به مقدار مجاز نشتی در آب تصفیه شده و نیز هزینه مواد شیمیایی دارد.

در شکل 9-6 تغییرات کیفی ظرفیت رین و نیز نشتی سدیم برای یک رزین کاتیونی بر حسب وزن سولفوریک اسید مصرفی به ازاء واحد حجم رزین نشان داده شده است (‌این تغییرات برای رزین های مختلف و نیز نوع اسید فرق می کند) مثال 9-2 آ ب خام یا آنالیز زیر در دست است ) غلظت ها بر حسب میلی گرم در لیتر معادل کربناتی است).