کاربرد های رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی

رزین های تبادل یونی (رزین تصفیه آب) یا پلیمرهای تبادل یونی رزین هایی هستند که به عنوان یک محیط تبادل یونی عمل می کنند. می توان گفت آن ها یک ماتریس نامحلول است. ریزدانه ها (یا ساختارهای نگهدارنده) معمولاً به شکل ریزدانه های کوچک (0.25-0.5 میلی متر شعاع) می باشند، معمولاً رنگ رزین ها سفید یا زرد هستند که از بستر پلیمری آلی ساخته شده است. دانه‌های رزین معمولاً متخلخل هستند و سطح زیادی در داخل آنها وجود دارد و یون‌ها همراه با آزاد شدن یون‌های دیگر در آنها محبوس می‌شوند، بنابراین این فرآیند به عنوان تبادل یونی شناخته می‌شود. انواع مختلفی از رزین های تبادل یونی وجود دارد که در ادامه به آن ها . بیشتر رزین های تجاری از استایرن سولفونه ساخته می شوند

رزین تبادل یونی
رزین تبادل یونی
رزین تبادل یونی 

دانه های رزین تبادل یونی

رزین سختی گیر (رزین تبادل یونی) به طور گسترده در فرآیندهای جداسازی استفاده می شود. از کاربرد های رزین می توان به  تطهیر و از بین بردن آلودگی ها و رایج ترین نمونه آن نرم کننده و تصفیه کننده آب اشاره نمود. در بسیاری از موارد رزین های سختی گیر مورد استفاده در چنین فرآیندهایی جایگزین انعطاف پذیرتری برای کاربردهای زئولیت طبیعی یا مصنوعی می باشند.علاوه بر این، رزین های تبادل یونی در فرآیندهای فیلتراسیون بیودیزل بسیار موثر هستند.

نوع رزین تبادل یونی

به طور کلی اکثر رزین های تبادل یونی بر پایه پلی استایرن متقابل ساخته می شوند.محل تبادل یونی واقعی پس از پلیمریزاسیون استفاده می شود. همچنین در مورد پلی استایرن متقاطع شناخته شده است کوپلیمریزاسیون استایرن و چند درصد دی وینیل بنزن اتصال عرضی ظرفیت تبادل یونی رزین را کاهش می دهد و زمان لازم برای انجام فرآیند تبادل یونی را افزایش می دهد. اما دوام رزین را افزایش می دهد اندازه ذرات نیز بر پارامترهای رزین تأثیر می گذارد. ذرات کوچکتر سطح بیرونی بزرگتری دارند. اما باعث از دست دادن بیشتر در فرآیند ستون می شود.علاوه بر اینکه از موادی به شکل مهره ساخته می شود رزین های تبادل یونی نیز به صورت دیافراگمی تولید می شوند. این غشاهای تبادل یونی از رزین های تبادل یونی با اتصالات عرضی بالا ساخته شده اند. که به یون ها اجازه عبور می دهد، اما نه آب؛ برای الکترودیالیز استفاده می شود.

Image for post
Image for post

چهار نوع اصلی رزین های تبادل یونی بر اساس گروه عملکردی متفاوت است

به شدت اسیدی، معمولا با گروه های اسیدی مانند سولفونات سدیم، استایرن یا پلی آمپس،

خیلی باس به طور کلی از گروه های آمینه چهارتایی، به عنوان مثال، گروه های تری متیل آمونیوم مانند polyAPTAC تشکیل شده است.

این یک اسید ضعیف است که به طور کلی از یک گروه اسید کربوکسیلیک تشکیل شده است.

پایه های نرم معمولاً حاوی گروه های آمینه اولیه، ثانویه و/یا سوم مانند پلاستیک های آمین هستند.

رزین آنیون و رزین کاتیونی دو نوع رزین هستند که معمولاً در فرآیندهای تبادل یونی استفاده می شوند. در حالی که رزین یون منفی یون های دارای بار منفی را جذب می کند. رزین کاتیونی یون های دارای بار مثبت را جذب می کند.در ادامه به توضیح این رزین ها می پردازیم.

رزین آنیونی

رزین های آنیونی می توانند پایه های قوی یا ضعیف باشند. رزین های آنیون پایه قوی آنیون خود را در محدوده pH وسیعی حفظ می کنند، در حالی که رزین های آنیون پایه پایین در سطوح pH بالاتر خنثی می شوند. با این حال پایداری مکانیکی و شیمیایی عالی دارد. همراه با نرخ تبادل یونی بالا باعث ایجاد رزین آنیونی با پایه ضعیف می شود مناسب برای نمک ارگانیک.

برای رزین آنیونی بازسازی معمولاً شامل تصفیه رزین با محلول پایه قوی مانند هیدروکسید سدیم در آب است. در طول بازسازی مواد شیمیایی احیا کننده از طریق رزین عبور می کنند. و یون های منفی به دام افتاده شسته می شوند. توانایی تبادل رزین را تجدید می کند.

رزین تصفیه آب
رزین تصفیه آب
رزین تصفیه آب 

رزین کاتیونی

فرمول: R-H اسیدی است.روش تبادل کاتیونی سختی آب را حذف می کند اما اسیدیته موجود در آن را رقیق می کند که سپس در مرحله بعدی تصفیه آب با عبور این آب اسیدی از فرآیند تبادل یونی حذف می شود.

واکنش

R−H + M + = R−M + H +.

رزین تبادل آنیون

فرمول: –NR 4 + OH −

اغلب اینها استایرن-دیوینیل بنزن هستند. رزین کوپلیمر کاتیون آمونیوم چهارتایی بخش مهمی از ماتریس رزین است.

واکنش:

–NR 4 + OH - + HCl = -NR 4 + Cl- + H 2 O

تبادل منفی از این اصل برای استخراج و تصفیه مواد از مخلوط ها یا محلول ها استفاده می کند.

آب سخت

در این عمل رزین های تبادل یونی برای جایگزینی یون های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت با یون های سدیم استفاده می شوند. وقتی رزین تازه است یون های سدیم در ناحیه فعال وجود خواهد داشت. هنگامی که در معرض محلولی حاوی یون های منیزیم و کلسیم قرار می گیرند (اما با غلظت کم یون های سدیم)، یون های منیزیم و کلسیم از محلول به یک محل فعال ویژه روی رزین مهاجرت می کنند. یون سدیم در محلول جایگزین آن می شود. این فرآیند با غلظت یون های منیزیم و کلسیم در محلول بسیار کمتر از جایی که شروع شده بود به تعادل می رسد.

تصویر ایده آل از فرآیند نرم شدن آب این شامل جایگزینی یون های کلسیم در آب با یون های سدیم به دست آمده از رزین های تبادل کاتیونی است.

رزین را می توان با شستن آن در محلولی حاوی غلظت بالایی از یون های سدیم شارژ کرد (مثلاً مقدار زیادی نمک معمولی (NaCl) حل شده) یون های کلسیم و منیزیم از رزین خارج می شوند. یون های سدیم از محلول تا رسیدن به تعادل جدید جایگزین آن می شود. این نمک برای پر کردن رزین های تبادل یونی استفاده می شود. که برای نرم کردن آب استفاده می شود

کاربرد رزین تبادل یونی
کاربرد رزین تبادل یونی
کاربرد رزین تبادل یونی 

تصفیه آب با رزین

در این کاربرد از رزین تصفیه آب برای حذف ضایعات سمی (مثلا مس) و فلزات خطرناک استفاده می شود. یون های محلول با یون های خطرناک تری مانند سدیم و پتاسیم جایگزین می شوند.

چند رزین تصفیه آب کلر یا آلاینده های آلی را از آب حذف می کنند. این معمولا از یک فیلتر کربن فعال مخلوط با رزین استفاده می کند. برخی از رزین‌های تبادل یونی وجود دارند که می‌توانند یون‌های آلی را حذف کنند، مانند رزین‌های MIEX تبادل یون مغناطیسی.

انواع کاربرد های رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی دارای کاربرد های بسیار زیادی می باشد که در ادامه به چند نمونه از آن ها می پردازیم:

کاتالیزور

رزین های تبادل یونی در سنتز آلی مانند استری شدن و تجزیه استفاده می شوند. با سطح بالا و نامحلول بنابراین برای واکنش های فاز بخار و فاز مایع مناسب است. زمانی که رزین های مبادله یونی پایه (OH - -  شکل) برای خنثی کردن نمک های آمونیوم و تبدیل هالیدهای آمونیوم چهارتایی به هیدروکسیدها استفاده می شود، می توان نمونه ای را یافت. رزین های تبادل یونی اسید (H + - فرم) به عنوان کاتالیزور اسید جامد برای ماشینکاری گروه های محافظ اتر استفاده می شود.و برای واکنش های بازآرایی

تصفیه آب

از رزین تصفیه آب برای تولید آب میوه هایی مانند آب پرتقال و کرن بری استفاده می شود. که برای حذف اجزای تلخ و بهبود طعم استفاده می شود. این اجازه می دهد تا از منابع میوه ترش یا بی مزه برای تولید آب میوه استفاده شود.

تولید شکر

از رزین های تبادل یونی برای تولید قند از منابع مختلف استفاده می شود. برای کمک به تبدیل یک نوع شکر به نوع دیگر استفاده می شود. و شربت را تغییر رنگ داده و شربت را تصفیه کند.

دارو

رزین های تبادل یونی نه تنها برای برخی کاتالیزورها، در تولید داروها نیز استفاده می شوند. بلکه برای جداسازی و خالص سازی مواد موثره دارو. سه رزین تبادل یونی، سدیم استایرن سولفونات، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان مواد موثره استفاده می شود.سدیم پلی استایرن سولفونات یک رزین تبادل یونی بسیار اسیدی است. کلستیپول یک رزین تبادل یونی ضعیف است و برای درمان هیپرکلسترولمی استفاده می شود. کلستیرامین یک رزین تبادل یونی بسیار اساسی است و همچنین در درمان هیپرکلسترولمی استفاده می شود، کلستیپول و کلستیرامین از جداکننده های اسید صفراوی شناخته شده هستند.

رزین های تبادل یونی نیز به عنوان افزودنی در فرمولاسیون های دارویی مانند قرص ها، کپسول ها، آدامس ها و سوسپانسیون ها استفاده می شوند. در این کاربردها، رزین های تبادل یونی می توانند چندین عملکرد مختلف از جمله پوشش طعم، گسترش انتشار قرص، افزایش انحلال، فراهمی زیستی و بهبود پایداری شیمیایی ماده فعال داشته باشند.