برای مطالعه رزین کاتیونی ابتدا باید فرایند تبادل یونی را مورد بررسی قرار داد. با وجود آنکه بیش از 100 سال از پیدایش فرایند تبادل یونی می گذرد، حدودا 80 سال است که استفاده های تجاری از آن آغاز گردیده، و توسعه و کاربرد گسترده آن تنها در 30 سال گذشته شکل گرفته است. این فرآیند امروزه به طور وسیعی جهت:

  • سختی گیری آب توسط رزین کاتیونی
  • دی یونیزه کردن کامل آب توسط رزین میکس بد
  • خالص سازی مواد در صنایع دارویی توسط رزین خالص ساز
  • صنایع شیمیایی

و مواردی از این قبیل به کار برده می شود.

همچنان که از نام این فرایند مشهود است، تبادل یونی به منظور تعویض یون های مزاحم آب (یا محلول)  با یون های بی ضرر انجام می گیرد. یون های نا مطلوب به جسم جامدی منتقل شده و یون های بی ضرر از جسم جامد جدا شده و وارد آب می شود. مبادله کننده ها دارای خاصیت “انتخاب پذیری” می باشند. به عبارت دیگر مبادله کننده های یونی تعویض برخی یون ها را به برخی یون های دیگر ترجیح می دهد.

مبادله کننده ها ابتدا به صورت سنگ های معدنی سبز رنگ یا زیولیت (که از کلمه یونانی شن سبز آمده است) یافت می شدند در اصل قسمت جامد مبادله کننده سنگ های معدنی زیولیت بودند که قادر بودند کلسیم و منیزیم محلول در آب را با سدیم جایگزین کنند از این رو آن ها را زیولیت های سدیمی  نامیدند.  نکته اساسی اینجا بود که زیولیت ‌های سدیمی دارای محدودیت هایی بودند. این زیولیت ها تنها می توانستند سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند، و آنیون هایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می ماندند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نبود. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 در هلند زیولیت هایی ساخته شد که به جای سدیم فعال، هیدروژن فعال داشتند. این زیولیت ها که به تعویض کننده ‌های کاتیونی هیدروژنی معروف بودند علاوه بر کاهش سختی آب، به واسطه آزاد کردن یون هیدروژن قادر بودند قلیاییت آب را کاهش دهند. پس از رزین های کاتیونی هیدروژنی، در سال 1944 رزین های آنیونی تولید شدند که قادر بودند آنیون های موجود در آب را خارج کرده و PH آب را افزایش دهند. که استفاده هم زمان این دو رزین منجر به توسعه سیستم های یون زدایی دمین شد.

قسمت جامد رزین کاتیونی همان طور که گفته شد ابتدا از سنگ های معدنی زیولیتی ساخته می شد پس از آن پودر کربنی ساخته شدند. در نهایت پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یون می ‌باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. این نتیجه گیری منجر به توسعه اولینرزین کاتیونی مصنوعی شد یعنی همان سیلیکات آلومینیم بود. امروزه اکثر زرین‌ کاتیونی تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می ‌روند رزین کاتیونی سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل می شوند که از مهم ترین آن ها می توان رزین های پلی استایرنی را نام برد.

ویژگی های کلی رزین کاتیونی گفته شده در جدول زیر موجود است:

تعریف پارامترهایی برای تعیین اندازه و دانه بندی ذرات

  • قطر موثر (P10) ذرات (EC) : قطری که 10 درصد از ذرات (از نظر وزنی) از آن کوچکتر باشند را قطر موثر می گویند. ضمنا قطری که 60 درصد از ذرات (باز هم از نظر وزنی) از آن کوچکتر باشند را P60 می نامند.
  • ضریب یکنواختی  (EC) : نسبت قطر P60 به قطر موثر یا همان P10 را ضریب یکنواختی می گویند. همان طور که از نام آن پیداست ضریب یکنواختی نشان دهنده پراکندگی در قطر ذرات است به این معنی که هر چه ضریب یکنواختی کوچک تر باشدرزین ها یک دست تر هستند و هر چه این عدد بزرگ تر باشد اندازه ذرات رزین پراکنده تر است.

انواع رزین

رزین  بر اساس یون هایی که جذب و وارد آب می کنند انواع مختلفی دارند که به صورت زیر دسته بندی می شود.

1. رزین کاتیونی (اسیدی)

این رزین کاتیونی به شکل (R—H) و یا (R—Na) هستند که R قسمت جامد رزین کاتیونی و H یا Na، یون هیدروژن و سدیم است. رزین کاتیونی در فرایند دیونیزه کردن آب در واحد های دمین و جهت سختی گیری در سختی گیر رزینی استفاده می شود. هنگام استفاده از رزین کاتیونی یون هیدروژن و سدیم جایگزین کاتیون های موجود در آب می شود. در هنگام احیا کاتیون های سطح رزین وارد محلول احیا شده و مجددا هیدروژن و سدیم جایگزین آن ها می شود. رزین های اسیدی بر مبنای قابلیت تفکیک یعنی به دو دسته ی رزین اسیدی قوی و رزین اسیدی ضعیف تقسیم بندی می شود:

• رزین اسیدی قوی (رزین کاتیونی قوی): رزین اسیدی قوی به شکل (R—H) است. رزین اسیدی قوی تحت هر PH ای عمل می کند و نمک های قوی و ضعیف را تجزیه می کنند. عمر رزین کاتیونی قوی حتی به 20 سال هم می رسد  و برای تبادل یون کاتیونی (سختی گیری و دیونیزه کردن) مناسب اند. این مبادله کننده ها معمولا رزین سولفونه شده بوده و دارای یون HSO3 می باشند. لازم به ذکر است ظرفیت آن ها محدود تر از رزین اسیدی ضعیف است و سریع تر باید احیا شوند. لذا احیای رزین کاتیونی قوی ، پر هزینه تر رزین کاتیونی ضعیف است. برای احیای رزین اسیدی قوی باید آن ها را با اسید های قوی همچون HCl و H2SO4 شستشو داد. زمان شستشو و احیای رزین کایتونی قوی به عوامل مختلفی چون میزان استفاده، غلظت اسید و …. بستگی دارد.

• رزین اسیدی ضعیف ( رزین کاتیونی ضعیف ): رزین کاتیونی ضعیف به شکل (R—Na) است. رزین اسیدی ضعیف در PH کمتر از 7 کاتیون ها را به خوبی تعویض نمی کنند، بنابراین کاتیون نمک های قوی را نمی توانند به سادگی تعویض کنند. رزین کاتیونی ضعیف بیشتر برای سختی گیری آب و حذف املاح سختی (املاح چند ظرفیتی مثل کلسیم، منیزیم، آلومینیوم و …) در دستگاه های سختی گیر رزینی به کار برده می شوند. در عوض رزین کاتیونی ضعیف بازدهی بالا تری در مقایسه با رزین کاتیونیقوی دارند، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیون های آب است بکارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزین کاتیونی قوی است.

رزین کاتیونی ضعیف در جذب CA2+ بسیار مناسب می باشند. عامل تبادل رزین کاتیونی ضعیف معمولا یک اسید ضعیف مثل –COOH (اسید کربوکسیلیک، اسید استیک، اسید سیتریک و…) است. برای احیای رزین کاتیونی ضعیف ، آن ها را در محلول آب و نمک (معمولا 10 درصد) شستشو می دهند.. غلظت های کمتر و یا بیشتر از 10 درصد نمک، اثر کمتری دارند و خلوص نمک عامل بسیار مهمی در احیا مناسب رزین کاتیونی سختی گیر می باشد. برای تهیه محلول مناسب جهت احیای رزین کاتیونی ضعیف باید از نمک متبلور شده با خلوص 99 درصد استفاده شود. اگر از سنگ نمک و نمک معمولی استفاده گردد به سبب ناخالصی در نمک، عمر رزین بسیار کاهش یافته و رزین به طور کامل احیا نمی گردد. استفاده از آّب چاه، آب ورودی به کارخانه و یا شیر آب برای تهیه آب و نمک اشتباه دیگر اکثر کارخانجات و کارگاه ها است که سبب می گردد ناخالصی آب مورد استفاده برای تولید آب و نمک احیارزین کاتیونی ، دوباره به رزین انتقال می یابد و احیای مناسب صورت نگیرد و عمر مفید رزین کاتیونی که بالای 5 سال می باشد کم گردد. مناسب ترین آب برای تهیه محلول احیای رزین کاتیونی آب سبک شده توسط خود دستگاه سختی گیر است.

2. رزین آنیونی (رزین بازی)

رزین آنیونی به شکل (R—OH) هستند همانند قبل R  سطح جامد رزین و OH یون هیدروکسید است. این رزین ها در فرایند دیونیزه کردن آب در واحد های دمین استفاده می شود و برای احیای رزین آنیونی از محلول های بازی استفاده می شود. در هنگام استفاده از این رزین ها یون هیدروکسید جایگزین آنیون های موجود در آب شده و آب بازی می شود. در هنگام احیای آنیون های سطح رزین وارد محلول بازی شده و مجددا هیدروکسید جایگزین آن ها می شود. رزین های بازی نیز بر مبنای قابلیت تفکیک به دو دسته ی رزین بازی قوی و رزین بازی ضعیف تقسیم بندی می شود:

• رزین بازی قوی: این رزین ها نیز در هر PH ای عمل می کنند و تمام نمک های قوی و ضعیف را تجزیه می کنند  پاره ای از این مبادله کننده ها برای حذف سیلیس  و CO2موجود در آب بسیار موثرند.عامل تبادل این رزین ها ملکول ترکیبی ازت چهار ظرفیتی مانند –NH4 است. رزین های بازی قوی نیز ظرفیت محدود تری نسبت به رزین های بازی ضعیف دارند و سریع تر احتیاج به احیا می یابند. برای احیا، آن ها را در محلول های بازی قوی همچون NAOH تقریبا خالص شستشو می دهند. رزین های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیون های موجود در آب می باشند. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاوم تر از رزین های آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم ‌های تصفیه آب، رزین‌های آنیونی قوی در پایین دست رزین های آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

• رزین بازی ضعیف : این نوع رزین در pH بیش از 6، آنیون ها را به راحتی تعویض نمی کند. رزین‌های آنیونی ضعیف قادر به جذب آنیون اسید های قوی نظیر اسید سولفوریک، کلریدریک و نیتریک  اسید نمی باشند. این رزین ها معمولا از ترکیبات فنل – فرمالدهید یا اپوکسی به جای پلی استایرن – دی اتیل بنزن ساخته شده است. این مبادله کننده ها سیلیس یا CO2  را نمی توانند تعویض کنند. ولی ظرفیت زیادی داشته و لزومی به احیا سریع ندارند ضمنا مقاومت بسیار بالایی نیز دارند. این رزین ها برای قرار گرفتن بعد از رزین های اسیدی قوی مناسب می باشند. عامل فعال این تبادل کننده ها یک مولکول ازت دار مانند –NH2 است. برای احیای آن ها می توان آن ها را در باز های قوی و ضعیف شستشو داد.