رزین کاتیونی

رزین کاتیونی

رزین تبادل یونی کاتیونی برای تبادل یونهای کاتیونی در فرایند مبادله یون در سیکل های سدیمی یا هیدروژنی مورد استفاده قرار می گیرد. رزینهای کاتیونی در دو گروه کاتیونی اسیدی ضعیف و قوی با کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

فرایند مبادله یون(Ion Exchange Process)، تبادل برگشت پذیر یونهای محلول مابین یک ذره جامد پلیمری(رزین­ تبادل یونی) و یک مایع است. در حین این فرایند ساختار ذره جامد پلمیری هیچ تغییر دائمی نداشته و تنها یونها بین ذره جامد و مایع مبادله می شوند.

فرایند تبادل یونی یکی از کاربردی ترین روش­ها در تصفیه آب شرب یا آب صنعتی است؛ همچنین در فرایندهای غیر آبی همچون سنتز­ مواد شیمیایی، تحقیقات و تولید دارو، تولید مواد غذایی، صنایع معدنی، فعالیت­های کشاورزی و دیگر زمینه­ ها نیز به کار گرفته می ­شود.

 


شرکت مهندسی فران طراح و سازنده واحدهای تبادل یونی رزینی در تصفیه آب و پساب و تأمین کننده انواع رزینهای کاتیونی و آنیونی از برندهای دوپونت، پرولایت و لواتیت می باشد.


 

رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی اصلی ترین بخش یک فرایند تبادل یون است. رزین ­های تبادل یونی را می­ توان در دو دسته­ اصلی رزین ­های طبیعی و رزین ­های مصنوعی طبقه بندی نمود.

رزین­های مبادله یونی طبیعی: این رزین ها در طبیعت شکل گرفته اند و ابتدایی ترین رزین های به کار گرفته شده توسط انسان به منظور استفاده در فرایندهایی همچون تصفیه آب می باشند. اقسام این رزین ها به نام­های متفاوتی مانند زئولیت­ها، شن­های سبز، کلینوپتیلولیتزها و ناترولیتزها شناخته می شوند.

رزین­های مبادله یونی مصنوعی: این رزین­ها از یک ماتریکس پلیمری به همراه گروه­های عاملی یونی محلول که متصل به زنجیرهای پلیمری هستند، تشکیل شده ­اند. بسته به بار یونی که در هر رزین مبادله می ­شود، این رزین ­ها دسته بندی می­ گردند. در صورتی که بار گروه عاملی یک رزین مثبت باشد، می­ تواند یون­ های بار منفی را به خود جذب کند. به این نوع رزین­ها، رزین ­های آنیونی گفته می ­شود. رزین هایی که بارهای مثبت را به خود جذب می­کند، رزین مبادله کننده کاتیونی می نامند.

 

رزین کاتیونی چیست؟

رزین­های کاتیونی، ذرات جامد پلیمیری ریزی هستند که در نتیجه­‌ی اتصال گروه­ های عاملی یونی با بار منفی به یک ساختار کوپلیمری ساخته می ­شوند. در صورت استفاده از این رزین­ ها در هنگام انجام عملیات تبادل یونی، یون­ های هیدروژن(چرخه هیدروژنی) و سدیم(چرخه سدیمی) جایگزین کاتیون های آلاینده آب می ­شوند. این نوع رزین ­ها به دو زیر شاخه رزین کاتیونی اسیدی قوی و رزین کاتیونی اسیدی ضعیف تقسیم می ­شوند:

رزین کاتیونی اسیدی قوی(Strong Acid Cation)

رزین کاتیونی اسید قوی متشکل از یک ساختار فیزیکی کوپلیمر و یک گروه عاملی یونی است. قدرت تبادل یونی این رزین ها نشات گرفته از گروه ­های عاملی سولفونیک(HSO3) است. رزین های کاتیونی قوی عمدتا از پلیمر پلی استایرن ساخته می شوند. مهمترین یونهای کاتیونی حاضر در آب کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم هستند که طی فرایند تبادل یونی در چرخه هیدروژنی با یونهای هیدروژن موجود در ساختار رزین کاتیونی قوی مبادله می شوند.

فرایند تبادل یون بین یک رزین کاتیونی قوی و محلول مورد نظر(در اینجا آب آلوده) یک واکنش تعادلی بوده و به همین دلیل برگشت پذیر است؛ این امر بدین معناست که به هنگام تکمیل ظرفیت تبادل یک رزین، امکان بازیابی یا احیای آن رزین با استفاده از یک اسید معدنی یا محلول نمک آن رزین وجود دارد. رزین­ کاتیونی قوی در محدوده pH(14-0) به صورت عملیاتی مورد استفاده قرار می گیرند.

رزینهای کاتیونی اسیدی قوی، نمک ­های قوی یا ضعیف موجود در آب را جدا می­کنند و نیازمند میزان زیادی اسید قوی احیاکننده هستند. مقدار نشتی یونها(leakage) در این رزینها پایین است. بعلاوه، سرعت بالای تبادل یون، پایداری و تورم کمتر از ۷ درصد(از حالت سدیم به هیدروژنی) از دیگر مزایای رزینهای کاتیونی اسیدی قوی است.

کاربرد رزین کاتیونی اسیدی قوی: رزین ­های کاتیونی اسید قوی به صورت گسترده ای در زمینه­ های گوناگون همچون تصفیه آب، مصارف آنالیز مواد و صنایع غذایی به کار گرفته می شوند. رزین های کاتیونی اسید قوی به دو فرم سدیمی(-RSO3Na) و هیدروژنی(-RSO3H) در بازار موجود هستند. رزین کاتیونی قوی در فرم هیدروژنی، قادر به حذف تمامی کاتیون های موجود در محلول در تماس خود هستند.

رزین کاتیونی قوی در فرم سدیمی تنها قادر به جذب یون های عامل سختی آب  است. به همین علت، در سختی گیری آب تنها از فرم سدیمی رزین کاتیونی قوی به منظور جداسازی یون های کلسیم و منیزیم(یون های سخت) استفاده می­ شود. همچنین هرگاه سختی موقت آب کمتر از ۴۰ درصد سختی کل باشد، می ­توان از رزین کاتیونی قوی استفاده نمود. در فرایند خالص سازی یا املاح زدایی آب(demineralization) نیز از فرم هیدروژنی رزین کاتیونی قوی استفاده می شود. از مهمترین کاربردهای رزین کاتیونی قوی می­ توان به کارگیری آن ها به همراه رزین کاتیونی ضعیف در بسترهای مختلط یاد کرد.

 

رزین­ کاتیونی اسیدی ضعیف(Weak Acid Cation)

رزین های کاتیونی اسیدی ضعیف حاوی گروه های عاملی کربوکسیل(COOH) به عنوان عامل تبادل یون می­ باشند. گروه عاملی هیدروکسیل قابلیت یونیزاسیون کمی داشته و به همین علت این نوع رزین ­ها توانایی فعالیت در محدوده pH کوچکی دارند(pH بیشتر از ۷).

رزین کاتیونی اسیدی ضعیف در فرم هیدروژنی(R-COOH) تنها قادر به حذف کاتیون های برابر با مقدار کل قلیاییت موجود در آب و به طور موثر، سختی(کلسیم و منیزیم) همراه با قلیاییت است. تبادل یون در بین یک رزین کاتیونی ضعیف و محلول مورد نظر(آب آلوده) فرایندی برگشت پذیر بوده و این رخداد مجوز احیا اسیدی رزین اشباع شده را به حالت هیدروژنی آن صادر می کند.

مزیت مهم رزینهای کاتیونی اسیدی ضعیف نسبت به کاتیونی اسیدی قوی، سهولت در احیا رزین می باشد که منجر به کاربرد بیشتر آنها در صنعت شده است. رزین کاتیونی اسید ضعیف تنها با ۱۱۰ درصد مقدار استوکیومتری اسید نسبت به ۲۰۰ الی ۳۰۰ درصد برای رزین های کاتیونی اسید قوی، اشباع می شود. حتی این رزین ها را می توان توسط اسید باقی مانده از فرایند احیا رزین های کاتیونی اسید قوی احیا نمود، که این امر موجب کاهش مشکلات پسماند و خنثی سازی در چرخه احیا می شود.

کاربرد رزین کاتیونی اسیدی ضعیف:

از رزین های کاتیونی اسید ضعیف عمدتأ در سختی گیری آب و قلیاییت زدایی و به همراه یک رزین کاتیونی اسید قوی در تصفیه نهایی(polishing) استفاده می شود. این نوع رزین به دو فرم هیدروژنی و سدیمی موجود است. نوع هیدروژنی این رزین توانایی جداسازی تنها نمک های قلیایی را داشته و بر نمک های خنثی تاثیری ندارد. اما هنگامی که رزین کاتیونی ضعیف به نوع سدیمی خود تبدیل می گردد، قادر به جذب کلسیم، منیزیم و فلزات سنگین خواهد بود.

باید در نظر داشت که به دلیل عدم توانایی رزین کاتیونی ضعیف در حذف تمامی کاتیون های موجود در جریان آب آلوده، می توان این رزین­ها را به همراه رزین­های کاتیونی قوی به کار گرفت تا بازدهی فرایند حذف افزایش یابد. در صورت بکارگیری رزین کاتیونی اسید ضعیف و کاتیونی اسید قوی به همراه یکدیگر، یک سیستم از شرایط اقتصادی مناسب رزین کاتیونی ضعیف سود برده و آبی با کیفیت خوب(تقریبا برابر با کیفیت آب تصفیه شده توسط رزین کاتیونی قوی) تولید می نماید.

رزین اسیدی کاتیونی ضعیف مزیت هایی نسبت به رزین کاتیونی قوی دارد که به شرح ذیل است:

  • پایداری دمایی بسیار زیاد
  • راندمان بالای احیا و در نتیجه تولید پساب کمتر
  • توانایی حذف یون ­های مربوط به قلیاییت
  • تمایل تبادل یون بالا با یون هیدروژن(این ویژگی فرایند احیا را سهل نموده و از میزان ماده احیا کننده می ­کاهد)

رزین های کاتیونی دوپونت

شرکت دوپونت(DuPont)، از معتبرترین تولیدکنندگان رزین های تبادل یونی، ارائه دهنده انواع رزینهای کاتیونی به منظور به کارگیری در صنایع تولید انرژی(نیروگاه­ های اتمی و فسیلی)، تصفیه آب صنعتی(تولید آب بدون سختی و عاری از مواد معدنی مضر)، فرایندهای صنعتی(کاتالیست، خالص سازی، بازیابی در معدن و تصفیه پساب)، صنایع غذا و نوشیدنی(رنگ زدایی آبمیوه، اسیدزدایی آبمیوه، جداسازی نمک های معدنی از پنیر و…) و تصفیه آب آشامیدنی(سختی گیری، بو زدایی، حذف مواد معدنی مضر و…) می باشد.


شرکت مهندسی فران وارد کننده و تأمین کننده انواع رزینهای تبادل یونی از شرکت دوپونت(DuPont) برای کاربریهای مختلف صنعتی، دارویی و بهداشتی است.


تصفیه آبهای صنعتی از مهمترین کاربردهای رزین های کاتیونی می باشد. از اقسام فرایندهای تصفیه آب صنعتی می توان سختی گیری، زدایش مواد معدنی محلول، قلیاییت زدایی و بسترهای مختلط پولیشینگ(Polishing Mixed Bed) در واحدهای تصفیه آب صنعتی را نام برد.

شرکت دوپونت تولید کننده انواع رزین های کاتیونی قوی و ضعیف با کاربریهای متفاوت در صنعت است. در جدول زیر چند نوع رزین شرکت دوپونت نمایش داده شده است.

رزین امبرلایتنوع رزینماتریکسساختار کوپلیمرسختی گیریحذف مواد معدنیقلیاییت زداییپولیشینگ بستر مختلطهمسوغير همسوبسترهای لایه ایبسترهای آکندهبسترهای مختلطکاربردهای پیشنهادی
HPR1100 Naکاتیونی اسید قویژلاستایرنرزینی سختی گیر همراه با پایداری خارق العتده فیزیکی و پروفیل شستشوی کم
HPR1300 Hکاتیونی اسید قویژلاستایرنرزین قوی. مناسب برای بسترهای لایه ای و بسترهای مختلط به منظور به کار گیری در پولیشینگ و تولید آب خالص هنگامی که نشتی سدیم کم بوده و میزان رسانایی فاکتور اصلی مد نظر می باشد.
HPR8300 Hکاتیونی اسید ضعیفژلاستایرنرزینی با ظرفیت بسیار زیاد در فرایند قلیاییت زدایی و سختی گیری. در فرایندهایی با سرعت بسیار بالا موجب کاهش افت فشار می گردد.

همچنین این شرکت علاوه بر رزین های فوق، رزین هایی به نام رزین های گائوسینی کاتیونی به منظور استفاده در سیستم های احیا همسو تولید می نماید که این رزین ها در دو مدل کاتیونی ضعیف و کاتیونی قوی تولید می شوند. این رزین ها در فرایندهای سختی گیری، حذف مواد معدنی محلول و قلیاییت زدایی به کار می روند و عمدتا از نظر شیمیایی و فیزیکی توانایی بیشتری به نسبت رزین های فوق دارند.

خواص فیزیکی رزین کاتیونی

اندازه دانه های کروی انواع مختلف رزینهای تبادل یونی از ۰٫۳ میلی­متر الی ۱٫۲ میلی­متر می­ باشد. رزین­ کاتیونی به دو حالت ژلی یا رزین ماکرومتخلخل(Macroporous) ساخته می ­شود. رزین­های ماکرومتخلخل در ساختار خود تخلخل دارند، اما حفرات موجود در رزین­های ژلی ناشی از ساختار کوپلیمر و فاصله ­ی مولکولی است. در فرایندهایی که دما بسیار بالا بوده و محلول آلوده(آب) حاوی عوامل اکسید کننده باشد، از رزین ­های ژلی استفاده می شود.

بسته به نوع رزین مبادله یونی که از نوع قوی یا ضعیف باشد، محدوده ی دمای عملیاتی آن­ها متفاوت است. در جدول زیر نمونه هایی از رزین های شرکت دوپونت و محدوده دمای عملیاتی آن ها به چشم می خورد.

نام رزیننوع رزینمحدوده دما عملیاتی
AmberLite™ HPR8300 Hکاتیونی اسید ضعیف120-5 درجه سانتی گراد
AmberLite™ HPR1200 Naکاتیونی اسید قوی150-5 درجه سانتی گراد
AmberLite™ HPR1200 Hکاتیونی اسید قوی120-5 درجه سانتی گراد

همچنین میزان افت فشار یک رزین کاتیونی که تابعی از میزان دبی سرویس و دما است، به صورت گرافی در دیتاشیت های رزین ها آورده شده است.

طول عمر رزین کاتیونی

عوامل تأثیر گذار بر طول عمر رزینها متعدد هستند. جدول زیر برخی از عوامل موثر و اثرات آنها بر رزین کاتیونی را نشان می دهد.

عامل تاثیرگذار تاثیر
اکسیدانت هااز بین بردن پلیمر رزین و از دست رفتن گروه های عاملی
پیش تصفیهاحتمال آلودگی با مواد فولانت(foulants) و مواد جامد معلق
آهن، کلسیم، باریمایجاد رسب در دانه های رزین
دیگر مواد آلایندهروغن، پلی الکترولیت ها و دیگر موارد می توانند موجب گرفتگی رزین شوند.
مدت زمان سیکلسیکلهای کوتاه مدت می توانند موجب فشار اسمزی بیشتری نسبت به سیکل‌های بلند مدت شوند.
دبی جریاندبی بیشتر، افت فشارهای بیشتری را حاصل می نماید
جابجایی مداوم رزینسبب فشار مکانیکی بر رزین شده و احتمال تخریب رزین را به دنبال دارد.

در فرایندهای تصفیه آب، طول عمر معمول رزین­های کاتیونی شرکت دوپونت وابسته به شرایط عملیاتی از ۷ سال الی ۱۵ سال متغیر است.

احیای رزین کاتیونی

رزین ­های تبادل یونی ظرفیت مبادله یون محدودی دارند. زمانی که این ظرفیت به طور کامل تکمیل شود، رزین­ها قابلیت تبادل یون را از دست داده و نشت یون­های کاتیونی نامطلوب افزایش می ­یابد. رزین­ های مصرف شده را می­ توان با استفاده از نمک، اسید یا محلول بازی که حاوی یون اصلی تشکیل دهنده رزین باشد، احیا نمود. ماده احیا کننده را با میزان مناسب و غلظت بسیار بالا از بستر رزین عبور می­ دهند تا تبادل معکوس، دفع و جایگزینی یون های از پیش مبادله شده، مابین رزین و محلول احیا کننده رخ دهد.

انواع فرایندهای احیا: فرایند تبادل یون اغلب در بستر­هایی که یک یا بیشتر نمونه رزین در آن جای دارد، رخ می­ دهد. در زمان سیکل عملیاتی، جریان از بالا به پایین یا برعکس(پایین به بالا) به بستر رزین وارد می شود. سیکل احیا در دو حالت زیر، بسته به محلول ماده احیا کننده انجام می ­پذیرد.

  • احیا همسو(CFR): در احیای همسو، محلول احیا کننده در جهت جریان محلول اصلی به ستون رزینی وارد می شود که معمولا از سمت بالا به پایین بستر تبادل یونی است. احیا همسو معمولا مناسب حجم بالای رزین بوده که البته کیفیت بالای احیا هم مورد نیاز نباشد.
  • احیا ناهمسو(RFR): ورود محلول احیا کننده در خلاف جهت جریان سرویس انجام می شود. احیا ناهمسو به معنای جهت جریان بالا به پایین و احیای پایین به بالا و بالعکس است. در هر دو حالت، محلول احیا کننده ابتدا با لایه ­های­ رزین­ های کمتر مصرف شده تماس یافته که موجب افزایش بازدهی فرایند احیا می ­گردد. در نتیجه، در روش احیا ناهمسو محلول احیا کننده کمتری مصرف شده و مصرف مواد احیا کننده کاهش می یاید. باید خاطر نشان کرد که این روش تنها هنگامی که لایه­ های رزین­ها طی فرایند احیا در جای خود ثابت نگه داشته شوند، کاربرد دارد. به همین دلیل، روش احیا همسو می­ بایست در سیستم­های تبادل یونی بستر آکنده(Packed Bed) به کار گرفته شود.

مراحل فرایند احیا رزین تبادل یونی: مراحل ابتدایی سیکل احیا به شرح ذیل می ­باشد:

شستشوی معکوس(Backwash): شستشوی معکوس تنها در احیا همسو اجرا می­گردد. در این مرحله رزین ­ها به منظور جداسازی مواد جامد معلق و پخش ­سازی مجدد دانه ­های رزین فشرده، شستشو داده می ­شوند. تلاطم دانه ­ها به جداسازی آسان ­تر ذرات آلاینده کمک می کند.

ورود محلول احیا کننده: احیا کننده به تدریج به همراه آب رقیق کننده به ستون تبادل یونی وارد می شود. دبی محلول احیا کننده تقریبا با دبی جریان آب برابر می ­باشد. دبی فرایند احیا باید به دقت کنترل شود، زیرا در صورت خطا آسیب جدی به رزین ­ها وارد می ­آید.

شستشو: در انتهای عملیات رزین ­ها با آب در جهت جریان سرویس شستشو داده می ­شوند. این سیکل تا جایی که کیفیت آب مورد استفاده به حد مطلوب(کیفیت آب تصفیه شده) برسد، ادامه می ­یابد.

محلول احیا کننده رزین کاتیونی

محلول شیمیایی احیا کننده وابسته به نوع رزین که برای احیا آن به کار می­رود، تعیین می شود. متداول ترین احیا کنندگان رزین ­های کاتیونی به شرح زیر هستند:

احیا کننده­ های رزین کاتیونی اسید قوی: رزین کاتیونی اسید قوی تنها با اسیدهای قوی احیا می­ شود. سدیم کلراید متداول­ترین احیا کننده برای فرایند نرم کردن آب یا سختی گیری است. زیرا این ماده بسیار ارزان و در دسترس است. پتاسیم کلراید نیز هنگامی که حضور سدیم در فرایند نامطلوب باشد، استفاده می شود. آمونیوم کلراید در فرایندهای نرم­سازی آب کندانس داغ به کار می­رود.

هیدروکلریک اسید موثرترین و کاربردی ترین احیا کننده در موارد کاتیون­ زدایی است. سولفوریک اسید مقرون به صرفه تر و کم خطرتر از هیدروکلریک اسید است، اما به دلیل ظرفیت عملیاتی بسیار پایین­تر، کمتر استفاده می­ گردد. در صورت اعمال غلظت زیاد احیا کننده سولفوریک اسید، به دلیل ظرفیت عملیاتی کم، احتمال تشکیل رسوب کلسیم سولفات در رزین ­ها وجود دارد.

احیا کننده ­های رزین کاتیونی اسید ضعیف: هیدروکلریک اسید امن ­ترین و موثرترین احیا کننده برای فرایندهای قلیاییت­ زدایی است. سولفوریک اسید تنها در حالتی که در غلظت های کم استفاده شود، به عنوان جایگزین هیدروکلریک اسید گزینه ­ی مناسبی است. از دیگر گزینه ­ها می­ توان اسیدهای ضعیف همچون استیک اسید یا سیتریک اسید را نام برد. همچنین در فرایندهایی که رزین کاتیونی ضعیف و رزین کاتیونی قوی با یکدیگر همراه هستند می­ توان از اسیدی که رزین کاتیونی را احیا کرده است، استفاده نمود.

غلظت ماده احیا کننده: براساس دستورالعمل شرکت دوپونت غلظت کلریک اسید یا سولفوریک اسید مورد استفاده در فرایند احیا رزین های کاتیونی ۵ درصد می باشد.

توجه: در صورت عدم حضور کلسیم در آب آلوده غلظت سولفوریک اسید ۵ درصد است. در غیر این صورت بنا بر میزان کلسیم موجود در آب، غلظت سولفوریک اسید نیز به منظور جلوگیری از تشکیل رسوب کلسیم سولفات تغییر می کند.

بازدهی: فرایند احیای رزین­های کاتیونی اسید قوی دارای بازدهی در حدود ۱۰ الی ۵۰ درصد می­باشد. در حالی که به دلیل پایداری بسیار بالای رزین ­های کاتیونی اسید ضعیف بازدهی فرایند احیا به ۱۰۰ درصد نیز می­ رسد.

طراحی واحد تبادل یون کاتیونی

مهمترین شاخص ها و معیارهای طراحی در واحدهای تبادل یونی کاتیونی عبارتند از:

  • آنالیز آب خام
  • دبی تولید
  • مدت زمان سیکل
  • کیفیت مد نظر آب تصفیه شده
  • فناوری احیا
  • محاسبه ابعاد مخازن
  • انتخاب نوع رزین­

آنالیز آب خام: تمامی واحدهای مبادله یونی مختص مشخصات کیفی یک آب خام ورودی طراحی می شوند. تغییرات کم در خواص آب ورودی مجاز بوده و باید در فرایند طراحی پیش ­بینی شود، اما سیستم مبادله یونی برای آبهای مختلف با مشخصات کیفی متفاوت طراحی نمی ­شود. به طور مثال یک واحد demineralization طراحی شده برای آب چاه کاملا متفاوت از واحد تبادل یون مربوط به آب شیرین فرایند اسمز معکوس است.

قدم اول در طراحی یک سیستم تصفیه آب به روش مبادله یونی دستیابی به آنالیز آب خام مورد نظر است. اگر مقادیر آنالیز به دلایل متفاوت، مانند تغییرات فصلی، ثابت نباشد، نباید مقدار میانگین اجزای آب را در نظر گرفت، بلکه باید حالتی که بیشترین احتمال رخداد آن وجود دارد را به عنوان پایه طراحی خود در نظر گرفت.

آنالیز آب ورودی تعیین کننده احتمال نیاز به گاز زدا(degassifier) و نوع رزین است. در صورتی که میزان بی کربنات بیش از ۴۰ میلی گرم بر لیتر بر حسب کلسیم کربنات باشد، نصب یک گاز زدا مقرون به صرفه خواهد بود.

دبی تولید: اطلاع از اینکه آیا فرایند تبادل در دبی ثابت یا متغیر فعالیت خواهد کرد حائز اهمیت است. طراحی برخی سیستم­ها نیازمند حداقل دبی می­باشد(سیستم AmberpackTM). البته یک سیستم کارآمد ملزم به فعالیت در هر دو محدوده(حداکثر و حداقل) است. عموما، فعالیت تناوبی سیستم تبادل یون توصیه نشده است، زیرا احتمال افت کیفیت آب تصفیه شده پس از توقف فرایند بدون احیا کردن، بسیار بالا است.

مدت زمان سیکل: یک سیکل(دوره) کوتاه مدت در بیشتر موارد دلخواه ­ترین حالت ممکن است. در شرایط عملی مدت زمان فرایند تولید ملزوم به برابری با مدت زمان احیا می­ باشد. نظر به آن که اکثر سیستم ­های تبادل یونی خودکار احیا می ­شوند، مدت زمان تولید نیز کاهش یافته و نیاز به شیفت ­های طولانی مدت نخواهد بود. سیستم­ هایی با بازدهی بالا برای مدت زمان فعالیت کوتاهی به اندازه ۳ ساعت طراحی می شوند. مدت زمان معمول یک سیکل تبادل یونی ۸ الی ۲۴ ساعت، وابسته به میزان مواد جامد محلول(TDS) جریان متغیر است.

سینتیک رزین ­ها نیز بر مدت فعالیت سیستم محدودیت ایجاد می­کند. به همین منظور، در هنگام انتخاب رزین می­ بایست در دیتاشیت آن به میزان حداقل و حداکثر دبی قابل تحمل دقت کرده و آن را مد نظر داشت.

در آبهایی با شوری کم، مانند آب شیرین تولیدی اسمز معکوس، مدت زمان فعالیت ممکن است چند روز باشد. در این حالت می­توان نتیجه گرفت که هرچه میزان مواد محلول در آب بیشتر باشد، تعداد دفعاتی که نیاز به احیا رزین­ ها است بیشتر شده و در نتیجه مدت زمان عملیاتی رزین نیز کاهش می­یابد.

به منظور دستیابی به کیفیت برابر در آب تصفیه شده، افزایش مدت زمان سیکل در مقایسه با مدت زمان دوره کوتاه، موجب افزایش میزان حجم رزین مصرفی می گردد. زیرا رزین ها دیرتر احیا شده و به همین دلیل دستیابی به کیفیت مطلوب به تعویق می افتد، پس باید از میزان رزین بیشتری استفاده گردد تا بتوان به هدف نهایی تصفیه نزدیک شد.

کیفیت آب تصفیه شده: در فرایند تبادل یونی کیفیت آب تصفیه شده وابستگی چندانی به آنالیز آب خام ورودی ندارد. عوامل موثر در کیفیت آب تصفیه شده، اساساً مرتبط با فرایند احیا می ­باشد. به طور مثال، احتمال تاثیرگذاری دما بر نشت سیلیکا در آب تصفیه شده بسیار محتمل بوده و این احتمال در دماهای بالاتر از حدود ۵۰ درجه سانتی­گراد افزایش می ­یابد.

فرایند احیا: به استثنای واحدهای بسیار کوچک تبادل یونی( فقط برای قلیاییت زدایی به وسیله­ی رزین­های کاتیونی اسید ضعیف)، سیستم احیای واحدهای عملیاتی همواره می ­­بایست به صورت جریان معکوس طراحی شود.

محاسبه ابعاد مخازن: برای یک رزین با حجمی مشخص، عموما ساختن ستونی( مخزنی که فرایند تبادل یون در آن رخ می ­دهد) بلند و باریک مقرون به صرفه تر از ستونی کوتاه و عریض می­باشد. به طور مثال در تصویر A، حجم رزین ­های پر کننده هر دو ستون یکسان می ­باشد. اما ستون B ارزان­تر بوده، زیرا مولفه­ های اصلی هزینه یک مخزن، عدسی های انتهایی و صفحات نازل آن می­باشند. هیچگونه محدودیتی در ارتفاع یک ستون وجود ندارد مگر در مواردی خاص.

ارتفاع ستون تبادل یونی وابستگی بسیاری به سرعت خطی در طول ستون دارد. افزایش سرعت خطی آب خام و کاهش ارتفاع بستر، زمان مورد نیاز برای تبادل یون میان رزین و آب خام را کاهش داده و تأثیر منفی بر کیفیت آب خروجی دارد

محاسبه ابعاد مخازن رزین

 

گزینش نوع رزین: نوع رزین براساس فرایند مورد انتظار تبادل یون تعیین می گردد. به طور مثال در فرایند سختی گیری از نوع سدیمی رزین کاتیونی اسید قوی استفاده می شود. به منظور دستیابی به اطلاعات دقیق هر رزین باید به دیتاشیت های ارائه شده توسط شرکت های سازنده مراجعه نمود.

سختی­‌گیری:

فرایند نرم سازی یا سختی­ گیری آب یکی از مهمترین کاربردهای رزین ­های تبادل یونی کاتیونی است. یونهای کلسیم و منیزیم که به عنوان سختی از آنها یاد می ­شود، با صابون واکنش داده و عملیات شستشو با آب را دشوار می کنند.

محدودیت غلظت یون­های سختی: در آبهایی که میزان غلظت یون سختی بیش از ۵۰۰ میلی­گرم بر لیتر باشد، فناوری تبادل یونی معمولا کاربرد کمتری نسبت به دیگر فرایندها دارد. اگرچه در غلظتهای تا ۱۰۰۰ میلی­گرم بر لیتر سختی نیز فناوری تبادل یون همچنان تاثیرگذار در فرایندهای سختی ­گیری و جداسازی یونهای خاص می باشد. اما در غلظت­ های بالای ۱۰,۰۰۰ میلی­گرم بر لیتر این فناوری کارایی خویش را از دست می دهد.

دمای فرایند سختی ­گیری: حداکثر دمای فرایند سختی­گیری معمولا با توجه به نوع رزین به کار رفته در آن در حدود ۱۴۹ درجه سانتی­گراد است.

رزین مناسب: در فرایند سختی­گیری از رزین ­های کاتیونی اسید قوی و رزین­های کاتیونی اسید ضعیف استفاده می­ شود. رزین کاتیونی اسید قوی در دو فرم سدیمی و هیدروژنی می­ تواند در این فرایند شرکت نماید. رزین­های کاتیونی اسید ضعیف معمولا برای بهبود عملکرد رزین کاتیونی اسید قوی، به همراه آن، به کار گرفته شده و تنها فرم هیدروژنی آن قابلیت جذب یون­های سختی را دارد.

سختی­‌گیری

Prepared by: Negin Shahi Nejad