رزین تبادل یونی

تبادل یونی یکی از اشکال پدیده نفوذ و جذب سطحی است که در آن یون های مشخصی در مواد جامد و غیر محلول با یون هایی در یک محلول تعویض می شود. این مبادله فرایندی قابل برگشت است و برای اجرای آن لازم است که فاز جامد و مایع با یکدیگر با هم در تماس باشند. جسم جامد به گونه ای انتخاب می شود که یون های آن و یون های محلول با یکدیگر هم علامت باشند. در فرایند سختی گیری توسط رزین های تبادل یونی، یون های غیر مطلوب از آب، توسط یک ماده تبادلگر یون (مثل رزین) با یونی دلخواه مبادله می شود.

به این رزین میکس بد، مخلوطی از رزین های کاتیونی و آنیونی است و به رزین ترکیبی نیز می گویند. این رزین ترکیبی از نسبت 40 به 60 درصد به ترتیب رزین های آنیونی قوی (یا یون فعال هیدروکسید) و کاتیونی قوی (با سیکل هیدروژنی) ساخته شده است. این رزین عملکرد هر دو رزین کاتیونی و آنیونی را به طور همزمان دارد. به صورت که کلیه یون های محلول در آب را جذب و به جای آنها، یون های +H و –OH به آب وارد می کنند. معمولاً هنگامی از این آب استفاده می شود که به درجه ای از آب سالم نیازمند هستیم که کیفیت آن کاملاً مطمین باشیم. از این رزین به طور گسترده در دستگاه های دی یونایزر و تولید آب خالص استفاده می شود. بسته به میزان TDS و کیفیت آب ورودی و حجم آب عبوری از رزین، لازم است که بستر رزین را در بازه های زمانی مختلف توسط محلول اسید و باز، احیا و شسته شود تا مجدداً بتواند مورد استفاده قرار بگیرد. مهمترین ویژگی های رزین های میکس بد شامل موارد زیر می باشند:

1- تولید آب مقطر و فوق خالص برای مصارف صنعتی و آزمایشگاهی

2- قابلیت حذف اکثر مواد معدنی موجود در آب

3- تولید آبی با TDS بسیار پایین

4- تولید آب جهت شستشوی نماهای شیشه ای

4- رزین های حذف آهن و منگنز

یکی از متداول ترین مشکلات مصرف کنندگان آب به ویژه در بخش صنعتی، وجود املاح آهن و منگنز در آب است. این مواد معمولاً به صورت اکسید فریک و اکسید منگنز نامحلول در آب هستند. وجود یون آهن در آب بسته به میزان غلظت آن می تواند سبب کدورت آب و تغییر رنگ آن به زرد مایل به قهوه ای، طعم نامطبوع، ایجاد لکه بر روی لباس و در غلظت بالا باعث رسوبگذاری در لوله ها و تاسیسات صنعتی شود. وجود یون منگنز در آب نیز می تواند باعث ایجاد لکه های قهوه ای بر روی لباس و ذرات سیاه رنگ بر روی وسایل گردد. مقدار مجاز یون آهن در آب بسته به کاربرد آن متفاوت است، این مقدار برای آب آشامیدنی مقدار ppm 0.3 و برای مصارف صنعتی حدود 0.005 تا ppm0.3 تعیین شده است. ترکیبات آهن به طور کلی به شکل یون فرو (دو ظرفیتی) و یون فریک (سه ظرفیتی) وجود دارد.

این ترکیبات در آب های سطحی معمولاً به صورت فریک و در آب های چاه به شکل فرو می باشند. ترکیبات فرو توسط رزین های کاتیونی (معمولاً فرم سدیمی) از آب قابل حذف هستند، اما ترکیبات فریک در آب موجب رسوب گذاری بر بستر رزین و اختلال در عملکرد سیستم خواهند شد.

از رزین های کاتیونی حذف انتخابی آهن و منگنز قابلیت حذف فلزات سنگینی مانند آهن و منگنز از آب را دارند و از این رزین های جهت استخراج فلزات از سنگ معدن، تصفیه پساب های صنعتی، پساب آبکاری ها و نیز حمام آبکاری فلزات استفاده می شود.

5- رزین تبادل یونی حذف آرسنیک

آلودگی آب های زیر زمینی به ماده سمی آرسنیک، یکی از اساسی ترین مشکلات و آلاینده های آب آشامیدنی در سراسر دنیا است. مصرف طولانی مدت این ماده می تواند سبب بروز بیماری هایی جدی از جمله سرطان در انسان شود. سازمان بهداشت جهانی حد مجاز و استاندارد آرسنیک در آب را 0.01 میلی گرم بر لیتر تعیین کرده است، در حالی که حداکثر مقدار مجاز آرسنیک در آب آشامیدنی حدود 5 میلی گرم بر لیتر می باشد.

6- رزین تبادل یونی انتخابی حذف بور

در تمام بافت های بدن انسان مقدار کمی بور (بورون) وجود دارد، اما مقدار اضافه آن می تواند باعث آسیب به سیستم عصبی انسان شود. بدین دلیل در بسیاری از کشورها غلظت بورون در فاضلاب و آب آشامیدنی کنترل می شود. طبق توصیه سازمان بهداشت جهانی (WHO) مقدار مجاز بور در آب آشامیدنی مقدار 5.0 میلی گرم می باشد، بنابراین حذف بور از منابع آبی یکی از بزرگترین دغدغه های بهداشت عمومی و محیط ریست محسوب می شود.

بور معمولاً در طبیعت به صورت اسید بوریک و نمک معادل آن می باشد. امروزه روش های مختلف جداسازی اسید بوریک از آب آشامیدنی در حال توسعه هستند که در این می توان به استفاده رزین های حذف انتخابی بور اشاره نمود. این رزین ها نوعی رزین آنیونی ضعیف است که می تواند بور را در غلظت های بسیار پایین و در حضور یون های دیگر از آب حذف کند.

7- رزین تبادل یونی مخصوص حذف نیترات

وجود نیترات در آب آشامیدنی یکی از مهمترین مسائل در حوزه تصفیه آب و فاضلاب محسوب می گردد و از طریق روش های مختلفی به آب شرب مصرفی ما وارد می شود. اصلی ترین عامل آلودگی آب توسط نیترات، استفاده از کودهای شیمیایی است که توسط آب های زیر زمینی جذب شده اند. سازمان حفظ محیط زیست آمریکا و بهداشت جهانی، میزان استاندارد نیترات در آب را به ترتیب 45 و 50 میلی گرم بر لیتر اعلام شده است. جهت حذف نیترات و رساندن آن به حد مجاز، معمولاً از رزین های تبادل یونی استفاده می شود.

انتخاب رزین تبادل یونی مناسب جهت کاهش سطح نیترات در آب شرب کار ساده ای نیست و نیازمند تجربه و تخصص کافی می باشد. معمولاً جهت نیترات از آب از یکی از انواع رزین های تبادل یونی آنیونی ضعیف، آنیونی قوی نوع یک، آنیونی قوی نوع دو و یا به طور ویژه از رزین آنیونی قوی مخصوص حذف نیترات استفاده می شود. از رزین های تبادل یونی دیگری نیز جهت حذف نیترات از آب می توان استفاده کرد، اما در شرایطی که آب ورودی مقدار بالای سولفات داشته باشد یا هدف جلوگیری از نشت نیترات در آب تصفیه شده باشد، استفاده از رزین آنیونی قوی حذف نیترات بسیار کارآمدتر است.

سختی گیر رزینی دستگاهی است که وظیفه آن حذف سختی کل آب شامل: یون های کلسیم، منیزیم و برخی کاتیون های فلزی محلول در آب سخت است. امروز سختی گیری از طریق رزین تبادل یونی در سیستم تصفیه آب صنعتی کاربرد گسترده ای دارد.

دستگاه سختی گیر رزینی دارای بدنه تحت فشار از جنس فلزی (گالوانیزه) یا فایبرگلاس (FRP) است که محیط مساعدی برای تبادل یونی و حذف آهک از آب فراهم می کند. سختی آب (شامل EC ،PH ،TDS ، Total hardness) پس از خروج از دستگاه سختی گیر، تغییرات قابل توجهی خواهد داشت، به این ترتیب که سختی و هدایت الکتریکی آب پس از عبور از دستگاه سختی گیر کاهش و TDS به میزان کمی افزایش می یابد، اما PH آب در محدوده خاصی ثابت می ماند. دستگاه های سختی گیر رزینی دارای ظرفیت مختلفی هستند و به منظور محاسبه ظرفیت دستگاه ضروری است که دبی جریان آب، سختی کل آب ورودی و مدت زمات شستشوی معکوس یا بک واش اندازه گیری شود.

اجزای سختی گیر رزینی

اجزای اصلی دستگاه سختی گیر رزینی شامل موارد زیر هستند:

• ورودی و خروجی آب

• لوله رایزر (لوله وسط دستگاه)

• شیر تخلیه هوا و آب

• فشارسنج

• مخزن دستگاه سختی گیر: این مخزن از جنس فلزی یا فایبرگلاس ساخته می شود و دارای دریچه های بازدید جهت تخلیه یا پر کردن سیلیس و رزین می باشد. در قسمت بالا و پایین این مخزن، نازل هایی قرار دارد که جهت پاشیدن آب بر سطح بستر رزین استفاده می شوند.

• نوع و جنس رزین تبادل یونی: اصلی ترین بخش سختی گیر رزینی است که وظیفه اصلی یون زدایی از آب را دارد. این رزین های تبادل یونی مورد استفاده در تصفیه آب دارای سه نوع کاتیونی، آنیونی و میکس بد هستند.

• سنگ سیلیس با دانه بندی مختلف

• نازل های سختی گیر

• آب پخش کن و صفحه آن

• مخزن محلول آب نمک: این مخزن معمولاً از جنس پلی اتیلن و به منظور انجام عملیات احیای سختی گیر ساخته می شود.

• شیر کنترلی سختی گیر (دستی یا اتوماتیک): از شیرهای کنترلی جهت تنظیم حالت کاری دستگاه استفاده می گردد.

مکانیزم عمل سختی گیر رزینی

دستگاه سختی گیر رزینی که اصطلاحاً نرم کننده آب (water softner) نامیده می شود، از فرایند تبادل یونی جهت تولید آب نرم و خالص از آب ورودی استفاده می کند. در دستگاه سختی گیر تبادل یونی (رزینی)، فاز محلول در واقع یک محلول الکترولیت و حاوی یون می باشد. هدف از فرایند تعویض یونی در دستگاه، جداسازی آنها از محلول است و فاز جامد همان رزین است که عمل مبادله یون توسط آن انجام می شود. به ترتیب که یون های با بار مثبت به رزین های کاتیونی و یون های منفی به رزین های آنیونی متصل می شوند. برای مثال در فرایند سختی گیری توسط رزین کاتیونی (سیکل سدیمی)، ابتدا آب سخت حاوی کلسیم و منیزیم از میان بستر رزین عبور کرده و یون های سخت توسط یون های نرم دانه های رزین مبادله می شوند. نتیجه این فرایند، آب است که سختی آن گرفته شده و اصطلاحاً نرم شده است.

با گذشت زمان، دانه های رزین در دستگاه با یون های کلسیم و منیزیم اشباع شده و ظرفیت آنها برای سختی گیر کاهش می یابد. این فرایند تا زمانی ادامه پیدا می کند که تمام محل های تبادل در مبدل (رزین) اشغال شوند. در این شرایط رزین دستگاه سختی گیر نیازمند عملیات احیا خواهد بود.

برای احیای رزین های بستر مخلوط روشی وجود دارد که در داخل همان مخزن زرین انجام می شود. بدین منظور لازم است که پیش از افزودن اسید و سود به سیستم، ابتدا رزین های کاتیونی و آنیونی از یکدیگر جدا شوند. این جداسازی در میکس بد توسط عملیات شستشوی معکوس رزین با نرخ جریان مناسب صورت می گیرد. رزین های کاتیونی که دارای چگالی بیشتری هستند، در مخزن رزین کاتیونی ته نشین شده و رزین آنیونی در مخزن به سمت بالا می رود. در برخی موارد جهت جداسازی رزین از آب نمک استفاده می شود. پس از جداسازی، بستر هر یک از رزین های آنیونی و کاتیونی باید دوباره احیا گردد. پس از استفاده از مواد احیا کننده، رزین ها را آب خالص شستشو داده و فوراً توسط هوای فشرده و تمیز با هم مخلوط می شوند. نکته مهم در این باره این است که برای سهولت در جداسازی دو رزین، می توان پیش از احیا از یک رزین خنثی به همراه رزین های کاتیونی و آنیونی استفاده نمود. استفاده از رزین خنثی تاثیری بر روی کیفیت و خواص آب خروجی ندارد و لازم است که چگالی آن باید بین رزین آنیونی و کاتیونی باشد. عملکرد رزین خنثی به این ترتیب است که در طی عملیات احیا، به صورت یک لایه جداکننده بین دو رزین آنیونی و کاتیونی رفتار خواهد کرد.

عمر مفید رزین کاتیونی

پاسخ به این سوال که عمر رزین تبادلی یونی کاتیونی چقدر است، دشوار است زیرا عمر مفید یک رزین تبادل یونی به عوامل مختلفی مانند کیفیت آب خام ورودی، کیفیت رزین مورد استفاده، میزان عملیات احیای رزین، دما و ... بستگی دارد. اما بطور کلی می توان عمر مفید رزین کاتیونی در تصفیه آب را مدت 5 تا 10 سال برآورد کرد. اما این مدت زمان برای رزین آنیونی حدود 4 تا 8 سال است.

قیمت سختی گیر رزینی

قیمت دستگاه سختی گیر به ظرفیت و نوع و جنس مواد اولیه مورد استفاده در آن بستگی دارد، برخی از مهمترین عواملی که در تعیین قیمت سختی گیر موثر هستند، موارد زیر هستند:

• برند رزین مورد استفاده

• نوع شیر دستگاه سختی گیر (اتوماتیک یا دستی)

• عدسی های مورد استفاده

• ظرفیت سختی گیر

• ابعاد مخزن آن

• ابعاد و ظرفیت مخزن آب و نمک

• جنس بدنه دستگاه (فلزی یا FRP)

• مقدار رزین مورد استفاده

• ضخامت ورقه بکار رفته در بدنه

در میان موارد بالا، موثرترین عوامل در قیمت سختی گیر رزینی، نوع و قیمت رزین و شیر کنترلی استفاده شده در دستگاه می باشند. شیرهای کنترلی نوع اتوماتیک در مقایسه با دستی گرانتر هستند و برای انجام مراحل کاری مختلف سختی گیر به طور اتوماتیک تنظیم می شوند. استفاده از رزینی ارزان تر و کیفیت پایین شاید در روزهای اول ظاهراً تفاوتی در عملکرد دستگاه نداشته باشد، اما با گذشت زمان و اشباع شدن رزین ها مشاهده خواهیم کرد که رزین دیگر احیا نمی شود و ناچار به شارژ مجدد آن خواهید بود. استفاده از رزین مرغوب با برندی معتبر قطعا در عملکرد سختی گیر رزینی بی تاثیر نخواهد بود.

یکی از عوامل موثر در طراحی دستگاه سختی گیر رزینی، مقدار رزین مورد نیاز دستگاه است، زیرا عواملی مانند مقدار و جنس رزین در بازده و عملکرد دستگاه سختی گیر بسیار موثر هستند. حجم رزین مورد نیاز برای دستگاه سختی گیر می توان توسط عوامل زیر برآورد کرد:

• میزان دبی آب (نرخ عبور جریان آب از سختی گیر)

• سختی آب خام ورودی

• حجم آب سختی گیری شده

• تعداد دفعات احیای روزانه

• ظرفیت تبادل یونی رزین مورد استفاده

معمولاً تعداد دفعات احیا در روز حداکثر سه مرتبه می باشد و زمان هر بار احیا را تقریباً دو ساعت در نظر می گیرند. این زمان بسته به دمای آب می تواند حداکثر سه ساعت زمان ببرد تا محلول اشباع آب نمک در مخزن تولید و آماده مصرف شود. هنگام محاسبه میزان رزین مورد نیاز براساس دبی آب معمولاً به دو عامل سطح مقطع رزین و زمان تماس مناسب مورد نیاز میان رزین و آب توجه ویژه می شود.

مشخصات آب آشامیدنی سالم از نظر میزان سختی

آب آشامیدنی سالم استاندارد از نظر املاح موجود در آن باید مشخصات زیر را داشته باشد:

• آب نرمی حاوی تمام املاح معدنی مورد نیاز بدن باشد.

• نوشیدن آبی خالصی که کلیه املاح آن حذف شده باشد، برای سلامتی انسان مضر است.

• حاوی مقدار مناسبی کلسیم و منیزیم برای سلامتی انسان (خصوصاً برای کودکان در حال رشد)

• میزان سدیم موجود در آب از 300 میلی گرم بر لیتر بیشتر نباشد.

• میزان سدیم کلرید مورد نیاز بدن حدود دو تا سه قاشق غذایی در روز است که منابعی مختلفی از جمله باید تامین شود.

جذب سدیم از طریق مصرف آب نرم به میزان سختی آن بستگی دارد. این میزان جذب کمتر از 3% از سدیم مورد نیاز بدن است که از طریق آب صورت می گیرد.

5- رزین تبادل یونی حذف آرسنیک

آلودگی آب های زیر زمینی به ماده سمی آرسنیک، یکی از اساسی ترین مشکلات و آلاینده های آب آشامیدنی در سراسر دنیا است. مصرف طولانی مدت این ماده می تواند سبب بروز بیماری هایی جدی از جمله سرطان در انسان شود. سازمان بهداشت جهانی حد مجاز و استاندارد آرسنیک در آب را 0.01 میلی گرم بر لیتر تعیین کرده است، در حالی که حداکثر مقدار مجاز آرسنیک در آب آشامیدنی حدود 5 میلی گرم بر لیتر می باشد.

آرسنیک عمدتاً به صورت دو ترکیب آرسنات و آرسنیت در آب وجود دارد و با استفاده مستقیم از روش تبادل یونی تنها می توان آرسنات (با بار منفی) را از آب حذف نمود. اما به منظور حذف آرسنیک (با بار خنثی) ابتدا آن را توسط فرایند اکسایش به آنیون (با بار منفی) تبدیل کرده و سپس از آن از رزین های مبادل یونی جهت حذف آن استفاده می شود. در این روش، فرایند اکسایش باعث تبدیل آرسنیت به آرسنات در آب می گردد. باید دقت شود که در روش استفاده همزمان از فرایندهای اکسایش و تبادل یونی، لازم است که رزین ها توسط عملیات احیا از مواد حاصله از اکسایش پاک شوند. اگر زمان انجام روش اکسیداسیون طولانی باشد، ممکن است موجب آسیب به رزین ها شود. بنابراین تعیین زمان بهینه فرایند اکسایش در عملکرد دستگاه اهمیت بسزایی خواهد داشت، بدین منظور استفاده از رزین های انتخابی آرسنیک (نوع آنیونی قوی) در مقایسه با انواع دیگر مناسب تر است. این رزین آنیونی قوی از نوع کلراید است و اگر PH آب در هنگام استفاده از آن در محدوده 8 تا 9 باشد، واکنش آرسنات کلرید رخ خواهد داد.

آیا سدیم آب سختی گیری شده برای سلامتی انسان مضر است؟

برخی از استفاده کنندگان دستگاه سختی گیر، نگران هستند که سدیم اضافه شده به آب سختی گیری شده برای سلامت آنها مضر باشد. در این باره باید بدانیم که میزان سدیم افزوده شده به این آب به میزان سختی آب بستگی دارد. اما بطور کلی باید توجه داشت که این میزان سدیم آب سختی گیری شده در مقابل میزان نیاز روزانه ما به سدیم و مقدار دریافتی از طریق مواد غذایی، مقداری بسیار ناچیزی است.