رزین کاتیونی 

رزین کاتیونی و رزین آنیونی

رزین های تبادل یونی مواد آلی (رزین های مصنوعی) هستند که توانایی جذب یون های موجود در آب را دارند و مواد کروی با قطر حدود 0.3 تا 1.2 میلی متر هستند تا آب به راحتی از آنها عبور کند. هنگامی که یک الکترولیت در آب حل می شود، به یون های + (کاتیون ها) و یون های - (آنیون ها) تجزیه می شود. این یک رزین تبادل یونی است. بخشی از یون های متصل به ماکرومولکول ها یون ثابت نامیده می شود و به طور الکتریکی با یونی با بار مخالف با یون ثابت خنثی می شود و این یون می تواند با یون های دیگر مبادله شود. این پدیده تبادل یونی است. به طور خاص، یون های H با بار مثبت در رزین کاتیونی با گروه های اسید سولفونیک با بار منفی به عنوان یون های ثابت وجود دارند و واکنش های تبادل یونی با یون های Na موجود در آب انجام می شود. رزین های آنیونی با گروه های تری متیل آمینو با بار مثبت حاوی یون های OH با بار منفی هستند که می توانند با یون های کلر موجود در آب تحت واکنش تبادل یونی قرار گیرند. این اصل شیمیایی واکنش تبادل یونی با رزین تبادل یونی است.

رزین های تبادل یونی عمدتاً کوپلیمرهای استایرن و دی وینیل بنزن (DVB) هستند. DVB برای اتصال عرضی پلی استایرن است و از نظر فیزیکی و شیمیایی پایدار است. کوپلیمر حاصل (که پلی استایرن متقاطع نامیده می شود) آبگریز است، اما هنگامی که گروه های تبادلی به آن وارد می شوند، آب دوست می شود و با جذب آب متورم می شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک کوپلیمر در اسید سولفوریک غلیظ گرم می شود، گروه های اسید سولفونیک (-SO3) با یکدیگر ترکیب می شوند تا یک رزین کاتیونی قوی اسیدی تولید کنند (که معمولاً به عنوان رزین کاتیونی شناخته می شود). علاوه بر این، گروه تری متیل آمینو (-N(CH3)3) در واکنش دو مرحله ای کلرومتیلاسیون و آمیناسیون برای تولید یک رزین تبادل آنیونی (که معمولاً به عنوان رزین تبادل آنیون شناخته می شود) ترکیب می شود. 

ساختار شیمیایی رزین کاتیونی

رزین های تبادل یونی عمدتاً کوپلیمرهای استایرن و دی وینیل بنزن DVB  هستند. DVB برای اتصال عرضی پلی استایرن است و از نظر فیزیکی و شیمیایی پایدار است. کوپلیمر حاصل (که پلی استایرن متقاطع نامیده می شود) آبگریز است، اما زمانی که گروه های تبادلی معرفی می شوند با جذب آب متورم می شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک کوپلیمر در اسید سولفوریک غلیظ گرم می شود، گروه های اسید سولفونیک -SO3  با یکدیگر ترکیب می شوند تا یک رزین کاتیونی قوی اسیدی تولید کنند (که معمولاً به عنوان رزین تبادل کاتیونی شناخته می شود). علاوه بر این، گروه های تری متیل آمینو -NCH33 در یک واکنش دو مرحله ای کلرومتیلاسیون و آمیناسیون برای تولید رزین تبادل آنیونی که معمولاً به عنوان رزین تبادل آنیون شناخته می شود ترکیب می شوند.

رزین کلات

رزین کلات نوعی رزین تبادل یونی است که در آن گروه‌های عاملی که با یون‌های فلزی کمپلکس تشکیل می‌دهند وارد می‌شوند. اگر لیگاند حاوی چندین عنصر اهداکننده الکترون مانند نیتروژن، اکسیژن، یون و فسفر باشد، یون‌های فلزی را به شدت متصل می‌کند تا یک کمپلکس تشکیل دهد. با بهره گیری از این خاصیت، گروه های عاملی که قادر به تشکیل کمپلکس با یون های فلزی هستند، به عنوان رزین های تبادل یونی معرفی می شوند که برای کاربردهای خاص مانند بازیافت فلزات استفاده می شود.

واکنش تبادل یونی

رزین های تبادل یونی عمدتاً برای نرم کردن و تصفیه آب و رزین های کاتیونی و رزین های آنیونی به طور کلی استفاده می شوند. H+  در رزین تبادل کاتیونی وجود دارد و این H+  یک واکنش تبادل یونی با کاتیون‌ها Na+  در محلول خارجی نشان می‌دهد. در رزین آنیونی، OH-  در رزین با آنیون های Cl-  در محلول خارجی تبادل می کند. در نتیجه یون های موجود در آب و یون های موجود در رزین تبادل یونی مبادله می شوند. علاوه بر این، پس از جذب مقدار معینی از یون‌ها، عملیات «بازسازی» با استفاده از مواد شیمیایی انجام می‌شود تا یون‌های جذب‌شده به حالت اولیه بازگردانده شوند و امکان استفاده مکرر فراهم شود.

ساختار شیمیایی رزین تبادل کاتیونی بسیار اسیدی

رزین های کاتیونی قوی اسیدی دارای گروه های اسید سولفونیک -SO3H به عنوان گروه های تبادلی هستند که در ساختار شیمیایی زیر نشان داده شده است.کاتیون هایی مانند یون های Ca2+  را می توان مبادله کرد. این را می توان در تمام محدوده های pH 0 تا 14 استفاده کرد، در دما نسبتاً پایدار است و می تواند دماهای بالای 100 تا 120 درجه سانتیگراد را تحمل کند. در طیف وسیعی از زمینه ها استفاده می شود.

گروه اسید سولفونیک -SO3H، که گروه تبادلی است، به شدت اسیدی است و نه تنها در سمت قلیایی، بلکه در محلول های اسیدی نیز به شکل -SO3-H+ تجزیه می شود. -SO3- را یون ثابت و H+ را یون ضد می نامند.

تبادل یونی یک واکنش تبادلی یون‌های متقابل است، اما رزین تبادل کاتیونی قوی اسیدی می‌تواند نه تنها باز NaOH بلکه نمک‌های خنثی مانند NaCl و CaCl2 را تجزیه کرده و تبادل کند، همانطور که در فرمول زیر نشان داده شده است.

R-SO3H + NaCl → R-SO3Na + HCl

2R-SO3H + CaCl2 → (R-SO3)2Ca + 2HCl

R-SO3H + NaOH → R-SO3Na + H2O

(R نشان دهنده ماتریس رزین تبادل یونی است.)

هنگامی که یون های H با کاتیون های دیگر مبادله می شوند، تبادل یونی دیگر امکان پذیر نیست. به همین دلیل از مواد شیمیایی برای برگرداندن آن به فرم R-SO3H استفاده می کنیم و به طور مکرر از آن استفاده می کنیم. این عملیات بازسازی نامیده می شود و ماده شیمیایی به طور کلی محلول آبی اسید کلریدریک یا اسید سولفوریک است.

به عنوان مثال، بازسازی فرم Na مطابق فرمول زیر انجام می شود.

R-SO3Na + HCl → R-SO3H + NaCl

2R-SO3Na + H2SO4 → 2R-SO3H + Na2SO4

رزین‌های کاتیونی اسیدی قوی به دلیل اسیدیته قوی‌شان به سختی احیا می‌شوند و مقدار بیشتری از مواد احیاکننده نسبت به معادل شیمیایی نظری برای به دست آوردن سرعت بازسازی بالا مورد نیاز است.

رزین های کاتیونی بسیار اسیدی انواع کاتیون ها را جذب می کنند، اما قدرت جذب بسته به نوع یون متفاوت است. شاخص این قدرت جذب را گزینش پذیری می نامند. در گزینش پذیری کلی یون، هرچه ظرفیت یون بیشتر باشد، گزینش پذیری بیشتر است. مثلاً Na+ < Ca++ < Al+++ < Th++++   وقتی ظرفیت یونها یکسان باشد، هر چه عدد اتمی بیشتر باشد، گزینش پذیری بالاتر است.