تاریخچه رزین های تعویض یونی
- تاریخچه رزین های تعویض یونی
رزین های تعویض یونی ذرات جامدی هستند كه می توانند یون های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اكی والان از یون مطلوب با بار الكتریكی مشابه جایگزین كنند.
در سال 1850 یك خاك شناس انگلیسی متوجه شد كه محلول سولفات آمونیمی كه به عنوان كود شیمیایی بكار می رود، در اثر عبور از لایه های ستونی از خاك، آمونیم خود را از دست می دهد بگونه ای كه در محلول خروجی از ستون خاك، سولفات كلسیم در محلول ظاهر می شود.
این یافته توسط دیگران پیگیری شد و متوجه شدند كه سیلیكات آلومینیوم موجود در خاك قادر به تعویض یونی می باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیكات آلومینیوم از تركیب محلول و سولفات آلومینیم و سیلیكات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی كه ساخته شد سیلیكات آلومینیوم بود.
به رزین های معدنی، زئولیت می گویند و در طبیعت سنگهای یافت می شوند كه می توانند كار زئولیت های سنتزی را انجام دهند. این مواد، یون های سختی آور آب ( كلسیم و منیزیم) را حذف می كردند و بجای آن یون سدیم آزاد می كردند از اینرو به زئولیت های سدیمی مشهور شدند كه استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیادی داشت چون احتیاج به استفاده از مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند. اما زئولیت های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیت ها می توانستند فقط سدیم را جایگزین كلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونها بدون تغییر باقی می ماندند. از این رو آب تصفیه شده با زئولیت های سدیمی به همان اندازه آب خام، قلیاییت، سولفات، كلراید و سیلیكاتت دارند.
واضح است كه چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. مثلاً بی كربنات سدیم محلول در آب می تواند مشكلاتی را در مراحل بعدی برای دیگ بخار بوجود آورد. زیرا در اثر حرارت به سود و گاز دی اكسید كربن تبدیل می شود. سود یكی از عوامل مهم در خوردگی موضعی در نیروگاههاست كه بحث مفصل تر آن در مباحث آینده خواهد آمد. گاز دی اكسید كربن موجود در بخار آب در اثر میعان بخار به صورت اسید كرینیك در می اید كه باعث خوردگی لوله های برگشتی می شود كه بخار آب خروجی از توربین را به كندانسور (چگالنده) می برند.
یكی دیگر از اشكلات مهم استفاده از زئولیت ها ی سدیمی، عدم كاهش غلظت سیلیس در آب تصفیه شده می باشد كه یكی از خطرناكترین ناخالصی های آب تغذیه دیگ بخار در فشارهای زیاد می باشد.
تحقیقات برای رفع عیوب زئولیت های سدیمی ادامه یافت تا آنكه در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیت هایی ساخته شد كه بجای سدیم فعال، هیدروژن فعال داشتند . این زئولیت ها كه به تعویض كننده های كاتیونی هیدروژنی معروف شدند، می توانستند تمام نمكهای محلول در آب را به اسیدهای مربوط تبدیل كنند. بعنوان مثال بی كربناتهای كلسیم و منیزیم به اسید كربنیك تبدیل می شوند كه اسید كربنیك بی دی اكسید كربن و آب تجزیه می شود.
دی اكسید كربن تولید شده را می توان توسط هوادهی یا هوازدایی از محیط حذف كرد. لذا با این روش تمام قلیاییت بی كربناتی حذف می شود. رزین های كاتیونی هیدروژنی جدید، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف كنند و هم قلیاییت آب را كاهش دهند.
آب خروجی از تعویض كننده كاتیونی هیدروژنی، اسیدی است و باید خنثی شود. این كار با اضافه كردن قلیا (باز) یا مخلوط كردن خروجی تعویض كننده كاتیونی هیدروژنی با خروجی تعویض كننده سدیمی (زئولیت ) امكان پذیر است.
تعویض كننده های كاتیونی هیدروژنی هم دارای محدودیت هایی هستند. هنوز آنیونها، مثل سولفات كلراید و سیلیكات حذف نمی شوند.
برای بهبود تكنولوژی تصفیه آب گام های اساسی در سال 1944 برداشته شد كه باعث تولید رزین های تعویض یونی آنیونی شد. (3) رزین های كاتیونی هیدروژنی تمام كاتیونهای آب را حذف می كنند و رزین های آنیونی تمام آنیونهای آب از جمله سیلیس را حذف می نمایند. در نتیجه می توان با استفاده از هر دو نوع رزین، آب بدون یون تولید كرد. پیشرفت های بعدی كه در دهه 1950 حاصل شد منجر به اختراع و تولید رزین های تعویض یونی ضعیف گردیدكه صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیاء رزین ها را باعث شد.
2- شیمی رزین ها
همانگونه كه می دانید محلول های الكترولیت دارای یون های مثبت (كاتیون) و یونهای منفی (آنیون) هستند و از نظر بار الكتریكی خنثی هستند. یعنی مجموع آنیون ها و مجموع كاتیون ها از نظر بار الكتریكی با هم برابرند.
رزین های تعویض یونی شامل بار مثبت كاتیونی و بار منفی آنیونی می باشند به گونه ای كه از نظر الكتریكی خنثی هستند. اما تعویض كننده ها با محلول های الكترولیت این تفاوت را داند كه فقط یكی از دو یون، متحرك و قابل تعویض است. بعنوان مثال یك تعویض كننده كاتیونی سولفونیك دارای نقاط آنیونی غیر متحركی است كه شامل رادیكال های آنیونی می باشد كه كاتیون های متحركی مثل H+ یا Na+ می توانند به آن متصل باشند. این كاتیون های متحرك می توانند در یك واكنش تعویض یونی شركت كنند و به همین صورت یك تعویض كنده آنیونی دارای نقاط كاتیونی غیر متحركی است كه آنیون های متحركی مثل هیدروكسیل یا كلراید می توانند به آن متصل باشند.
در اثر تعویض یونی، كاتیون ها با آنیون های موجود در محلول با كاتیون ها و آنیون های موجود در رزین تعویض می شوند به گونه ای كه هم محلول و هم رزی ناز نظر الكتریكی خنثی باقی می مانند. باید توجه داشت كه در اینجا با تعادل جامد- مایع سروكار داریم بدون آنكه جامد در محلول حل شود. برای آنكه یك تعویض كننده یونی جامد، مفید باشد، باید دارای شرایط زیر باشد :
1- خود دارای یون باشد.
2- در آب غیر محلول باشد.
3- فضای كافی در شبكه تعویض كننده وجود داشته باشد كه یون ها بتوانند بسهولت در شبكه جامد رزین وارد یا خارج شوند.
اكثر رزین های تعویض یونی كه در تصفیه آب بكار می روند رزین های سنتزی هستند كه با پلیمریزاسیون تركیبات آلی حاصل شده اند. بعنوان مثال روش تهیه رزین های سولفونیك در اینجا شرح داده می شود.
برای ساختن رزین، استیرن را با دی وینیل بنزن مخلوط می كنند و به آن یك ماده پراكسید و یك عامل تفرق ساز[1] می افزایند. آنگاه این مخلوط را به آب اضافه می كنند و با یك همزان آنقدر هم می زنند تا بصورت قطرات معلق با اندازه معین در آیند.
با حرارت دادن پلیمریزاسیون شروع می شود كه چون گرمازاست باید با یك ماده سرد كننده، دما راكنترل كرد. ذرات به تدریج ویسكوز شده و در نهایت به صورت ذرات یا دانه های كروی در می آیند. حرارت دادن ادامه می یابد تا زمانی كه پلیمریزاسیون كامل شود. دانه های حاصل، شبكه پلی استیرن را تشكیل می دهند. حال برای تهیه تعویض كننده كاتیونی باید دانه ها را با سولفوریك اسید تركیب كرد تا گروه HSO3 به شبكه هیدروكربن متصل شود. به ازاء هر دو گروه بنزن، حدود هشت تا ده گروه HSO3 در شبكه وارد می شود.
برای تهیه تعویض كننده آنیونی باید شبكه را با كلراید متیل یا آمین تركیب كرد. رزین های حاصل وقتی خشك شوند، شكننده خواهند بود و زنجیرها خیلی نزدیك به هم قرار می‌گیرند. به گونه ای كه یون ها نمی توانند به راحتی در دانه ها نفوذ كنند اما وقتی در آب قرار بگیرند با جذب آب متورم می شوند و زنجیرها از هم فاصله می گیرند به طوری كه نفوذ یون ها امكان پذیر می شود. درجه متورم شدن بستگی به مقدار دی وینیل بنزن دارد. رزین های تجارتی در حدود 8-20% دی وینیل بنزن دارند.
هر دانه رزین با آنیون غیر متحرك و یون متحرك H+ را می توان همچون یك قطره سولفویك اسید با غلظت 25% تصور كرد كه این قطره در غشایی قراردارد كه فقط كاتیون از آن می تواند عبور كند. در شكل 9-2 مقطعی از یك دانه رزین را نشان می دهد كه معادل تصور قطره ای آن نیز نشان داده شده است.
قدرت اسیدی یا بازی یك تعویض كننده را می توان با تیتراسیون معلوم كرد كه برای این كار، تغییر در pH یك سوسپانسیون از آن رزین را اندازه می گیرند.
در مورد تعویض كننده های كاتیونی قوی، pH از حدود یك شروع می شود و با افزایش قلیا تا حدود 12 افزایش می یابد. در حالی كه وقتی یك رزین كاتیونی ضعیف مثل كربوكسیلیك را به این صورت خنثی كنیم، pH از حدود 3 شروع می شودد و برای رسیدن به pH حدود 12 احتیاج به قلیای بیشتری است.
جهت دریافت فایل تاریخچه رزین های تعویض یونی لطفا آن را خریداری نمایید