– انواع ناخالصی های موجود در آب طبیعی
– مفهوم “تبادل یون”
– ساختار رزین
– فرآیند “سختی گیری”
– فرآیند “خالص سازی آب”
– فرآیند “احیای رزین”
– عملکرد ستون رزین
– محدودیت های تصفیه آب به روش تبادل یون
– تبادل یون گزینشی
مقدمه
آّب یک مایع است که از مولکول های آن از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده و فرمول شیمیایی آن H2O می باشد. آب بصورت طبیعی معمولآً حاوی مقداری ناخالصی است. آب های سطحی، آب چاه و حتی آب شهری دارای برخی مواد خارجی مانند موارد زیر هستند:
– ذرات جامد معلق و نامحلول: موادی مانند شن، ماسه و جلبک از حمله این ناخالصی ها به شمار می روند. این مواد با عملیات فیلتراسیون فیزیکی از آب قابل جداسازی هستند.
– مواد محلول در آب: این ناخالصی ها قابل مشاهده نبوده و فیلتراسیون فیزیکی عادی قابلیت جداسازی آنها از آب را ندارد. مواد محلول در آب می توانند از نوع مواد آلی و یا معدنی بوده و بصورت یون باردار و یا غیر یونی باشند.
مواد محلول غیر یونی در آب بصورت “مولکول” بوده و در سایزها و با فرمول های شیمیایی مختلف در آب حضور دارند. از جمله این مولکول ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– دی اکسید کربن با سایز مولکولی کوچک با فرمول شیمیایی CO2
– قند با سایز مولکولی بزرگتر و فرمول شیمیایی C12H22O11
یون های محلول در آب
یونهای محلول در آب می توانند بصورت اتم ها و یا مولکول های باردار باشند. به یونهای با بار مثبت “کاتیون” و به یونهای با بار منفی “آنیون” گفته می شود. از آنجائیکه آب در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی است، مجموع بارهای مثبت و منفی یونهای محلول در آن برابر است.
ظرفیت بار الکتریکی یون ها می تواند متفاوت و معمولاً از یک ظرفیتی تا سه ظرفیتی باشند. همچنین یونها می توانند از یک اتم و یا چندین اتم به هم چسبیده تشکیل شده باشند.
به عنوان مثال می توان به یونهای مختلف زیر که معمولاً بصورت ناخالصی در آب وجود دارند، اشاره نمود:
– مولکول کاتیون تک ظرفیتی: یون آمونیوم (+NH4)
– اتم آنیون تک ظرفیتی: یون کلراید (–Cl)
– مولکول آنیون تک ظرفیتی: یون نیترات (–NO3)
– مولکول آنیون دو ظرفیتی: یون کربنات (—CO3)
این یون ها بصورت آزاد در آب شناور هستند و به یونهای با بار الکتریکی مخالف نچسبیده اند. تنها از نظر مجموع بار الکتریکی در آب با یکدیگر مساوی هستند.
آنیون ها و کاتیون های محلول در آب پیوند ضعیفی با مولکول های آب برقرار می کنند که اصطلاحاً به آن “هیدراته شدن” یون ها گفته می شود. در این حالت مانند شکل زیر، کاتیون ها جذب اتم اکسیژن و آنیون ها جذب اتم های هیدروژن آب می شوند.
مقدار TDS آب در انواع آب با منابع مختلف متفاوت است. آب دریا حاوی مقدار زیادی املاح بوده و TDS آن گاهی به بیش از 35,000 تا 40,000 میلیگرم بر لیتر می رسد. این در حالی است که این مقدار برای آب های سطحی و آب شهری می تواند به کمتر از 500 میلیگرم بر لیتر برسد.
تبادل یون
ناخالصی های موجود در آب
همانطور که اشاره شد، آب بصورت طبیعی حاوی املاح و ناخالصی های متعددی است. وجود بسیاری از این املاح برای انسان مشکل ساز نیست. حتی آب دارای مقدار محدودی نمک و املاح برای سلامتی انسان از آب کاملاً خالص مفیدتر است. اما در برخی موارد بهتر است این ناخالصی ها از آب حذف شوند.
ناخالصی های نامحلول در آب با روش های فیلتراسیون مختلف قابل جداسازی از آب هستند. فناوری ها و تجهیزات مختلف از فیلترهای میکرونی تا اولترافیلتراسیون روش های حذف ذرات معلق نامحلول در آب هستند که بسته به اندازه ذرات و نوع کاربرد، می توان از آنها استفاده کرد.
رزین های تبادل یونی
رزین های تبادل یونی، دانه های پلاستیکی یا ژله ای بسیار ریزی هستند که قطر آنها حدود 0.6 میلیمتر است. دانه های رزین متخلخل بوده و داخل ساختار آنها مقداری آب وجود دارد.
ساختار داخلی رزین ها از شبکه پلیمری تشکیل شده که تعدادی یون های ثابت و غیر قابل متحرک در آن قرار گرفته اند. برای حفظ تعادل الکتریکی ساختار رزین، به همان نسبت یون با بار الکتریکی مخالف بصورت شناور و قابل جدا شدن از رزین در کنار آنها قرار گرفته اند. این یون های متحرک بر خلاف یون های ثابت می توانند از ساختار رزین جدا و یا به داخل آن وارد شوند. برای درک بهتر این موضوع می توانید شکل زیر را مشاهده کنید.
ساختار رزین های آنیونی نیز به همین صورت است. رزین آنیونی شکل بالا از یونهای ثابت کواترنری آمونیوم با فرمول N+R3 (فرمول دقیقتر CH2-N+-(CH3)3) و آنیون متحرک کلراید (–Cl) تشکیل شده است. این ساختار نیز یکی از متداولترین ساختارهای رزین های آنیونی محسوب می شود.
همانطور که اشاره شد، تنها یون های دارای بار الکتریکی مشابه می توانند در فرآیند تبادل یون رزین با یونهای خارجی وارد شوند. هر نوع رزین الزاماً یا می بایست کاتیونی باشد و یا کاتیونی. چرا که اگر فرضاً رزینی وجود داشته باشد که یون های ثابت ساختار آن هم کاتیون و هم آنیون باشد، اصولاً دیگر تبادل یونی بین یون های متحرک این رزین با محیط خارجی وجود نخواهد داشت. تبادل یون به دلیل تمایل رزین به حفظ تعادل بار الکتریکی خنثی با توجه به بار الکتریکی یون ثابت ساختار آن شکل می گیرد.
استفاده از رزین های تبادل یونی در دو فرآیند مهم سختی گیری و تولید آب خالص بسیار متداول است. در ادامه به توضیح بیشتر این فرآیند ها پرداخته می شود.
سختی گیری آب
سختی یکی از متداولترین انواع املاح محلول در آب به شمار می رود. سختی یک مفهوم رایج برای نشان دادن مقدار کلسیم و منیزیم محلول در آب است. این یون ها می توانند در شرایطی با برخی دیگر از یون ها ترکیب و تشکیل رسوباتی را دهند که عمدتاً در جاهایی مانند کتری آب جوش، داخل لوله ها و آبگرمکن ها قابل مشاهده هستند.
نحوه انجام این تبادل یونی در شکل زیر نمایش داده شده است. رزین در ابتدا حاوی یون های متحرک سدیم است. ورود هر یون کلسیم و منیزیم به دانه های رزین، با خروج دو یون سدیم از آن همراه است. هیچ آنیونی از آب نمی تواند وارد رزین شود. زیرا همانطور که قبلاً گفته شد، آنیون موجود در رزین (–SO3) بصورت ثابت و چسبیده به ساختار پلیمر رزین است. لذا امکان تبادل یونی با آن وجود نخواهد داشت.
خالص سازی آب
به همین طریق، تمامی آنیون های محلول در آب نیز با آنیون –OH جایگزین می شوند. معادله شیمیایی این واکنش نیز برای آنیون های کلراید (–Cl) و سولفات (–SO4) به این صورت می باشد:
R”OH + Cl– → R”Cl + OH-1
2R”OH + SO4— → R”2SO4 + 2OH-1
در انتهای فرآیند خالص سازی آب، تمامی آنیون ها و کاتیون های محلول در آب در دانه های رزین جایگزین یون های آزاد +H و –OH آنها شده تا زمانی که رزین به حالت اشباع در بیاید. این وضعیت در شکل زیر قابل مشاهده است.
همانطور که ملاحظه شد، در این فرآیند آنیون ها و کاتیون های آب کاملاً حذف و به داخل دانه های رزین رفته و یون های آزاد شده +H و –OH خارج شده از رزین، تشکیل مولکول آب را می دهند.
H+ + OH– → HOH → H2O
عملکرد ستون رزین
رزین های تبادل یونی چه در سطح آزمایشگاهی و چه در سطح صنعتی، بصورت “ستون” (Column) رزین مورد استفاده قرار می گیرند. آب حاوی ناخالصی های یونی از بالای ستون وارد شده و به تدریج پس از عبور از دانه های رزین از پایین آن خارج می شود. شکل زیر این فرآیند را بصورت شماتیک نشان می دهد. همانطور که در شکل مشخص است، آب ضمن عبور از ستون رزین بتدریج با دانه های رزین، تبادل یون انجام داده و رزین ها از بالا به پایین شروع به از دست دادن یون متحرک خود و اشباع شدن می کنند. پس از گذشت مدت زمانی (عکس سمت راست)، عمده رزین ها اشباع شده و آب حاوی یون از سمت دیگر خارج می شود. در این شرایط، فرآیند باید متوقف شده و رزین اشباع با رزین تازه تعویض و یا احیا شود.
احیا
فرآیند احیا زمانی به درستی صورت می گیرد که غلظت ماده احیا کننده خیلی بالا (حدوداً 1000 برابر غلطت در آب معمولی) باشد. به عنوان مثال، محلول آب و نمک احیا می بایست با حداقل غلظت نمک 10% (حدود 100 گرم بر لیتر) آماده و مورد استفاده قرار گیرد.
در فرآیند خالص سازی آب با رزین، از اسید و بازهای قوی که توان تولید یون های +H و –OH در آب را دارند، برای احیای این نوع رزین ها استفاده می شود.
اسیدهای قوی مانند “اسید کلریدریک” (HCl) و یا “اسید سولفوریک” (H2SO4) بصورت کامل در آب حل می شوند و یون +H آزاد می کنند. یون +H آزاد شده می تواند طبق واکنش زیر مجدداً در دانه های رزین های کاتیونی استفاده شده برای خالص سازی آب قرار گرفته و آنها را مجدداً آماده کار کند.
همانطور که از فرمول واکنش های احیا مشخص است، پساب خروجی فرآیند احیا حاوی نمک های مختلفی است. تولید نمک در پساب احیای رزین ها، از جهت زیست محیطی یکی از معایب و محدودیت های استفاده از رزین در تصفیه آب به شمار می رود.
محدودیت های استفاده از رزین
در تصفیه آب با رزین های تبادل یونی، سه محدویت و شرط مهم وجود دارد:
– فرآیند تبادل یون برای شرایطی مؤثر است که غلظت محلول حاوی یون ناخالصی پایین باشد. در این حالت مدت زمان لازم برای اشباع ستون رزین به اندازه ای طولانی خواهد بود که استفاده از آن توجیه پیدا می کند. در حالتی که غلظت یون های محلول خیلی زیاد باشد، مدت زمان اشباع ستون رزین بسیار کم و میزان استفاده از مواد احیا کننده به حدی افزایش می یابد که عملاً این روش توجیه اقتصادی خود را از دست می دهد. در شرایط مذکور استفاده از روش های اسمز معکوس (RO) و تقطیر بیشتر از رزین های تبادل یونی کاربرد خواهند داشت.
– ناخالصی های غیر یونی محلول در آب را نمی توان با روش تبادل یونی از آب حذف کرد. برای جداسازی این ناخالصی ها می توان بسته به نوع آنها از مواد فیلتراسیونی مانند کربن فعال، جاذب های پلیمری و یا مولکولار سیو بهره برد.
تبادل یون گزینشی
از آنجائیکه فرآیند تبادل یون به میزان تمایل رزین به جذب یون های محلول در آب بستگی دارد، از رزین ها می توان برای حذف ناخالصی های یونی مختلف استفاده کرد. بارزترین نمونه این موضوع در فرآیند “سختی گیری” آب اتفاق می افتد. همانطور که در توضیح این فرآیند اشاره شد، در سختی گیری بیشتر کاتیون های کلسیم و منیزیم آب جای خود را به یون های سدیم می دهند. در سختی گیری، تبادل یون با سایر کاتیون ها جزئی تر و تبادل یون با آنیون ها کلاً اتفاق نمی افتد.
تمایل نسبی رزین کاتیونی قابل استفاده در سختی گیرهای رزینی به جذب کاتیون های مختلف را می توان به صورت زیر نشان داد:
کاتیون سوب (++Pb) نشان داده شده در ابتدای عبارت فوق، بیانگر این موضوع است که این کاتیون در صورت وجود در آب، حتی از کاتیون های کلسیم و منیزیوم نیز سریعتر جذب رزین می شود.
اصولاً یکی از مهمترین تفاوت های روش تبادل یون با اسمز معکوس در همین نکته است. آب در روش اسمز معکوس ضمن عبور از ممبران، درصد زیادی از کل املاح را از دست می دهد و امکان انتخاب بین آنها وجود ندارد. به همین دلیل، آب خروجی ممبران آبی نسبتاً خالص و عاری از همه انواع ناخالصی ها است.
مشابه آنچه در رزین کاتیونی سختی گیر بیان شد، رزین های آنیونی با یون متحرک کلراید (–Cl) نیز عمدتاً تمایل به جذب بیشتر آنیون های سولفات و نیترات دارند. به عبارتی دیگر، این رزین ها تمایل بیشتری به جذب آنیون های نیترات و سولفات نسبت به کلراید دارند. تمایل نسبی این رزین به آنیون ها را می توان به صورت زیر نشان داد:
SO4— > NO3– > Cl– > HCO3– > OH– > F-1
برخی از ناخالصی های یونی به سادگی با رزین های معمول قابل حذف از آب نیستند. به همین دلیل، تولید کنندگان معتبر رزین در دنیا برای حذف این یون ها از آب، رزین های مخصوصی تولید کرده اند. از جمله این ناخالصی های یونی که برای جداسازی آنها رزین های مخصوص تولید شده اند، می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– بورون
– کادمیوم، جیده و سایز فلزات سنگین
– کرومات
– سرب
– نیکل
– نیترات
– پرکلرات
جمعبندی
تصفیه آب با استفاده از رزین های تبادل یونی، از روش های بسیار قوی و قابل قبولی است که در سطح گسترده ای مورد استقبال قرار گرفته است. از جمله کاربردهای مرسوم این روش می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– سختی گیری آب در ورودی منازل
– سختی گیری آب برای استفاده در بویلرها و برج های خنک کن
– خالص سازی آب برای آزمایشگاه ها
– خالص سازی آب در نیروگاه های هسته ای و حرارتی
– خالص سازی آب در صنایع تولید سمی کانداکتور و چیپ های کامپیوتر
– حذف ناخالصی های نامطکاربرد رزین در تصفیه آب و تاثیرات مطلوب آن بر حذف کلسیم و منیزیم و سختی آب یکی از مهم ترین مباحث در صنعت می باشد و بر همین اساس تجهیزات متعددی طراحی و ارائه شده است. استفاده از رزین در تولید سختی گیر از جمله کاربردهای این ذرات کوچک باردار یونی می باشد که تا حد مطلوبی قادر به کاهش سختی آب هستند. گروه صنعتی هفت؛ و فاضلاب در ادامه به سوالاتی از قبیل کاربرد رزین در تصفیه آب چیست و چطور می توان با کمک این ذرات سختی آب را کاهش داد پاسخ می دهد.
آنچه در این مطلب می خوانید:
کاربرد رزین در تصفیه آب
رزین ترکیبی مصنوعی با مولکول های نسبتا بزرگ به شعاع 0.5 تا 0.25 میلیمتر می باشد که دارای دو قطب ناهمنام بوده و قادر به تبادل یون با ذرت باردار در محیط است. با توجه به وجود قطب های فعال آنها، این ذرات براحتی با سایر ذرات و مولکول های باردار موجود در محیط به تبادل یون پرداخته و به آنها متصل می گردند. با توجه به قدرت چسبندگی بسیار بالای این ذرات، در صنایع مختلف از قبیل تولید پلاستیک، کفپوش و چسب استفاده می گردد. از مهم ترین موارد کاربرد رزین تصفیه آب می باشد که هدف اصلی در آن، کاهش سختی و مولکول های کلسیم و منزیم موجود در آب است.
کاربرد رزین در تصفیه آب در مرحله اول به نوع ذرات استفاده شده برای این منظور بستگی دارد، اما در حالت کلی می توان گفت این ذرات با توجه به یا آنیون های فعال خود به تبادل یونی با ذرات معلق در آب با بار مثبت یا منفی پرداخته و باعث خنثی سازی خود و ذرات معلق می گردد. برای درک بهتر کاربرد این ذرات در تصفیه آب لازم است با انواع آن و ویژگی های هر یک بیشتر آشنا شوید که عبارتند از:
رزین کاتیونی در تصفیه آب
رزین های کاتیونی به ذرات یا پلیمرهایی گفته میشود که دارای نقاط کاتیونی متحرک و فعال بوده و قادر است در واکنش برای تبادل یون شرکت کند. از این نوع رزین برای حذف استفاده میشود، چون قادر است یون های منیزیم و کلسیم موجود در آب را با یون های سدیم موجود در این ذرات زرد و سفید رنگ جایگزین نماید. کاربرد رزین در تصفیه آب بر اساس قوی یا ضعیف بودن رزین کاتیونی نیز متفاوت خواهد بود. به طوریکه رزین های کاتیونی قوی قادر به حذف سختی آب و کاتیون های ضعیف تنها قادر به حذف سختی های موقت آب هستند. رزین های کاتیونی قوی استفاده شده برای کاهش سختی آب دارای سولفوریک فعال بوده و در نوع ضعیف آن از کربوکسیلیک استفاده می گردد. از جمله رزین های کاتیونی قوی می توان به پلی استایرن سولفونات و برای نوع ضعیف آن به کربوکسیلیک اسید اشاره نمود.
رزین آنیونی در تصفیه آب
کاربرد رزین در تصفیه آب و سختی گیری
با توجه به نوع رزین استفاده شده در فرآیند تصفیه آب، این ذرات قادر به حذف برخی از مواد و ذرات معلق در آب می باشند. از اصلی ترین کاربردهای رزین در تصفیه آب می توان به کاهش سختی آن اشاره نمود که یک تهدید بزرگ برای سلامتی انسان محسوب میشود. وجود منیزیم و کلسیم زیاد در آب از بزرگترین چالش ها در صنعت تصفیه آب می باشد که تجهیزات متعددی برای کاهش آن طراحی و تولید شده است. استفاده از فیلتر یا یکی از بهترین راهکارها در این زمینه می باشد که قادر است یون های منیزم و کلسیم را با یون سدیم فعال در رزین جایگزین کند. پس از استفاده متوالی از رزین به مرور لازم است نسبت به احیای سختگی گیر رزینی اقدام شود. برای احیای این ذرات و افزایش راندمان و بهبود کاربرد رزین در تصفیه آب از نمک برای شستشوی آنها استفاده می گردد. نکته مهم اینکه، با این روش نمی توان کلر و گوگرد و سایر مواد آلی موجود در آب را حذف نمود.
کاربرد رزین در خالص سازی آب
از دیگر کاربردهای رزین می توان به خالص سازی آب و کاهش مقدار کلر و فلزات سمی و سنگین موجود در آن اشاره نمود. منظور از فلزات سنگین در اینجا سرب و کادمیوم بوده که برای سلامتی بدن بسیار مضر هستند. علاوه براین، مس یکی از یون های سمی موجود در آب است که می توان با این ذرات تا حد مطلوبی نسبت به حذف آن اقدام نمود. فرآیند خالص سازی و حذف این فلزات با رزین به این صورت است که، تلاش میشود تا سدیم و کلسیم با این یون ها جایگزین شوند. البته، این ذرات در حذف کلر و مواد آلی موجود در آب بدرستی عمل نمی کند و به همین دلیل از نیز باید برای این منظور استفاده نمود.
ارتباط اندازه رزین با قدرت تبادل یون
رزین ها از نظر اندازه و روزنه های روی آنها با هم متفاوت می باشند و می توان آنها را در دو گروه با روزنه های ریز و درشت تقسیم بندی نمود. در حالت کلی، رزین هایی که دارای روزنه های ریز باشند، درجه بهم پیوستگی مولکولی آنها کمتر بوده و برای تصفیه آب کاربرد زیادی دارند. در مقابل، رزین با روزنه های درشت از نظر درجه بهم پیوستگی در سطح بالاتری بوده و قدرت تبادل یون و واکنش پذیری کمتری دارند. به عبارت دیگر، هر چه درجه بهم پیوستگی مولکولی در این ترکیبات بیشتر باشد، به همان اندازه ضریب و قدرت دریافت یون در آنها کمتر است. علاوه براین، هر اندازه درجه بهم پیوستگی مولکولی در دانه های رزین کمتر باشد، احیای آن بهتر و سریعتر صورت میگیرد.
با توجه به تاثیر ریز و درشت بودن روزنه های موجود در سطح رزین بر میزان واکنش پذیری آنها، چینش آنها در دستگاه های تصفیه آب باید با دقت صورت گیرد. به طوریکه در ورودی این تجهیزات از رزین هایی با دانه های درشت استفاده شده و در بخش های انتهایی لایه هایی از رزین های ریزتر مورد استفاده قرار میگیرد.
رزین اپوکسی
نوع دیگری از رزین که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد، رزین اپوکسی می باشد که در گروه رزین های دو جزئی قرار دارند. این ترکیبات از رزین و هاردنر تشکیل شده و قدرت چسبندگی بسیار بالایی داشته که این قدرت چسبندگی به دلیل واکنش شیمیایی بین این دو ماده می باشد. در ساختار کلی Epoxy resin دو کربن و یک مولکول اکسیژن وجود دارد که در نهایت ساختاری حلقوی و بسیار مقاوم و محکم را تشکیل می دهند. این گروه از ترکیبات رزین در صنعت تصفیه آب کاربرد نداشته و بیشتر در صنعت ساختمان و دکوارسیون مورد استفاده قرار میگیرد.
طراحی و تولید سختی گیر رزینی
با توجه به قدرت بالای رزین در کاهش سختی آب و ذرات معلق مانند کلسیم و منزیم موجود در آن، گروه صنعتی هفت طراحی و تولید سختی گیر رزینی را در مجموعه فعالیت های خود قرار داده است. سختی گیرهای تولید شده توسط این مجموعه از نظر اندازه و ابعاد و متریال به کار رفته برای آن، با توجه به شرایط محیط و تصفیه خانه و مقدار آب ورودی به آن انجم میشود. مهندسین و کارشناسان گروه صنعتی هفت پس از بررسی شرایط محیط و سایر فاکتورها و رعایت استانداردها در نهایت محصول مورد نظر را طراحی و با بهترین و باکیفیت ترین متریال نسبت به ساخت آن اقدام می کنند. برای برقراری ارتباط با این مجموعه و اطلاع از ویژگی های هر یک از محصولات آنها می توانید از راه های ارتباطی ذکر شده در پایین صفحه استفاده نمایید.
لوب از آب آشامیدنی
علاوه بر تصفیه آب، استفاده از رزین پرولایت c100e در سایر صنایع مانند صنایع غذایی، شیمیایی و تصفیه پساب نیز کاربردهای گوناگون و گسترده ای دارد.
منبع: یوتیوب