سیستم تبادل یونی
یونی که در سیستم تبادل یون مورد استفاده قرار می گیرد، معمولاً به فرآیند های تصفیه محلول های آبی با استفاده از رزین پلیمری تبادل یونی جامد گفته می شود. به عبارت دقیق تر، این اصطلاح شامل فرآیند های متنوعی است که در آن یون ها بین دو الکترولیت رد و بدل می شوند. گذشته از کاربرد آن برای تصفیه آب صنعتی در سیستم تبادل یونی، این روش به طور گسترده ای برای تصفیه و جداسازی انواع مواد شیمیایی مهم صنعتی و دارویی نیز استفاده می شود. اگرچه این اصطلاح معمولاً به کاربرد های رزین های مصنوعی (ساخته دست بشر) اشاره دارد، اما بسیاری از مواد، به ویژه سیلیس و مواد معدنی متخلخل نیز می توانند برای ایجاد بستر سیستم تبادل یونی ایفای نقش کنند.
مبادله کننده های یونی معمولی در سیستم تبادل یونی، رزین های پلیمری تبادل یونی(پلیمر متخلخل یا ژل عملکردی)، زئولیت ها، مونت موریلونیت، خاک رس و هوموس خاک هستند. مبادله کننده های یونی یا تبادل کننده های کاتیونی آنهایی هستند، که یون های دارای بار مثبت (کاتیون ها) را مبادله می کنند و مبدل های آنیونی آنهایی هستند که یون های بار منفی (آنیون ها) را مبادله می کنند. همچنین مبدل های آمفوتریک نیز وجود دارد که قادر به تبادل همزمان کاتیون ها و آنیون ها هستند. با این حال، می توان تبادل همزمان کاتیون ها و آنیون ها را در بسترهای مخلوط، که حاوی مخلوطی از رزین های تبادل آنیونی و کاتیونی است با کارایی بیشتری انجام داد.
رزین تبادل یونی در سیستم تصفیه آب صنعتی
رزین های تبادل یونی مهم ترین بخش موجود در یک سیستم تصفیه آب صنعتی به روش تبادل یونی است. رزین ها برای حضور در محیط آبی مقاوم شدند و به هیچ عنوان در آب حل نمی شوند و فقط یون های خود را از دست می دهند تا دیگر یونی در رزین باقی نماند. در این مرحله باید رزین در صورت سالم بودن، احیا شود و یا اگر رزین نیاز به تعویض داشت، به طور کلی تعویض شود. امکان احیای رزین تبادل یونی در تصفیه آب صنعتی به دلیل برگشت پذیر بودن فرآنید تبادل یونی است. اینکه در این سیستم چه نوع رزینی نیاز باشد، به انواع آلاینده های موجود در آب ها بستگی دارد. انتخاب بهینه این است که یا رزین آمفوتریک استفاده شود و یا اگر دسترسی به این نوع رزین محدود است، از بچ های محلوط رزین کاتیونی و آنیونی استفاده شود تا از تصفیه آب صنعتی اطمینان حاصل شود و این موضوع مشکلی برای صنایع به بار نیاورد.
همواره یکی از شعار های شرکت سازه های آبی با برند پیور آکوا، این بوده است که بتوند بهترین و با کیفیت ترین محصولات را در عین اینکه قیمت های پائین تری دارند به بازار عرضه کند تا از خسارات آب آلوده جلوگیری کند.
تبادل یونی رزینی
سیستم تبادل یونی مملو از رزین تبادل یونی است. تبادلات یونی بسته به ساختار شیمیایی آنها می تواند غیر انتخابی باشد یا ترجیحات اتصال آن برای یون ها یا کلاس های خاصی از یون ها باشد. ( به این گونه رزین ها، رزین های تبادل یون انتخابی یا selective ion exchange resin گفته می شود.) این رزین ها در سیستم تبادل یونی می توانند به دلیل اندازه ذرات یون ها، بار آنها یا ساختار آنها به یون های جدید اجازه اتصال بدهند.
نمونه های معمولی یون هایی که می توانند به مبدل های یونی متصل شوند:
- (پروتون)+H و OH (هیدروکسید).
- یون های تک اتمی باردار شده مانند +Na+ ، K و− Cl.
- یون های تک اتمی دو برابر شارژ مانند Ca+2 و Mg+2
- یون های غیر آلی پلی اتمی مانند SO4-2 و PO4-3
- بازهای آلی، معمولاً مولکول های حاوی گروه عاملی آمین −NR2H +.
- اسیدهای آلی، اغلب مولکول های حاوی گروه های عاملی اسید کربوکسیلیک
- مولکول های زیستی قابل یونیزه شدن: اسیدهای آمینه، پپتیدها، پروتئین ها و …
عملکرد دستگاه سختی گیر رزینی جهت پیش تصفیه دستگاه تصفیه RO
شاید بدانید که مهره های رزین تصفیه آب مورد استفاده در سیستم تبادل یونی موجود در نرم کننده آب، مواد معدنی سخت را جذب کرده و آن ها را از آب خارج می کند اما آیا می دانید که سیستم تبادل یونی دستگاه سختی گیر رزینی در پیش تصفیه دستگاه اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرد؟
چرا به پیش فیلتر نیاز دارید؟
ما به دلایل زیادی سختی آب را از بین می بریم. اولین دلیلی که برای بیشتر افراد به ذهن خطور می کند آسیبی است که مواد معدنی (مانند کلسیم یا منیزیم) به لوازم خانگی، لباسشویی، پوست و مو و …. می توانند وارد کنند. با این حال، نرم کردن باعث حذف هر ترکیب شیمیایی نمی شود، در اینجاست که از یک سیستم تبادل یونی برای پیش تصفیه استفاده می شود. سختی گیر رزینی گزینه مناسبی برای پیش تصفیه سیستم اسمز معکوس است.
یک سیستم سختی گیر رزینی می تواند مواد زیر را حذف کند:
۱- ناخالصی های فیزیکی مانند رسوب، زنگ زدگی یا سایر ذرات حل نشده
۲- مواد شیمیایی که بر طعم یا بو تأثیر می گذارند، مانند کلر و کلرامین یا سولفید هیدروژن
۳- تغییر رنگ مواد شیمیایی مانند آهن و منگنز
۴- این مواد می توانند در نرم کننده آب جمع شده و باعث عملکرد نا کارآمد یا حتی صدمه شوند.
از بین بردن این ناخالصی ها علاوه بر بهبود کیفیت و شفافیت آب، از عملکرد و ماندگاری نرم کننده آب شما محافظت می کند.
چرا دستگاه RO به پیش تصفیه نیاز دارند؟
آب شیرین کن (RO) امروزه از جمله متداول ترین فناوری های تصفیه آب در دو حوزه دولتی و خصوصی است. تولید کنندگان سیستم های RO سیستم های بزرگ شهرداری و همچنین جوامع کوچکتر را تأمین می کنند و سیستم های RO نیز استفاده تجاری گسترده ای دارند. به عنوان مثال، در صنایع غذایی و آشامیدنی.
با توجه به اهمیت آن ها در صنعت تجاری و تضمین سلامت عمومی، ضروری است که ما از یک عملکرد روان اطمینان حاصل کنیم. بر خلاف سایر فرایند های تولید، خرابی واحد یک مشکل ساده نیست. چنین سو مدیریتی با نقش خود در بهداشت عمومی می تواند فاجعه بار باشد. برای میلیون ها نفر بسته به منبع آب تمیز از چنین برنامه های تصفیه آب مختلف استفاده می شود.
برخی از تأثیرات عبارتند از:
۱- در دسترس نبودن آب آشامیدنی:
منابع آب می توانند بسیار آلوده، حتی نزدیک به سطح سمی باشند. نیروگاه های RO شهری در تأمین حداقل استاندارد آب آشامیدنی در مراکز شهری و روستایی نقش اساسی دارند.
۲- از دست دادن وابستگی به خود:
بسیاری از جوامع کوچک مانند مجتمع های مسکونی امروزه کارخانه های RO خود را تأسیس کرده اند. این امر اغلب در شهرهای پرجمعیت که آب مورد نیاز شهرداری به وضوح نا کافی است ضروری است. کارخانه اضافی RO به معنای از دست دادن تأمین کالایی است که این جوامع به آن وابسته هستند.
۳- ضرر تجاری:
برای کارخانجات تجاری، متوقف شدن سیستم تصفیه آب RO عواقب مالی مستقیم دارد. این بدان معناست که تولید نمی تواند طبق برنامه ادامه یابد و این بر تولید و درآمد تأثیر می گذارد. این امر همچنین بر اعتبار شرکت تأثیر می گذارد.
4- افزایش طول عمر سیستم RO:
بسیاری از دارندگان و بهره برداران کارخانه هنوز فکر می کنند که تعمیر و نگه داری منظم برای اطمینان از عملکرد روان کارخانه کافی است. با این حال، تولید کنندگان سیستم های RO مکانیسم مناسبی را برای پیش تصفیه توصیه می کنند. ما اغلب با آب بسیار آلوده ای روبرو هستیم که از قبل نیاز به تصفیه بیشتری دارد. قبل از درمان بار با غشای RO که با ارزش ترین و آسیب پذیرترین غشا است، باید با این روش های تصفیه آب، آلاینده های موجوددر آن را کاهش داد
مشکلات یک سیستم RO در غیاب پیش تصفیه
Fouling:
آب در اکثر سیستم های RO کاملاً آلوده است و بسیاری از آلاینده ها میکروسکوپی هستند. اگرچه قابل مشاهده نیستند، اما در صورت تجمع زیاد، این آلودگی ها می توانند غشای RO را مسدود کنند. این تجمع در سطح غشا به عنوان رسوب دهی شناخته می شود. این باعث کاهش جریان نفوذ و افت فشار می شود. این نه تنها باعث افزایش هزینه های عملیاتی می شود، بلکه باعث کاهش عمر غشا می شود.
در این جا لازم به ذکر است که رسوب زدایی اجتناب ناپذیر است زیرا آلودگی ها در یک طرف غشا جمع می شوند. پیش تصفیه فقط به ما کمک می کند تا روند کار را کند کنیم. برای به حداقل رساندن آلودگی های موجود در آب می توان از یک روش فیلتراسیون ساده استفاده کرد و در کنار آن یک سیستم سختی گیر رزینی به محیط اضافه کرد. این فیلتر معمولاً یک فیلتر چند حالته (MMF) یا فیلتر میکروفیلتراسیون (MF) است.
رسوب گذاری:
همه ما می توانیم هرجایی که آب جمع می شود نوعی رسوب گذاری را مشاهده کنیم. وقتی غلظت مواد معدنی در آب افزایش می یابد، رسوب در غشا RO شروع می شود که این فرآیند رسوب گذاری است. رسوب گذاری جریان های نفوذ را کاهش می دهد، باعث افت فشار می شود و تصفیه نمک را کاهش می دهد. در نتیجه، عملیات RO آسیب می بیند و کیفیت آب پایین می آید.
خطاهای مکانیکی:
برخی از آسیب ها ممکن است به دلیل خطا های لوله کشی به غشا آسیب برساند. ما می توانیم با نصب موتور هایی با فرکانس های متغیر، دریچه های فشار یا سوپاپ های چک، این مسئله را اصلاح کنیم.
تأثیر مواد شیمیایی:
امروزه اکثر تولیدکنندگان سیستم های RO سیستم هایی با غشا های کاملاً نازک می سازند. این امر باعث بهبود جریان نفوذ می شود. با این حال، غشای نازک به ویژه توسط مواد شیمیایی مانند کلر در برابر آسیب و حمله دو برابر آسیب پذیر هستند. این مواد شیمیایی می توانند سوراخ های غشا را پر کنند و به آن آسیب جبران ناپذیری برسانند.
این ها چهار علت و تأثیر اصلی عدم پیش تصفیه در یک سیستم RO است. سایر اثرات عمومی عبارتند از:
۱- کوتاه شدن عمر غشا
۲- هزینه های عملیاتی بالاتر
۳- کیفیت پایین آب
در بیشتر موارد، تولید کنندگان سیستم RO نصب کاملی را با ابزار و تجهیزات پیش تصفیه ارائه می دهند. این امر می تواند شامل دستگاه های فیلتراسیون، نرم کننده ها، مواد ضد عفونی کننده و کربن فعال باشد. کاملاً ساده و ارزان، این دستگاه ها می توانند به طور قابل توجهی عمر سیستم تصفیه را افزایش دهند.
برای مراحل پیش تصفیه سیستم RO می توان از سختی گیر رزینی یا همان سختی گیر آب استفاده کرد که تمامی مواد معدنی را حذف می کند و در نهایت عمر سیستم اسمز معکوس را بالا می برد.
روش کار رزین تبادل یونی
صنایع غذایی
امروزه بیش از هر زمان دیگری، غذا های فرآوری شده نیاز به مشخصات دقیق و خلوص مواد تشکیل دهنده آن ها دارند. محصولات شیرین کننده مختلفی که به نوشابه اضافه می شوند باید بدون رنگ، بدون بو و فاقد مواد معدنی باشند تا از استاندارد های کیفیتی که صاحبان برند و مصرف کنندگان از نوشیدنی های خود طلب می کنند، برخوردار باشند. شکر، الکل های قندی، شربت ذرت با فروکتوز بالا (HFCS)، شیرین کننده های با شدت بالا، مواد افزودنی غذایی و مواد مغذی (مانند اسیدهای آمینه ، اسیدهای آلی یا پلی فنول ها) برای مطابقت با مشخصات دقیق خلوص، به مورد آزمایش قرار گرفته می شوند. تولید کنندگان آب میوه نیز در معرض استاندارد های سازگار با کیفیت و قوام مشابه هستند که مصرف کنندگان هنگام انتخاب مارک های خود انتظار دارند. در همه موارد، منشأ این مولکول های مختلف غذایی طبیعت است. به علاوه، در طی فرآیند های استخراج یا تخمیر، ممکن است بسیاری از مولکول های نامطلوب مانند رنگ یا طعم و بو اضافه شوند. این ترکیبات اضافه شده نیز باید برای دستیابی به یک محصول نهایی خالص حذف شوند.
بسیاری از فناوری های تصفیه استفاده شده دارای محدودیت های بالقوه هستند:
۱- از تبلور برای بازیابی قند خام استفاده می شود، اما قند را به عنوان ملاس بر جای می گذارد.
۲- از تقطیر برای حذف آب و افزایش غلظت گلوکز و فروکتوز استفاده می شود، اما باعث ایجاد رنگ می شود و می تواند به عطر و طعم آسیب برساند.
۳- تکنیک های غشایی می توانند مواد معدنی را حذف کنند اما گران هستند و می توانند عملکرد را فدا کنند.
از طرف دیگر، فناوری سیستم تبادل یونی رزینی (IER) یک گزینه مقرون به صرفه است که نیازهای تصفیه را در بسیاری از طرح های پردازش مواد غذایی با حداقل محدودیت برآورده می کند. پلیمر های جامد فناوری سیستم تبادل یونی قادر به حذف یون ها و آلاینده های آلی در محلول های عبور داده شده از آن ها هستند. این فناوری در حال حاضر در چندین برنامه کاربردی نظیر خنثی سازی صنعتی آب، نرم سازی و داروسازی مورد استفاده قرار می گیرد، اما به ویژه برای کاربرد های پردازش مواد غذایی، که جدا سازی و تصفیه با عملکرد بالا بسیار مهم است، بسیار مناسب است.
عملکرد فنی راه حل های سیستم تبادل یونی آن ها را به گزینه ای مناسب برای تعدادی از برنامه های کاربردی فرآوری مواد غذایی با حجم بالا ، از جمله:
۱- شیرین کننده های نشاسته تصفیه
۲- تصفیه شکر چغندر
۳- رنگ زدایی نیشکر
۴- جداسازی های کروماتوگرافی
۵- تصفیه اسیدهای آمینه
۶- فرآوری مرکبات
۷- اسید زدایی و رنگ زدایی آب
۸- آب میوه
۹- تولید اسید سیتریک و لاکتیک
۱۰- عصاره گیاه و بازیابی پلی فنول
۱۱- خاکستر زدایی از آب پنیر و ژلاتین
نگاهی دقیق به استفاده از سیستم تبادل یونی در پردازش نشاسته نشان دهنده مزایای عملکردی است که سیستم تبادل یونی می تواند ارائه دهد. نشاسته حاصل از محصولاتی مانند ذرت و گندم به صورت دكستروز هیدرولیز می شود (كه در اروپا اغلب به آن گلوكز گفته می شود). پس از تبدیل آنزیم گلوکز به 42 درصد HFCS، جریان شیرین کننده معمولاً با IER تصفیه می شود تا با حذف نمک ها و مولکول های آلی غیر شیرین کننده، خوراک از بین برود و رنگ آن از بین برود. بعد ازکروماتوگرافی سیستم تبادل یونی فروکتوز را غنی می کند و فروکتوز با خلوص بالا را که معمولاً بیش از 90 درصد فروکتوز خلوص است بازیابی می کند. پس از کروماتوگرافی، به طور معمول از تصفیه نهایی با مخلوطی از رزین ها استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که نیاز های ماندگاری برآورده می شوند. فروکتوز با خلوص بالا می تواند به عنوان شیرین کننده با شدت بالا استفاده شود و یا به 42 درصد HFCS اضافه شود تا شیرینی آن به 55 درصد HFCS افزایش یابد. این یک ماده اصلی شیرین کننده برای بسیاری از ترکیبات نوشیدنی و مواد غذایی است.
بهبود جداسازی شیرین کننده
یکی از مهم ترین فاکتور های عملکرد در جداسازی کروماتوگرافی برای جداسازی های شیرین کننده ذرت و نشاسته، یکنواختی دانه های جداسازی است. یکنواختی بر میزان بسته بندی رزین کروماتوگرافی در بستر های جداسازی کروماتوگرافی و بازده کلی هیدرولیکی جریان سیال از طریق بستر رزین و همچنین انتشار مولکولی داخل و خارج دانه های رزین تأثیر می گذارد. اندازه و یکنواختی ذرات رزین هم بر میزان تفکیک شیرین کننده به دست آمده و هم افت فشار بر سیستم فرآوری تأثیر می گذارد. سیستم تبادل یونی کروماتوگرافی با اندازه ذرات یکنواخت مزایای مختلفی در مقایسه با سیستم تبادل یونی کروماتوگرافی معادل با توزیع گسترده تر ذرات ارائه می دهد:
۱- افت فشار در سیستم تبادل یونی، که امکان بهره وری و توان بالاتر را فراهم می کند.
۲- فرآورده غنی شده فروکتوز، نیاز به مقدار کمتری از آب شستشو برای تبخیر شدن، که باعث می شود مصرف انرژی کمتری داشته باشید و هزینه کمتری برای کار داشته باشید.
۳- سیستم تبادل یونی همچنین گزینه مهمی برای مرحله نهایی رنگ زدایی شکر نیشکر است، که یک کلید در تولید شکر سفید از نیشکر است. رنگ زدایی برای افزایش 20 تا 30 درصدی عملکرد تولید شکر سفید انجام شده است که می تواند به حداکثر درآمد افراد در زنجیره برداشت، فرآوری، تولید و مصرف کمک کند.
۴- بسیاری از اجسام رنگی که پس از مراحل قبل از عصا باقی مانده اند، آب گریز و آنیونی هستند. این باعث می شود که آنیون پایه قوی ماکرو متخلخل گزینه خوبی برای از بین بردن رنگ باشد زیرا اجسام رنگی از طریق فعل و انفعالات یونی و آب گریز به دانه ها متصل می شوند. سیستم تبادل یونی در مقایسه با سایر گزینه ها مانند کربن فعال، عملکرد و مزایای خوبی در بهره وری فرآیند دارد.
رزین اکریلیک و استایرن سیستم تبادل یونی مزایای مختلفی را برای این برنامه ارائه می دهد:
رزین های اکریلیک می توانند سطح بالایی از رنگ شربت ها را از بین ببرند. گروه های اکریلیک فقط به طور متوسط برای جداسازی رنگ انتخاب می شوند و باعث می شوند که رنگ جذب شده در حین بازسازی به طور موثری از بین برود و منجر به حداقل رسوب طولانی مدت شود. با این وجود، به دلیل این انتخاب پذیری متوسط از اکریلیک ها نمی توان برای دستیابی به رنگ خروجی بسیار کم استفاده کرد.
از طرف دیگر، رزین های استایرنیک بهترین انتخاب برای شربت کم رنگ است. رشته های استایرنیک انتخاب بالایی را برای جداسازی رنگ شکر نیشکر فراهم می کند و حذف رنگ کارآمد و رنگ نهایی پایین تر از آنچه با رزین های اکریلیک حاصل می شود را امکان پذیر می کند. بسته به سطح رنگ قند و نیاز به رنگ خروجی ممکن است نیاز به عبور چندگانه از بسترهای رزینی استایرنیک باشد. رزین های استایرنیک به دلیل انتخاب پذیری بیشتر برای اجزای رنگ، مستعد آلودگی های آلی هستند، بنابراین بازسازی خوب برای حفظ عملکرد رزین کلیدی است.
ترکیبی از هر دو رزین با دو ستون سری (اکریلیک استایرنیک) می تواند انعطاف پذیری بالاتری را برای کنار آمدن با تغییر کیفیت نیشکر در حال پردازش ارائه دهد.
فناوری پیشرفته آینده
با روند دقیق تر برچسب گذاری امروز، فشار برای مصرف قند های کمتر در حال افزایش است. با افزایش آگاهی مصرف کننده، روند تغییر فرم جدید حرکت به سمت گزینه های کم کالری در محصولات غذایی و آشامیدنی نیز افزایش می یابد. این امر در حال گسترش در بازار غیر سنتی قند برای ترکیباتی مانند الکل های قند و نیاز به ابزار های فرآوری موثر برای ارائه خلوص مورد نیاز برای موفقیت در فرمولاسیون های غذایی است.
شیرینی هنوز هم یکی از سلیقه های اساسی انسان است. با این حال، شیرینی فقط از قند حاصل نمی شود. از طریق نوآوری ها و اختراعات مداوم، تولید قند بسیار فراتر از ساکارز گسترش یافته است و در حال حاضر شامل انواع مختلفی از شیرین کننده ها، کالری دار مانند HFCS یا الکل های قند یا بدون کالری مانند شیرین کننده های با شدت بالا، در پاسخ به نیازهای مصرف کنندگان است. فعال کردن فناوری های تصفیه نقشی اساسی در تأمین خواسته های بازار در حال تحول سریع دارد و صنعت پردازش برای پرداختن به نوآوری های محصول جدید باید در کروماتوگرافی و تصفیه ها سرمایه گذاری کند.
روش کار رزین تبادل یونی
از سری سیستم های متداول نرم کننده آب در نظر گرفته شده برای استفاده در منازل و یا صنعتی، سیستم تبادل یونی است. سیستم تبادل یونی و عملکرد آن به رزین تبادل یونی بستگی دارد که در آن “یون های سختی” – عمدتا Ca2 + و Mg2 + – با یون های سدیم مبادله می شوند. همان طور که توسط استاندارد 44 NSF / ANSI شرح داده شده است، دستگاه های تبادل یونی با جایگزینی منیزیم و کلسیم (Mg2 + و Ca2 +) با یون های سدیم یا پتاسیم (Na + و K +) ، سختی را کاهش می دهند. رزین های تبادل یونی، پلیمر های آلی حاوی گروه های عاملی آنیونی هستند که کاتیون های دو ظرفیتی (Ca2 +) با شدت بیشتری نسبت به کاتیون های یک ظرفیتی (Na +) به آن ها متصل می شوند. مواد غیر آلی به نام زئولیت ها نیز دارای خصوصیات تبادل یونی هستند. از این مواد معدنی به طور گسترده در مواد شوینده لباس استفاده می شود. همچنین رزین هایی برای حذف یون های کربنات، بی کربنات و سولفات جذب شده و یون های هیدروکسید آزاد شده از رزین در دسترس است. وقتی همه یون های Na + موجود با یون های کلسیم یا منیزیم جایگزین شدند، بسته به نوع رزین مورد استفاده، رزین باید با شستشوی یون های Ca2 + و Mg2 + با استفاده از محلول کلرید سدیم یا هیدروکسید سدیم شارژ شود. برای رزین های آنیونی، در بازسازی به طور معمول از محلول هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم استفاده می شود.
نحوه عملکرد دستگاه تبادل یونی
در سیستم تبادل یونی، رزین تبادل یونی قرار گرفته است تا با تبادل یون، یون های آلاینده موجود در آب را از بین ببرد. این رزین ها که در سیستم تبادل یونی، یک بستر را تشکیل می دهند، در مخازن مخصوصی که عمق آن ها عمدتا بین ۳۰ تا ۶۰ اینچ است، ساخته شده اند. در برخی از انواع سیستم های تبادل یونی، از بستر های دیگری مانند بستر هایی از شن و ماسه، به عنوان بستر پشتیبان رزین تبادل یونی استفاده می شود. آب از طریق ورودی آب به سیستم تبادل یونی وارد می شود. آب در این مرحله وارد بستر های پشتیبان رزین تبادل یونی سیستم تبادل یونی می شود تا بخشی از آلاینده های خود را از دست بدهد. پس از آن آب وارد بستر اصلی تبادل یونی که همان رزین های تبادل یونی سیستم تبادل یونی هستند، می شوند. در این مرحله یون هایی مانند کلسیم، منیزم، اهن و … حذف می شوند. پس از این مرحله می توان یک دستگاه ضدعفونی کننده آب را در سیستم تبادل یونی داشت تا آب از هر گونه میکروارگانیسم بیماری زا عاری شود. در ادامه به منظور حفاظت از دستگاه، سیستم تبادل یونی باید یک سیستم بک واش داشته باشد تا آلاینده های موجود در فیلتر ها را از آن ها خارج کند. ممکن است این سیستم بک واش حتی از یک شست و شوی ساده با نمک طعام کمک بگیرد تا رزین سیستم تبادل یونی احیا شود.
رزین تبادل یونی و سازوکار تبادل یون
رزین تبادل یونی یا پلیمر تبادل یونی، رزینی است که به عنوان واسطه ای برای تبادل یونی در سیستم تبادل یونی عمل می کند. رزین تبادل یونی سیستم تبادل یونی، یک ماتریس نامحلول است که به طور معمول به صورت ریز دانه های کوچک (شعاع 0.25-0.5 میلی متر) با رنگ معمولاً سفید یا مایل به زرد، از یک لایه پلیمر آلی ساخته می شوند. این دانه ها معمولاً متخلخل هستند و سطح وسیعی را در داخل و درون آن ها به دام می اندازند که به همراه رها سازی یون های دیگر بهم پیوسته و بنابراین فرآیند تبادل یونی نامیده می شود. انواع مختلفی از رزین تبادل یونی وجود دارد. بیشتر رزین های تجاری از پلی استایرن سولفونات ساخته می شوند.
دانه های رزینی تبادل یونی
رزین های تبادل یونی در سیستم تبادل یونی به طور گسترده ای در فرایند های مختلف جداسازی، تصفیه و ضد عفونی استفاده می شوند. متداول ترین نمونه ها نرم سازی آب و تصفیه آب است. در بسیاری از موارد، رزین های تبادل یونی در چنین فرآیند هایی به عنوان جایگزین انعطاف پذیرتر برای استفاده از زئولیت های طبیعی یا مصنوعی معرفی شدند. همچنین، رزین های تبادل یونی در روند فیلتراسیون بیودیزل بسیار موثر هستند. بیشتر رزین های تبادل یونی معمولی بر پایه پلی استایرن با لینک عرضی هستند. سایت های مبادله یونی واقعی پس از پلیمریزاسیون معرفی می شوند. به علاوه در مورد پلی استایرن، اتصال متقاطع توسط کوپلیمریزاسیون استایرن و چند درصد دیوینیل بنزن ایجاد می شود. پیوند عرضی ظرفیت تبادل یونی رزین را کاهش می دهد و مدت زمان مورد نیاز برای انجام فرایند های تبادل یونی را طولانی می کند اما مقاومت رزین را بهبود می بخشد. اندازه ذرات همچنین بر پارامتر های رزین تأثیر می گذارد. ذرات کوچکتر سطح خارجی بزرگتری دارند ، اما باعث از بین رفتن بیشتر سر در فرایند های سیستم تبادل یونی می شوند. رزین های تبادل یونی علاوه بر اینکه به عنوان مواد مهره ای شکل ساخته می شوند، به صورت غشایی نیز تولید می شوند. این غشا های تبادل یونی، که از رزین های تبادل یونی بسیار متقاطع ساخته شده اند، اجازه عبور آب را می دهند، اما یون ها نمی توانند از آن ها خارج شوند.
بازیابی آب و پساب
اکثر سیستم های تبادل یونی حاوی ظروف رزین تبادل یونی هستند که به صورت چرخشی کار می کنند. در طی فرآیند فیلتراسیون، آب از درون ظرف رزین عبور می کند تا زمانی که رزین تمام شود. این عمل تا زمانی اتفاق می افتد که آب خارج شده از تبادل کننده یون بیش از حداکثر غلظت مجاز از یون های غیر مجاز موجود در آب را داشته باشد. سپس رزین مورد استفاده در سیستم تبادل یونی را با شستشوی متوالی بستر رزین جهت از بین بردن مواد جامد تجمع یافته در رزین تصفیه آب، شستشوی رزین ها با یون های خارج شده از رزین با محلول غلیظ یون های جایگزین و شستشوی محلول شستشو از رزین انجام می شود. نرم کننده های آب یا همان سختی گیر های آب معمولاً با آب نمک حاوی 10٪ کلرید سدیم احیا می شوند. جدا از نمک های کلرید محلول کاتیون های دو ظرفیتی که از آب نرم شده برداشته می شوند، پساب خود سیستم تبادل یونی که به واسطه نرم کنندگی آب به وجود آمدند، حاوی 50 – 70٪ استفاده نشده از آب نمک احیا کننده رزین مورد استفاده در سیستم تبادل یونی است که برای برگشت تعادل رزین تبادل یونی لازم است. بازسازی رزین دیونیزه با اسید سولفوریک و هیدروکسید سدیم تقریباً 40-20٪ کارآمد است. پساب ناشی از سیستم تبادل یونی خنثی شده، حاوی تمام یون های حذف شده به علاوه 2.5 تا 5 برابر غلظت معادل آن ها به عنوان سولفات سدیم است.
تصفیه آب
در این کاربرد سیستم تبادل یونی، از رزین های تبادل یونی برای حذف یون های سمی (به عنوان مثال مس) و فلزات خطرناک (به عنوان مثال سرب یا کادمیوم) از محلول استفاده می شود و یون های بی خطر بیشتری مانند سدیم و پتاسیم جایگزین می شوند. تعداد کمی از رزین های تبادل یونی در سیستم تبادل یونی باعث حذف کلر یا آلاینده های آلی از آب می شوند. این کار معمولاً با استفاده از فیلتر ذغال فعال به همراه رزین انجام می شود. برخی رزین های تبادل یونی وجود دارند که یون های آلی را از بین می برند، مانند رزین های MIEX (تبادل یونی مغناطیسی). رزین تصفیه آب خانگی معمولاً شارژ نمی شود و وقتی دیگر نمی توان از آن استفاده کرد، رزین دور ریخته می شود. آب با بالاترین خلوص برای وسایل الکترونیکی، آزمایش های علمی، تولید ابر رسانا ها و صنایع هسته ای و غیره مورد نیاز است. چنین آبی با استفاده از فرایند های تبادل یونی یا ترکیبی از روش های تبادل یونی و غشایی تولید می شود.
تصفیه آب شامل چه مراحلی است؟
منابع آب آشامیدنی در در کشور های مختلف می توانند عضو منابع کم خطر آب باشند اما این کم خطری به معنای استفاده بدون تصفیه از این منابع نیست. با این حال، می توان آلاینده های زیادی در منابع آب آشامیدنی پیدا کرد که باعث بیماریهای باکتریایی، ویروسی و … شود و نه تنها از آب منتقل شود، بلکه به راحتی از انسان ها نیز منتقل شود. به عنوان مثال، Cryptosporidium ، E. coli ، هپاتیت A ، Giardia روده و سایر عوامل بیماری زا. منابع آب آشامیدنی در معرض آلودگی هستند و برای از بین بردن عوامل ایجاد کننده بیماری نیاز به تصفیه آب مناسب دارند. سیستم های آب آشامیدنی عمومی از روش های مختلف تصفیه آب برای تأمین آب آشامیدنی سالم برای جوامع خود استفاده می کنند. امروزه، معمول ترین مراحل در تصفیه آب که توسط سیستم های تصفیه خانه های آب مورد استفاده قرار می گیرد به شرح زیر هستند:
انعقاد و لخته سازی
عضو اولین مراحل تصفیه آب است. مواد شیمیایی با بار مثبت به آب اضافه می شوند. بار مثبت این مواد شیمیایی بار منفی آلودگی و سایر ذرات محلول در آب را خنثی می کند. وقتی این اتفاق می افتد، ذرات با مواد شیمیایی پیوند می یابند و ذرات بزرگتری را تشکیل می دهند که لخته نامیده می شوند.
رسوب گذاری
در هنگام رسوب، به دلیل وزن لخته ها، لخته های تولید شده در مرحله قبل به پایین منبع آب رسوب می کند. این فرایند ته نشینی رسوبگذاری نامیده می شود. ذراتی که از سیستم تعلیق خارج می شوند رسوب می کنند و در تصفیه آب به عنوان لجن شناخته می شود.
زلال سازی
پس از ته نشینی لخته ها به پایین منبع آب، آب شفاف موجود در بالای آن از فیلتر هایی با ترکیبات مختلف (شن، شن و ذغال) و ... .و متناسب با سایز منافذ عبور می کنند تا ذرات نامحلول مانند گرد و غبار، انگل ها، باکتری ها، ویروس ها، مواد شیمیایی و... را از بین ببرد.
ضد عفونی
پس از فیلتر شدن آب، ممکن است ضدعفونی کننده ای (به عنوان مثال کلر ، کلرامین) به منظور از بین بردن انگل ها، باکتری ها و ویروس های باقیمانده و محافظت از آب در برابر میکروارگانیسم ها هنگامی که به خانه ها و مشاغل منتقل می شود، اضافه شود.
مراحل تصفیه آب خانگی و صنعتی
حتی اگر ادارات نظارت بر استاندارد آب این آب تصفیه شده را برای استفاده های صنعتی و خانگی تایید کند، باز هم برای اطمینان از کیفیت آب باید از تصفیه آب صنعتی استفاده شود.
دستگاه های تصفیه آب چه عملیاتی انجام می شود؟
- آلودگی های خاص را از بین می برد.
- طعم آب آشامیدنی را بهبود می بخشد.
- سختی موجود در آب را که می تواند برای صنایع مخرب باشد را از بین می برد.
متداول ترین روش های مورد استفاده برای تصفیه آب
- فیلتر آب ابزاری است که با استفاده از یک مانع فیزیکی، شیمیایی و یا فرآیند بیولوژیکی ناخالصی های موجود در آب را از بین می برد.
- نرم کننده آب وسیله ای است که سختی آب را کاهش می دهد. یک نرم کننده آب معمولاً از یون های سدیم یا پتاسیم برای جایگزینی یون های کلسیم و منیزیم استفاده می کند ، یون هایی که "سختی" ایجاد می کنند.
- تقطیر فرآیندی است که در آن آب ناخالصی جوشانده می شود و بخار آن در ظرف جداگانه ای جمع می شود و تغلیظ می شود و بسیاری از آلاینده های جامد را پشت سر می گذارد. بدین ترتیب است که بسیاری از نمک های معدنی دیگر نمی توانند در آب وارد شوند.
- ضد عفونی کردن، یک فرایند فیزیکی یا شیمیایی است که در آن میکروارگانیسم های بیماری زا غیرفعال شده یا از بین می روند. نمونه هایی از ضد عفونی کننده های شیمیایی کلر، دی اکسید کلر و ازن هستند. نمونه هایی از ضد عفونی کننده های فیزیکی شامل اشعه ماورا بنفش، تابش الکترونی و گرما است. بهترین نوع ضدعفونی کردن چه از نظر هزینه، چه از نظر تکنولوژی بهره گیری از اشعه ماورا بنفش است.
سیستم تبادل یونی
سیستم تبادل یونی یکی از سیستم های مورد استفاده در پکیج تصفیه آب صنعتی شرکت پیورآکوا است. سیستم تبادل یونی، از جنس یک پلیمر یا رزین ساخته می شود که در آب حل نمی شوند. همین سیستم حاوی یک سری از نمک های معدنی و یا حتی کاتیون ها و آنیون هاست. نوع رزین در سیستم تبادل یونی بسته به کاربری آن انتخاب می شود. در همین حین، یون های داخل رزین که اتفاقا از نظر بار و سایز مشابه یون های آلاینده و سخت کننده آب هستند، در آب آزاد می شوند و در نهایت یون های مضر به رزین می چسبند. در ادامه بیشتر با سیستم تبادل یون آشنا می شویم. آبی که از طریق سیستم تبادل یونی تولید می شود، کیفیت بسیار بالایی دارد و در صنایع داروسازی، دیگ های بخار، صنایع هسته ای و … مورد استفاده قرار می گیرد.
روش های ضد عفونی در تصفیه آب صنعتی
کلر زنی
روش کلر زنی یکی از رایج ترین روش های ضد عفونی کردن آب است. در تصفیه آب صنعتی نیز می توان از کلر استفاده کرد اما باید نکاتی را مد نظر قرار داد. اول اینکه روش کلرزنی برای تصفیه آب در صنعت، نیاز به تجهیزات متعدد از جمله تزریق کننده، مخازن مواد شیمیایی مانند سدیم پر کلرات و .. است. نکته مهم دیگر اینکه این تجهیزات فضای زیادی اشغال می کنند و همین موضوع نیز نکته مهمی برای صنایعی است که فضای کمی دارند. نکته ای مهم که برای سلامتی انسان بسیار ضروری است این است که گاز کلر بسیار خطرناک است و برای ضد عفونی کردن در تصفیه آب صنعتی، باید گاز کلر را حمل کرد و بعد نیز به آب اضافه کرد که سلامت افراد را به خطر می اندازد. دلیل این مخاطرات، قدرت اکسیداسیون بسیار بالای کلر است و دلیل دیگر آن اینکه گلر در حالت گازی وارد ریه می شود و در آن جا به حالت جامد در می آید و بخش زیادی از حجم ریه را از بین می برد. همچنین کلر گازی است که به راحتی عامل انفجار می شود. در عین حال باید این نکته را در نظر داشت که کلر موجود در سیستم تا لحظه ای که آب مورد استفاده قرار می گیرد به طور کامل از آب خارج نمی شود و در این صورت خوردگی شدیدی را به بار می آورد.
ضد عفونی کردن آب با گاز ازن
ازن گازی متشکل از سه اکسیژن و با قدرت اکسید کنندگی بسیار بالا تر از اکسیژن است. به دلیل اینکه ازن یک اکسید کننده قوی است می تواند به عنوان ضد عفونی کننده در تصفیه آب صنعتی به کار رود. ازن گازی است که بسیار ناپایدار است و این موضوع در حین ذخیره سازی و استفاده از آن خطرناک است. ازن همچنین به شدت آتش گیر است و می تواند باعث انفجار شود. از طرفی به دلیل ناپایداری آن باید ازن در محل تولید و مصرف شود که این موضوع خود مشکل اساسی است. این نکته حائز اهمیت است که بر خلاص کلر و سایر مواد شیمیایی ضد عفونی کننده، ضد عفونی کردن با اوزون به هیچ عنوان اثر مخربی بر روی آب ندارد.
پیش تصفیه آب
آلودگی موجود در آب ها متنوع و زیاد هستند و برای حفظ سلامت سیستم، بخشی از این آلاینده ها باید قبل از ورود به دستگاه آب شیرین کن RO صنعتی از آب حذف شوند. این عملیات باعث افزایش کارایی و کیفیت دستگاه آب شیرین کن RO صنعتی و همچنین افزایش زمان کار ممبران های مورد استفاده در دستگاه آب شیرین کن RO صنعتی می شود. از جمله این آلودگی ها می توان به ذرات معلق، گاز ها و فلزات سمی اشاره کرد که در مرحله پیش تصفیه توسط فیلتر شنی، فیلتر کربنی و یا فیلتر های حذف کننده رسوب، از آب حذف می شوند.
تبادل یونی در جداسازی فلز
فرآیند های تبادل یونی برای جداسازی و تصفیه فلزات، از جمله جدا کردن اورانیوم از پلوتونیوم و سایر اکتینیدها، از جمله توریم، استفاده می شود. این سیستم تبادل یونی همچنین برای جداسازی لانتانیم، نئودیمیم، ایتربیم، ساماریوم و لوتتیوم از یکدیگر مورد استفاده قرار می گیرد. دو سری فلزات خاکی کمیاب وجود دارد، لانتانید ها و اکتینیدها. اعضای هر خانواده دارای خصوصیات شیمیایی و فیزیکی بسیار مشابهی هستند. تبادل یونی برای سال ها، تنها روش عملی برای جداسازی فلزات نادر در مقادیر زیاد بود. پس از آن، استخراج با حلال بیشتر استفاده از رزین های تبادل یونی را به جز محصولات با بالاترین خلوص جایگزین کرده است. یک مورد بسیار مهم فرآیند PUREX (فرآیند استخراج پلوتونیوم – اورانیوم) است که برای جداسازی پلوتونیوم و اورانیوم از مواد سوخت مصرف شده از یک راکتور هسته ای و برای دفع مواد زائد استفاده می شود. سپس، پلوتونیوم و اورانیوم برای ساخت مواد انرژی هسته ای مانند سوخت راکتور جدید و سلاح های هسته ای در دسترس قرار می گیرند. رزین های تبادل یونی در سیستم تبادل یونی نیز یک جز ضروری در استخراج اورانیوم لیچ هستند. بازیابی درجا شامل استخراج آب حامل اورانیوم (درجه بندی تا 0.05٪ U3O8 پایین) است. محلول اورانیوم استخراج شده از طریق دانه های رزین فیلتر می شود. از طریق فرایند تبادل یونی، دانه های رزین اورانیوم را از محلول جذب می کنند. سپس رزین های پر از اورانیوم به یک کارخانه فرآوری منتقل می شوند. جایی که U3O8 از دانه های رزین جدا شده و کیک زرد تولید می شود. سپس می توان دانه های رزینی را به تأسیسات تبادل یونی برگرداند، در آن جا دوباره مورد استفاده قرار داد.
از سیستم تبادل یونی برای جداسازی مجموعه های دیگری از عناصر شیمیایی بسیار مشابه مانند زیرکونیوم و هافنیوم نیز استفاده می شود که اتفاقاً برای صنعت هسته ای نیز بسیار مهم است. زیرکونیوم عملاً در برابر نوترون های آزاد شفاف است که در ساخت راکتورها استفاده می شود. اما هافنیوم یک جذب کننده بسیار قوی نوترون ها است که در میله های کنترل راکتور استفاده می شود.
سنتز مواد جدید
رزین های تبادل یونی در سنتز آلی استفاده می شوند. به عنوان مثال برای استری کردن و یا فرآیند های هیدرولیز از رزین استفاده می شود. سطح بالا و نامحلول آن ها برای واکنش های فاز بخار و فاز مایع مناسب هستند. نمونه هایی را می توان یافت که از پایه (فرم OH-)) رزین های تبادل یونی برای خنثی سازی نمک های آمونیوم و تبدیل هالید های آمونیوم به هیدروکسید استفاده می شود. از رزین های تبادل یونی اسیدی (شکل + H) به عنوان کاتالیزور اسید جامد برای برش گروه های محافظ اتر استفاده شده است.
سیستم تبادل یونی مناسبی در انواع مشاغل
صنایع نوشیدنی
از رزین های تبادل یونی در ساخت آب میوه مانند آب پرتقال و ... استفاده می شود. چرا که برای از بین بردن اجزای مزه دار تلخ و بهبود عطر و طعم موثر واقع می شود. سیستم تبادل یونی اجازه می دهد تا از منابع میوه ترش یا ضعیف تر برای تولید آب میوه استفاده شود.
تولید شکر
از رزین های تبادل یونی در ساخت شکر از منابع مختلف استفاده می شود. از آن ها برای کمک به تبدیل یک نوع قند به نوع دیگر شکر و رنگ زدایی و خالص سازی شربت های قند استفاده می شود.
داوسازی
رزین های تبادل یونی در سیستم تبادل یونی، نه تنها برای کاتالیز کردن واکنش های خاص، بلکه برای جداسازی و تصفیه مواد فعال دارویی، در ساخت دارو استفاده می شوند. از سه رزین تبادل یونی، سدیم پلی استایرن سولفونات، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان مواد فعال استفاده می شود. سدیم پلی استایرن سولفونات یک رزین تبادل یونی به شدت اسیدی است و برای درمان هایپرکالمی استفاده می شود. کلستیپول یک رزین تبادل یونی ضعیف اساسی است و برای تصفیه هایپرکلسترولمی استفاده می شود. کلستیرامین یک رزین تبادل یونی کاملاً اساسی است و برای تصفیه هایپرکلسترولمی نیز استفاده می شود. کلستیپول و کلستیرامین به عنوان گیرنده های اسید صفراوی شناخته می شوند. رزین های تبادل یونی همچنین به عنوان مواد افزودنی در فرمولاسیون های دارویی مانند قرص، کپسول و سوسپانسیون استفاده می شوند. در این کاربرد ها، رزین تبادل یونی می تواند چندین عملکرد مختلف داشته باشد. از جمله این کاربرد ها می توان به از بین بردن طعم، انتشار طولانی مدت، تجزیه قرص و بهبود ثبات مواد شیمیایی فعال اشاره کرد.
رزین تبادل کننده یون در سیستم تبادل یونی
رزین های تبادل یون، هسته مرکزی و اصلی سیستم تبادل یونی هستند. به عبارتی اگر این رزین ها وجود نداشتند، سیستم تبادل یونی معنایی نداشت. رزین های مبادله کننده یون، جامدات ریز ساختاری هستند اما در درون خود حفراتی دارند که به مانند بستر عمل می کنند. بستری از انواع یون های آماده تعویض که برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند. فاز جامد که همان رزین باشد باید برای شروع فرآیند در کنار سیالات قرار گیرند. رزین تبادل یونی در سیستم تبادل یونی، می توانند یون های آلاینده را در خود به دام بیندازند و در ازای این یون ها، یون های داخل خود را از دست می دهند. توجه داشته باشید که این فرآیند یک فرایند بازگشت پذیر است. این موضوع کمک می کند تا رزین پس از اشباع شدن با یون های نامطلوب، با یک شست و شوی ساده توسط حلال ها و یا ترکیبات مختلف احیا شوند و مجددا مورد استفاده قرار گیرند. این نکته باعث شده تا این روش تا حد قابل ملموسی مقرون به صرفه تر شود.
رزین های تبادل یونی در سیستم تبادل یونی، انواع مختلفی دارند. آلاینده های کاتیونی با کاتیون های موجود در رزین جابجا می شوند و آلاینده های آنیونی که در آب هستند، با یون های بار منفی یا همان آنیون ها جابجا می شوند. این موضوع و استفاده همزمان از آنیون ها و کاتیون ها در رزین سیستم تبادل یونی کمک می کند تا بار آب خنثی شود.
انواع رزین های تبادل کننده یون در سیستم تبادل یونی
- رزین های تبادل یون آنیونی قوی SBA) Strong basic anion)
- رزین های تبادل یونی آنیونی ضعیف WBA) Weak basic anion)
- رزین های تبادل یونی کاتیونی قوی SAC) Strong acidic Cation)
- رزین های تبادل یونی کاتیونی ضعیف WAC) Weak acidic Cation)
ویژگی های رزین مبادله یون سیستم تبادل یونی
- رزین مورد استفاده در سیستم تبادل یونی باید در آب نامحلول باشد یا اصطلاحا آب ایستا باشد.
- در سیستم تبادل یونی، رزین های مورد استفاده باید یونهایی داشته باشند تا تبادل روی آنها صورت گیرد.
- رزین های مورد استفاده در سیستم تبادل یونی باید از نظر ساختار شبکه، فضایی کافی برای تعویض یون ها داشته باشند. این بدین معنی است که باید رزین ها قابلیت خروج و پس از آن ورود یک یون را ایجاد کنند تا فرآیند به درستی انجام شود.
رزین تبادل یونی آنیونی در سیستم تبادل یونی
رزین تبادل یونی آنیونی قوی، می تواند علاوه بر جذب آنیون ها، آلاینده های آلی را نیز جذب کند. همچنین رزین های تبادل یونی آنیونی در سیستم تبادل یونی نیز آلاینده های آلی را جذب می کنند. رزین آنیونی ضعیف به این علت مناسب است که آن را قبل از رزین تبادل یونی آنیونی قوی در سیستم تبادل یونی قرار دهیم و آلاینده هایی که می توانند در رزین آنیونی ضعیف به دام بیفتند از آب حذف شوند تا اتلاف رزین آنیونی قوی زیاد نباشد. رزین آنیونی ضعیف با یک شست و شوی آسان و راحت، احیا می شود. رزین های آنیونی می توانند علاوه بر ترکیب های آلی، را نیز حذف کنند و دلیل آن این است که این ترکیبات کاتیون نیستند که توسط رزین های کاتیونی از آب حذف شوند.
آلاینده هایی که به رزین تبادل یونی آنیونی قوی در سیستم تبادل یونی می چسبند، به راحتی از رزین جدا نمی شوند و بنابر این در هر بار استفاده بخشی از رزین برای همیشه غیر قابل احیا به روش های آسان می شود. به همین دلیل است که می گوییم رزین آنیونی ضعیف اگر پیش از رزین آنیونی قوی قرار گیرد، مدت زمان کارایی سیستم تبادل یونی افزایش می یابد. از این رزین ها در تصفیه آب صنعتی پیورآکوا نیز استفاده می شود.
ظرفیت رزین آنیونی در سیستم تبادل یونی
رزین های تبادل یون، هسته مرکزی و اصلی سیستم تبادل یونی هستند. به عبارتی اگر این رزین ها وجود نداشتند، سیستم تبادل یونی معنایی نداشت. رزین های مبادله کننده یون، جامدات ریز ساختاری هستند اما در درون خود حفراتی دارند که به مانند بستر عمل می کنند. بستری از انواع یون های آماده تعویض که برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند. فاز جامد که همان رزین باشد باید برای شروع فرآیند در کنار سیالات قرار گیرند. رزین تبادل یونی در سیستم تبادل یونی، می توانند یون های آلاینده را در خود به دام بیندازند و در ازای این یون ها، یون های داخل خود را از دست می دهند. توجه داشته باشید که این فرآیند یک فرایند بازگشت پذیر است. این موضوع کمک می کند تا رزین پس از اشباع شدن با یون های نامطلوب، با یک شست و شوی ساده توسط حلال ها و یا ترکیبات مختلف احیا شوند و مجددا مورد استفاده قرار گیرند. این نکته باعث شده تا این روش تا حد قابل ملموسی مقرون به صرفه تر شود.
رزین های آنیونی بهتر است در چه محیط هایی استفاده شوند؟
اگر از رزین آنیونی برای سیستم تبادل یونی استفاده می کنید باید توجه داشته باشید که در این سیستم، غلظت سیلیکا بالاست و میزان سیلیکای بالا، ظرفیت رزین را به سرعت کاهش می دهد و کارایی رزین برای این سیستم تا حد قابل توجهی پایین می آید. این موضوع را می توان به شرایط دیگر تعمیم داد. در محیط هایی که غلظت سیلیکا بالاست، این رزین های آنیونی برای سیستم تبادل یونی کاربرد مناسبی ندارند.
رزین تصفیه آب کاتیونی سیستم تبادل یونی چیست؟
رزین کاتیونی حاصل از واکنش های بین فنل ها و مشتقات آن و فرمالدهید هاست. در مرحله بعدی این محصول سولفونه می شود و پس از افزودن اسید سولفوریک، لخته هایی از این رزین تشکیل می شود. این رزین های لخته شده، باید خرد شوند و در نهایت مورد استفاده قرار گیرند. البته راه دومی برای سنتز رزین کاتیونی مورد استفاده در سیستم تبادل یونی وجود دارد. مسیر دوم تولید رزین کاتیونی سیستم تبادل یونی سولفونه کردن پلی استایرن است.
سختی گیر آب
در این کاربرد، سیستم تبادل یونی از رزین های تبادل یونی کاتیونی برای جایگزینی یون های سدیم با یون های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت استفاده می شود. وقتی رزین تازه است، در محل های فعال خود حاوی یون های سدیم است. در تماس با محلول حاوی یون های منیزیم و کلسیم، یون های منیزیم و کلسیم ترجیحاً از محلول به مکان های فعال روی رزین کاتیونی مهاجرت می کنند و در محلول با یون های سدیم جایگزین می شوند. این فرآیند با غلظت بسیار کمتری از یون های منیزیم و کلسیم در محلول به تعادل می رسد. تصویری ایده آل از روند نرم شدن آب، شامل جایگزینی یون های کلسیم در آب با یون های سدیم اهدا شده توسط یک رزین تبادل کاتیونی در سیستم تبادل یونی است. این رزین را می توان با شستشو با محلول حاوی غلظت بالای یون های سدیم (به عنوان مثال مقدار زیادی نمک معمولی (NaCl) محلول در آن) شارژ کرد. یون های کلسیم و منیزیم از رزین مهاجرت می کنند و تا رسیدن به تعادل جدید، یون های سدیم از محلول جایگزین می شوند. از این نمک برای شارژ مجدد رزین تبادل یونی استفاده می شود که خود برای نرم کردن آب استفاده می شود.
در پکیج تصفیه آب صنعتی پیورآکوا، بنا به نوع پکیج، از رزین های تبادل یونی استفاده می شود.
انواع رزین کاتیونی
رزین های کاتیونی سیستم تبادل یونی به دو نوع رزین تبادل یون کاتیونی قوی و رزین تبادل یونی کاتیونی ضعیف تقسیم می شوند. اگر در پلیمریزاسیون پلی استایرن، کمی دی وینیل بنزن به مواد افزوده شود، نوعی از شبکه های پلیمری تشکیل می شود. در ادامه با سولفونه کردن این شبکه پلیمری، رزین کاتیونی را تولید می کنند. این نوع از رزین کاتیونی، رزین کاتیونی قوی است. اگر نیاز باشد تا رزین کاتیونی ضعیف تولید شود، به جای استفاده از اسید سولفوریک و سولفونه کردن آن، از اسید کربوکسیلک استفاده می شود و آن را کربوکسیلاته می کنند. مسیر دوم برای تهیه رزین کاتیونی ضعیف سیستم تبادل یونی، که روشی بسیار ساده تر از شیوه های قبلی است. در این روش برای تهیه رزین کاتیونی مورد استفاده در سیستم تبادل یونی، متا آکریلیک و دی وینیل بنزن استفاده می شود. رزین های کاتیونی می توانند بسیاری از یون های آلاینده موجود در آب را حذف کند. مزیت رزین های کاتیونی ضعیف سیستم تبادل یونی نسبت به رزین های کاتیونی قوی، بازدهی بالای آن هاست. این بازدهی بالا کمک می کند تا پساب کمتری تولید شود. در حالتی که هم زمان از رزین کاتیونی قوی و رزین کاتیونی ضعیف در سیستم تبادل یونی استفاده شود، جداسازی برای کلیه کاتیون ها رخ می دهد و این روش بسیار اقتصادی تر از استفاده از فقط یک نوع رزین است. پر کاربرد ترین رزین کاتیونی، رزین کاتیونی سدیمی است که به عنوان سختی گیر رزینی آب استفاده می شود.
رزین کاتیونی سدیمی چگونه کار می کنند؟
رزین کاتیونی سدیمی که به عنوان سختی گیر آب مورد استفاده قرار می گیرد، حذف کلسیم و منیزیم را با آزاد سازی سدیم انجام می دهد. سدیم در آب بسیار محلول است و به همین دلیل نیز سدیم در آب رسوب نمی دهد و ایجاد لکه نمی کند. تبادل یون در این سیستم اینقدر ادامه پیدا می کند تا میزان سدیم رزین به حداقل برسد و رزین نیاز به احیا داشته باشد. کاتیون ها در رزین تبادل یونی کاتیونی سیستم تبادل یونی، به صورت گزینشی حذف می شوند و این ترتیب گزینش به شرح زیر است:
Th4+>Fe3+>Fe2+>Ca2+>Mg+>NH4+>K+>H+
احیای رزین کاتیونی قوی چگونه است؟
احیای این رزین عضو معدود روش های بسیار ارزان قیمت، بی خطر و آسان است. این رزین سدیم از دست داده و در ساختار خود کلسیم و منیزیم دارد. طبق اصل لوشاتلیه اگر غلظت سدیم در محیط بالا رود، واکنش برگشتی افزودن سدیم به رزین و جانشینی آن به جای کلسیم و منیزیم رخ می دهد. در واقع این بدین معنی است که اگر رزین را با آب نمک غلیظ بشویید، رزین قطعا احیا می شود و می توان مجددا از آن استفاده کرد. پس از این کار، باید رزین را با آب شست تا نمک های اضافی از رزین حذف شوند و رزین باقی مانده برای مصرف آماده شود.
کاربرد های رزین ها
- حذف آهن، منیزیم، کلسیم و یون های مشابه به وسیله رزین های کاتیونی سیستم تبادل یونی
- استفاده در تصفیه آب صنعتی مورد استفاده در صنایع داروسازی، آرایشی و بهداشتی، دستگاه های دیالیز بیمارستان ها و ...
- برخی از رزین های تبادل یونی می توانند در دستگاه های تصفیه آب خانگی مورد استفاده قرار گیرند.
- رزین های تبادل یونی برای خالص سازی برخی محلول ها نیز به کار می روند.
شرکت پیور آکوا با اقدام بر واردات با کیفیت ترین رزین های تبادل یونی، گام بزرگی در صنایع تصفیه آب بر داشته است. انتخاب أنواع رزین مورد استفاده در سیستم تبادل یون بنا بر محل استفاده، نوع مواد، نوع آلاینده ها و …. متفاوت است. انتخاب رزین تبادل یون مناسب و صحیح کار بسیار دشواری است. شرکت پیور آکوا این امکان را فراهم کرده است که خریداران بتوانند با دریافت مشاوره خرید رایگان، انتخاب مناسبی نسبت به رزین مصرفی صنایع و یا خانه های خود داشته باشند.
تفاوت رزین تبادل یونی کاتیونی و آنیونی مورد استفاده در سیستم تبادل یونی
تفاوت رزین های آنیونی و کاتیونی در نوع آلاینده هایی است که می توانند از آب حذف کنند. رزین تبادل یونی کاتیونی می تواند با آزاد سازی سدیم، کاتیون هایی از قبیل کلسیم، منیزیم، پتاسیم، آهن و …. را جذب و رزین تبادل یونی آنیونی می تواند با آزاد سازی آنیون های خود، آنیون هایی از جمله سولفات ها، کلرید ها، نیترات ها و …. را جذب کند.
مزایای سیستم تبادل یونی
- سیستم تبادل یونی هزینه های بسیار کمی دارد و با مقدار کمی سرمایه می توان این سیستم را پیاده سازی کرد.
- نگهداری از سیستم تبادل یونی بسیار آسان است.
- برای اینکه بتوان از سیستم تبادل یونی استفاده کرد نیازی به میزان انرژی بالا نیست و به همین علت هزینه های ناشی از مصرف انرژی کاهش می یابد.
- درست است که رزین های مصرفی در سیستم تبادل یونی باید احیا شوند اما مواد احیا کننده این رزین ها بسیار ارزان هستند.
- اگر از بستر رزین ها در سیستم تبادل یونی به درستی نگهداری شود، نیازی نیست تا آن ها را به صورت مداوم جایگزین کرد.
- سیستم تبادل یونی خاصیت مهمی که دارد، سازگاری با محیط است. این امر بسیار مهم است که رزین تبادل یونی در آب حل نشود، تخریب نشود و سازگاری بالایی از نظر ساختاری داشته باشد.
معایب سیستم تبادل یونی
- رزین های تبادل یونی مورد استفاده در سیستم تبادل یونی به مرور زمان دچار گرفتگی می شوند و رسوبات کلسیم، سولفات، آهن، مواد آلی، آلودگی ها، باکتری ها و میکروارگانیسم ها در آن ها گیر می کنند و کارایی رزین را کاهش می دهند.
- در سیستم تبادل یونی امکان ایجاد آلودگی بیولوژیکی بسیار زیاد است.
- اگر آب مورد استفاده حاوی آهن (III) باشد می تواند رزین های مورد استفاده در سیستم تبادل یونی را تخریب کند.
دستگاه تبادل یونی با رزین کاتیونی – دستگاه سختی گیر
از آن جایی که یون های عامل سختی آب کاتیون های کلسیم و منیزیم هستند، در سیستم تبادل یونی برای سختی گیری آب، نیاز به رزین های کاتیونی داریم تا کاتیون ها را از آب حذف کنند. در ادامه واکنش های موجود در سختی گیر ها را مشاهده می کنید:
حذف سختی هایی که آنیون آن ها کربناتی است:
Ca (HCO3)2 + Na2R ——> CaR + 2NaHCO3
Mg (HCO3)2 + Na2R ——> MgR + 2NaHCO3
حذف سختی هایی که آنیون آن ها غیر کربناتی است
CaSO4 + Na2R —– > CaR + Na2SO4
CaCl2 + Na2R ——> CaR + CaCl2
MgSO4 + Na2R ——> MgR + Na2SO4
MgCl2 + Na2R ——> MgR + 2NaCl
رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب، در اندازه های کوچکی هستند و عمدتا شعاع حفرات آن ها، ۰.۲۵ تا ۰.۵ میلی متر است. به دلیل استفاده از مواد خاص رنگ این رزین ها عمدتا بین زرد یا سفید است و ساختار آن ها شکلی متخلخل ایجاد می کند.این سطوح متخلخل باعث افزایش سطح موثر رزین و افزایش کارایی و زمان مصرف می شود. جنس رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب، از پلی استایرن سولفوناته شده است و هر بار که یونی در دام بیفتد بلافاصله یک یون دیگر آزاد می شود.
کاربرد های رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب
- رزین های تبادل یون سختی گیر آب مصارف مختلفی از مصارف خانگی گرفته تا مصارف صنعتی را پوشش می دهد.
- رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب، برای استفاده در سیستم های دیگ بخار مناسب هستند تا جلوی رسوب کردن یون ها را در این سیستم بگیرند.
- در مبدل های حرارتی برای اینکه رسوبات کلسیم و منیزیم راه های عبور آب در سیستم را نبندند، رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب را مورد استفاده قرار می دهند.
- برج های خنک کننده از آب استفاده می کنند و اگر آب مورد استفاده در این سیستم توسط رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب تصفیه نشود قطعا مشکلات بزرگتری برای سیستم پیش می آیند.
- تجهیزات سرمایشی و گرمایشی برپایه آب، برای مقاوم شدن در برابر رسوبات یون های سختی آب به استفاده از رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب نیازمندند.
- یکی از مصارفی که رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب دارند، حذف سختی از آب های شور، آب چاه ها و آب های سطحی است.
- در صنایع رنگ رزی، استفاده از رزین های تبادل یونی سختی گیر، به کمک تصفیه آب می آید تا در رنگ ها رسوبات ریز، یک دستی رنگ رزی را بر هم نزند.
- در صنایع رنگ رزی، استفاده از رزین های تبادل یونی سختی گیر، به کمک تصفیه آب می آید تا در رنگ ها رسوبات ریز، یک دستی رنگ رزی را بر هم نزند.
- رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب به کمک تصفیه آب و پساب می آیند تا یون های سختی را از آب و پساب حذف کنند.
تشابه رزین کاتیونی و آنیونی سیستم تبادل یونی در سختی گیر
رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب انواع کاتیونی و آنیونی دارند. این ها هر دو از دانه هایی شبیه دانه های پلاستیک تشکیل شده اند و در عین حال متخلخل و حفره دارند. قطر این رزین ها در هر دو مدل رزین تبادل یونی، ۵/۵ میلی متر است و البته که این میزان می تواند متغیر باشد. هر دو مدل رزین ها نیز از آنیون ها و کاتیون ها ساخته شده اند و این رزین ها بر اساس یونی که از دست می دهند، آنیونی و کاتیونی نامیده می شوند. نکته مهم دیگر این است که یون مقابل به دلیل ساختار پلیمری که دارد، ساختار رزین های تبادل یون را ترک نمی کند.
انواع رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب
همانطور که رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم های تبادل یونی را به چهار دسته تقسیم کردیم، رزین های تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب نیز به چهار دسته آنیونی قوی، آنیونی ضعیف، کاتیونی قوی و کاتیونی ضعیف تقسیم می شود.
رزین آنیونی قوی مورد استفاده در سختی گیر آب
رزین های آنیونی تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب، برای دیالیزاسیون، از بین بردن مواد آلی و ترکیبات کربنی، مواد بیوارگانیک و …. مورد استفاده قرار می گیرند و در انواع مختلفی نیز به فروش می رسند. به طور کلی رزین های آنیونی قوی سختی گیر آب، می توانند اسید های آلی ضعیف و قوی را از آب حذف کنند.
رزین آنیونی ضعیف مورد استفاده در سختی گیر آب
رزین های آنیونی ضعیف تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب، می توانند اسید های ضعیف تر را حذف کنند. این نکته باید در نظر باشد که برای یک سیستم تبادل یون خوب بهتر است رزین های آنیونی ضعیف و قوی در کنار هم باشند تا بالاترین راندمان را داشته باشند.
رزین کاتیونی قوی مورد استفاده در سختی گیر آب
رزین های کاتیونی قوی تبادل یون مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب، از رزین های پر مصرفند چرا که عمدتا سختی آب یو نهایی کاتیونی هستند و اگر نیاز باشد بین این دو نوع رزین یکی را انتخاب کنید بهتر است از رزین های تبادل یون کاتیونی استفاده کنید. این نوع رزین می تواند یون های کلسیم، منیزیم، باریم و رادیم را از بین ببرد.
رزین های تبادل یون کاتیونی ضعیف مورد استفاده در سیستم تبادل یون سختی گیر آب
این دسته از رزین ها که تا حدی مکمل رزین های کاتیونی قوی هستند می توانند اکسیدان های قوی همچون هیدروژن و کلر را از سیستم حذف کند.
عمر مفید رزین های تبادل در سیستم تبادل یون سختی گیر آب
رزین های مورد استقاده در سختی گیر آب به صورت متوسط ده سال عمر می کنند و از طرفی برای تعداد احیا رزین مورد استفاده در طول روز، محدودیت یک بار تعیین شده است. احتمال دارد که اگر از رزین به خوبی مراقبت شود، عمر مفید آن تا ۱۵ سال نیز افزایش می یابد. باز هم در بین رزین های آنیونی و کاتیونی از لحاظ طول عمر تفاوت های زیادی است. رزین های کاتیونی، بین ۸ تا ۱۰ سال و رزین های آنیونی بین ۴ تا ۵ سال عمر می کنند.
چه وقت باید رزین های سختی گیر را تعویض کنیم؟
هر گونه رزین تبادل یونی، در هر سیستم تبادل یونی، بعد از مدتی استفاده کارایی خود را از دست می دهد و نیاز دارد تا باز سازی شود. در برخی مواقع نیاز دارد تا کاملا تعویض شود. این موضوع بسته به شرایط خود رزین سیستم تبادل یونی است. در ادامه برخی از نکاتی را که اگر با آن ها مواجه شدید باید رزین تبادل یونی تعویض شود بیان می شود.
- اگر رزین های تبادل یونی در سیستم تصفیه آب خانگی کار گذاری شوند به دلیل میزان کلر بالای موجود در سیستم، رزین های مورد استفاده ترک می حورند و این ترک خوردگی خود را به صورت کاهش فشار آب نشان می دهد. تحت این شرایط، باید این رزین ها تعویض شوند.
- بسته به محل نصب رزین ها، اگر این رزین ها بیرون از محل اصلی باشند، لجن ها در اطراف رزین ها رشد می کنند و آلودگی بسیاری برای آب به وجود می آورند. در این شرایط باید رزین ها را تعویض کرد.
شرکت سازه های آبی با برند پیور آکوا تمام تلاش خود را در راستای ارائه سیستم تبادل یونی با بهترین رزین ها و با کیفیت ترین سیستم ها انجام داده است. کافی است برای اطلاعات بیشتر برای ارتباط با مشاوران این شرکت، از طریق تلفن های اعلام شده، تماس حاصل فرمایید.
دستگاه دی یونایزر
دستگاه دیونایزر سیستمی شبیه به آب شیرین کن صنعتی با دقت بسیار بیشتر که به آن دابل آر او – دابل RO نیز می گویند و وظیفه اصلی آن تولید آب مقطر فوق العاده خالص می باشد.
بسته به نوع کاربرد آب، وجود یون های محلول در آن می توانند مشکل ساز شوند. در میان تمام روش های متداول فیلتراسیون آب، فرآیندی که برای حذف کامل تمامی نمک های محلول از آب استفاده می شود به عنوان دی یونیزاسیون شناخته می شود.
دی یونیزاسیون برای حذف کل محتوای نمک، به دو سیستم تبادل یونی نیاز دارد. در این دستگاه با جایگزینی مولکول های منفی و مثبت آب با مولکول های هیدروژن (مثبت) و هیدروکسیل (منفی)، مواد معدنی سخت از طریق فیلتر حذف می شوند. این امر کیفیت آب را بهبود می بخشد و از تشکیل رسوب جلوگیری می کند. خلوص آب به دست آمده به کمک این دستگاه به کمتر از یک میکروزیمنس می رسد. به همین دلیل، آب دیونیزه یکی از بهترین گزینه های مورد استفاده در زمینه های آزمایشگاهی، پزشکی، کارخانه ها و تأسیسات تولیدی است.
ساز و کار دستگاه دی یونایزر
فرآیند یونیزاسیون یا تبادل یونی
در زمینه تصفیه آب، تبادل یونی یک فرآیند سریع و برگشت پذیر است که در آن یونهای نامطلوب موجود در آب با یونهای آزاد شده توسط رزین تبادل یونی تعبیه شده در دستگاه جایگزین می شوند. رزین باید به طور دوره ای بازسازی شود تا به شکل یونی اولیه برگردد و قابلیت جذب یونهای نامطلوب موجود در آب را حفظ کند. (یون یک اتم یا گروهی از اتم ها با بار الکتریکی است. یون های دارای بار مثبت کاتیون نامیده می شوند و معمولاً فلز هستند؛ یون های با بار منفی آنیون نامیده می شوند و معمولاً غیر فلز هستند).