رزین کاتیونی

رزین کاتیونی, رزین سختی گیر

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آن‌ها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانی‌های طبیعی بخصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف کرده و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند. استفاده از زئولیت‌های سدیمی در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چرا که از طرفی نیازی به حضور مواد شیمیایی نبود و از طرف دیگر اثرات جانبی نیز نداشتند.

رزین‌های موازنه کننده یون، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یون‌های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال، یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکال‌های آنیونی SO23- می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل  H+ یا  Na+ به آن هستند.

این کاتیون‌های متحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض     کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل Cl-  یا  OH- به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون، کاتیون‌ها یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شوند، بگونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود.

برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:

    خود دارای یون باشد.
    در آب غیر محلول باشد.
    فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد، بطوریکه یون‌ها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.

رزین‌های کاتیونی در اثر واکنش فنل و یا مشتقات آن با فرمالدئید و سپس سولفونه کردن آن‌ها به کمک سولفوریک اسید به حالت توده‌ای تهیه شدند که آنها را خرد و غربال می‌کردند و مورد استفاده قرار می‌دادند. این گونه رزین‌ها نیز از سولفونه کردن پلی استیرن تهیه گردیدند. هرگاه در پلی مریزاسیون استایرن مقداری دی وینیل بنزن افزوده گردد پلی مری با ساختار شبکه‌ای  تولید می‌گردد که در اثر سولفونه کردن آن، رزین کاتیونی قوی تهیه می‌گردد. هرگاه به جای گروه سولفونیک اسید گروه کربوکسیلیک اسید (-COOH) جانشین شود، رزین‌های کاتیونی ضعیف، تولید می‌گردد ولی روش ساده‌تر برای تهیه این رزین‌ها ترکیب متاکریلیک اسید با دی وینیل بنزن می‌باشد.

پرکاربردترین رزین کاتیونی در صنعت آب و فاضلاب رزین کاتیونی سدیمی میباشد که در واحد سختیگیری برای از بین بردن سختی آب استفاده میشود.

رزین‌های کاتیونی معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• رزین‌های کاتیونی قوی  SAC) Strongacidis Cation )
•  رزین‌های کاتیونی ضعیف WAC) Weak acidis Cation)

رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیون‌های موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیون‌های هستند که به قلیائیت آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
نوع قوی:Ca(HCO3)2 OR MgSO4 + 2ZSO3H -----> Ca2++2H2CO3 OR Mg2+ + H2SO4
نوع ضعیف:Mg(HCO3)2 OR Ca(HCO3)2 + 2ZCOOH -----> (ZCOO)2+ + Mg(ZCOO)2+Ca + 2H2CO3

مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آن‌ها در مقایسه با رزین‌های کاتیونی قوی می‌باشد، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیاء مکرر می‌گردد. اصولاً زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون‌های آب است بکارگیری توأم رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی‌تر از بکارگیری رزین‌های کاتیونی قوی می‌باشد.

نحوه عملکرد رزین کاتیونی سدیمی
در سختی گیر تعویض یونی، رزین‌های کاتیونی سدیمی وجود دارند که یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) با سدیم رزین تعویض می‌شوند که در نتیجه آب بدون سختی تولید می‌شود چون یون سدیم بسیارمحلول است از این رو خطر تشکیل رسوب از بین می‌رود. این تعویض یون سدیم رزین با یون‌های کلسیم و منیزیم آب ورودی آنقدر ادامه می‌یابد که رزین نیاز به احیاء داشته باشد.

در زمان سرویس سختی‌گیر، واکنش زیر انجام می‌شود:

• تعویض رزین کاتیونی در سختی گیر آب
• عملکرد رزین کاتیونی سدیمی

رزین‌های کاتیونی سدیمی از نوع قوی نه فقط کاتیون‌های مولد سختی آب بلکه همه‌ی یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند.

ترتیب گزینش نسبی کاتیون‌ها برای جذب به وسیله تعویض کننده کاتیونی قوی به شکل زیر می‌باشد:

Th4+>Fe3+>Fe2+>Ca2+>Mg+>NH4+>K+>H+

احیای رزین کاتیونی قوی
برای احیاء این نوع رزین‌ها کافی است که رزین را با آب نمک شستشو دهیم که در طی آن یون‌های منیزیم و کلسیم محبوس در شبکه رزین با سدیم نمک تعویض می‌شوند. در پایان کار احیاء، رزین را با آب تازه می‌شویند تا نمک اضافی حذف شده و دستگاه آماده سرویس گردد.

در زمان احیاء با نمک طعام، رزینی که پر از یون‌های کلسیم است دوباره به صورت رزین سدیمی در می‌آید:

احیا رزین کاتیونی
با وجود اینکه هرچه نمک طعام بیشتری در موقع احیای رزین بکار رود، ظرفیت رزین افزایش می‌یابد ولی این بدان معنا نیست که مثلاً با دو برابر کردن مقدار نمک طعام در موقع احیاء ظرفیت رزین هم دو برابر خواهد شد.

برخی از کاربردهای رزین‌ها
با رزین‌های کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را همچون بقیه کاتیون‌ها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولاً مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولاً باید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا، آهن و منگنز محلول در آب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.

با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان لیزین را که جز اسید آمینه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خوک‌ها، ماهیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسید آمینه، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندی‌های آنها در مصرف مواد خام و ... است با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها‌، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.