فرآیند تبادل یون و رزین تبادل یونی در صنعت آب و فاضلاب

فرآیند تبادل یون (Ion Exchange Process)

فرآیندهای تصفیه آب و پساب بر حسب کیفیت مد نظر در خروجی سیستم، دارای ابعاد گوناگونی بوده که با توجه به نیاز پیش­رو شامل طیفی از فرآیندهای ساده تا پیچیده می­باشد. با وجود مفهوم کلی در تصفیه که بیانگر حذف ناخالصی موجود در آب به منظور دستیابی به کیفیتی خاص می باشد، ماهیت مواد زائد است که سیستم تصفیه را مشخص می­کند. بنابراین در واحدهایی که نیاز به حذف جامدات معلق است می­توان از روش­های مختلف فیلتراسیون استفاده کرد، در حالی که برای حذف مواد محلول به تجهیز متفاوتی نیاز است.

یکی از راه­های جداسازی یون­های محلول ، فرآیند تبادل یون (Ion Exchange Process) است. تبادل یونی روشی است که در آن یون­های موجود در یک سیال (به طور مثال آب) با یون­ها در یک جسم جامد پلیمری (رزین تبادل یونی) جایگزین می­شود. لازم به ذکر است در حین این فرآیند تغییر دائمی در ساختار جسم جامد رخ نخواهد داد.

اساساً فرآیند تبادل یون به شرح ذیل است: محلولی حاوی یون­های زیان آور که محرک یا قابل تعویض می­باشند از روی رزین­های تبادل یونی عبور می­کند. سپس، یون­های محلول که میل قوی­تری به رزین­ها نسبت به یون­های حاضر در ساختار آن دارند، از محلول خارج شده و با یون­های حاضر در ساختار پلیمری رزین تعویض می­گردند.

تبادل یون در  صنعت تصفیه آب  در واحدهای رسوب­زدایی آب (Water Softening)، یون­زدایی آب صنعتی (Industrial Demineralization)، پالیشینگ جریان کاندنسیت (Condensate Polishing)، تولید آب فوق خالص و تصفیه فاضلاب به کار گرفته می­شود. همچنین می­تواند روشی برای جداسازی در بسیاری از فرآیندهای غیر آبی مانند رطوبت زدایی (desiccation) و جداسازی کروماتوگرافیک (Chromatographic separation) نیز باشد. فرآیند تبادل یون کاربرد خاصی در تولید، سنتز شیمیایی، فرآوری مواد غذایی، تولید برق، معدن، کشاورزی و سایر صنایع نیز دارد.

در صنعت تصفیه آب، فرآیند تبادل یونی معمولاً با هدف حذف یون­های عامل سختی (مانند کلسیم و منیزیم) در سیستم­های سختی­زدایی و تمامی یون­های محلول در فرآیند املاح­زدایی (Demineralization) انجام می­پذیرد. از رزین­های تبادل یونی همچنین در حذف یون­هایی مانند نیترات، کرومات، آرسنیک و سایر آلاینده­های خاص، از آب آشامیدنی استفاده می­شود.

رزین تبادل یونی (Ion Exchange Resin)

رزین­های تبادل یونی (Ion Exchange Resins) معمولاً متشکل از اتصال کوپلیمر استایرن-دی وینیل بنزن (­DVB) و گروه­های شیمیایی باردار است. گروه­های باردار الکتریکی عموماً نمک­های اسید سولفونیک، کربوکسیلیک یا نمک­های آمونیوم چهارتایی می­باشند. رزین­ها بر مبنای گروه­های شیمیایی (اسیدی یا بازی) متصل به ساختار پلیمری به دو دسته رزین­های کاتیونی و رزین­های آنیونی تقسیم می­گردند. رزین­های کاتیونی حاوی گروه­های اسیدی بوده و یون­هایی با بار مثبت (مانند هیدروژن یا یونهای فلزی) را مبادله می­کند. همچنین، رزین­ آنیونی دارای گروه­های آمونیومی بوده و یون­هایی با بار منفی (مانند یون­های هیدروکسید یا یون­های هالید) را جایگزین می­نماید.

دسته­بندی رزین­های کاتیونی و آنیونی با توجه به مقدار یونیزه شدن گروه عامل شیمیایی متصل به پلیمر، به شرح ذیل است:

• رزین کاتیونی قوی (SAC- Strong Acid Cation)
• رزین کاتیونی ضعیف (WAC-Weak Acid Cation)
• رزین آنیونی قوی نوع I (SBA I-Strong Base Anion Type I)
• رزین آنیونی قوی نوع II (SBA II-Strong Base Anion Type II)
• رزین آنیونی ضعیف (WBA-Weak Base Anion)

همچنین، رزین­ها با ساختاری کروی در رنگ­های گوناگون مانند خاکستری، سفید، زرد، قهوه­ای و مشکی در بازار عرضه می­شوند.

با توجه به ظرفیت محدود رزین­ها در مبادله یون­ها، پس از مدتی اشباع شده و با در نظر گرفتن این امر که فرآیند تبادل یون مابین رزین تبادل یونی و محلول مورد نظر یک فرآیند برگشت­پذیر است،  فرآیند احیا امکان­پذیر و ضروری می­باشد. در فرآیند احیا، یون­های تجمع یافته از ساختار رزین جدا شده و یون­های اصلی جایگزین آنها می­گردند.