فرآیند تبادل یون چیست؟

تبادل یونی که یکی از اشکال پدیده جذب سطحی است، فرایندی ست که در آن یون‌های معینی در مواد جامد و غیر محلول با یون‌های گوناگون موجود در یک محلول ، جایگزین می‌شوند.در این فرآیند محور اصلی واکنش ، تبادل یون است. اما چه یونی و چگونه؟در این فرآیند ، یون غیرمطلوب از آب ، توسط یک ماده تبادلگر یون (که میتواند رزین های متخلخل یا بعضی از نانومواد باشد) با یونی دلخواه تبادل میشود.کاربرد روش تبادل یون:با استفاده از این روش میتوان:سختی آب را کاهش داد،آنیون و یا کاتیون های خارجی را از آب حذف کرد،قلیائیت آب را کاهش داد،آب موجود در صنایع فلزی را مجددا بازیابی کرد،نیترات و سولفات موجود را از آب حذف نمود،جداسازی و یا بازیابی مواد دارویی را انجام داد و کاربردهای دیگری که در آن یون ها را از آب گرفت.فرآیند تبادل یونی در چه صنایعی کاربرد دارد؟این سیستم به صورت گسترده در صنایعی مانندصنایع غذایی و نوشیدنیآب فلزکاریشیمیایی و پتروشیمیاییداروییقند و شیرینیهسته‌اینیمه رساناهاتصفیه آب‌های زیرمینیتصفیه فاضلاب (برای حذف نیتروژن، فلزات سنگین و کل جامدات محلول) ،تولید آب شرب و گروه‌های دیگری از صنایع استفاده می‌شود.یکی از کاربردهای رایج این رزین‌ها، تولید آب بسیار خالص برای صنایع هسته‌ای و الکترونیکی می‌باشد.در این صنایع برای اعمال زیر از فرایند تبادل یونی استفاده میشود:تولید آب بدون یون (Demineralization)حذف سختی آبحذف کاتیون های خارجی از آبحذف قلیائیتبازیابی مجدد آب در صنایع فلزیحذف نیترات و سولفاتبازیابی و یا جداسازی مواد داروییبازیابی فلزات با ارزش در صنایع فلزیچه موادی تبادل گر یونی هستند؟تبادلگرهای یونی معمولا رزین های متخلخلی هستند که سطح ویژه بالا و قابلیت جذب و واجذب یون ها را دارند.همچنین میتوانند از بعضی از نانوساختارها مثل زئولیت ها یا نانوصفحات رسی تشکیل شده باشند.رزین‌های تبادل یونی، پلیمرهای غیر محلول در آب هستند که می‌توانند یون‌های خود را با یون‌های محلول در آب تبادل کنند.رزین های تبادلگر یون، به دو دسته رزین های کاتیونی و رزین های آنیونی دسته بندی میشوند. رزین های کاتیونی تبادل کننده یون های مثبت و رزین های آنیونی تبادل گر یون های منفی اند.خصوصیات رزین های تبادل یونی:خصوصیات مهم رزین‌های تبادل یونی شاملظرفیت تبادلی،اندازه ذراتو پایداری هستند.مزیت های استفاده از روش تبادل یونی:روش تبادل یونی در مقایسه با سایر روش ها از مزایای زیر برخوردار است.الف) سهولت در نصب و بهره برداری.ب) بالا بودن عمر مفید رزین ها (در شرایط بهره برداری مناسب عمر این رزین ها بیشتر از ۱۵ سال است)پ) قابلیت اجرا در ظرفیت های مختلفت) عدم وجود فاضلاب آلوده برای محیط زیست.رزین های آنیونی و کاتیونی :انواع رزین های کاتیونی و آنیونی در فرآیند های تبادل یونی، برای تصفیه آب و همچنین جداسازی در بسیاری دیگر از فرآیندهای غیرآبی استفاده می شوند.فرآیند تبادل یون فرآیندی برگشت پذیر است همانطور که گفته شد در طی این فرآیند یون ها بین یک ماده جامد (ماده تبادل یون) و یک مایع مبادله می شوند.از این فرآیند در سنتز مواد شیمیایی، معدن کاری ، تحقیقات درمانی، تولید غذا،کشاورزی و بسیاری از موارد دیگر استفاده می شود.برای مطالعه ی بیشتر:خواص رزین های تبادل یونی:یکی از خواص مهم رزین های کاتیونی و آنیونی این است که در اثر تبادل یون تغییرات دائمی در ماده جامد (ماده تبادل یون) به وجود نخواهد آمد، به عنوان مثال در نرم کردن آب ( از بین بردن سختی آب)+۲RNa+ + Ca2+ → R2Ca2+ + 2Naتبادلگر رزینی(R) هنگامی که در فرم سدیمی (+RNa) خود قرار دارد توانایی معاوضه یون سدیم با کلسیم را دارد، به این ترتیب کلسیم موجود در آب سخت توسط رزین گرفته شده و سدیم جای آن را می گیرد.پس از انجام تبادل یون، می توان تبادلگر را توسط محلولی از سدیم کلراید شستشو داده و رزین را دوباره به فرم سدیمی تبدیل کرد. همه چیز درباره ی رزین آنیونی و انواع آنفرآیند احیای تبادلگر، فرآیندی برگشت پذیر است و تغییراتی که در تبادلگر به وجود می آیند دائمی نیستند.در صورت وجود فرآیند احیای مناسب، میلیون ها لیتر آب را می توان توسط یک متر مکعب تبادلگر در طول سالیان تصفیه کرد.اولین تبادل گر یونی:تبادل یون در بسیاری از مواد اتفاق می افتد اما برای اولین بار در سال ۱۹۱۰ زئولیت طبیعی و سنتزی برای از بین بردن سختی آب مورد استفاده قرار گرفت.ذغال سولفوناته (sulfonated Charcoal) به عنوان اولین ماده ای شناخته می شود که برای تصفیه صنعتی آب به عنوان تبادلگر یونی در pH کم مورد استفاده قرار گرفت.گروه های عاملی در رزین های تبادل یونگروه های عاملی که معمولا در رزین های تبادلگر یونی موجود هستند عبارتند از :رزین های کاتیونی اسیدی قوی: گروه سولفونیکتبادلگر آنیونی بازی قوی : گروه چهارتایی آمونیومتبادلگر کاتیونی اسیدی ضعیف: گروه کربوکسیلرزین های آنیونی بازی ضعیف: گروه آمینانواع مختلف رزین های تبادل یونی:تقسیم بندی رزین های تبادل یونی بر اساس نوع عملکرد:رزین های یونی بر اساس نوع عملکرد به گرید ها و گروه های مختلفی تقسیم می شوند ، پارامترهایی که نوع این گرید ها را مشخص می کنند عبارتند از :نوع ( اسید یا باز – ضعیف یا قوی ) ،ساختار ماتریس ( پلی استایرن یا پلی اکرلیک) ،گروه عاملی (سولفونیک ، کربوکسیلیک و …) ،شکل یونی ارائه شده ،اندازه ذرات ،حداکثر دمای پایداری ،ظرفیت ،pH محدوده عملیاتیاین گروه ها عبارتند از رزین های کاتیونی نرم کننده ، کاتیونی حذف کننده مواد معدنی ، آنیونی حذف کننده مواد معدنی ، مخلوط ، هسته ای ، کاتالیستی و جاذب.خلاصه:تبادل یونی که یکی از اشکال پدیده جذب سطحی است، فرایندی است که در آن یون‌های معینی در مواد جامد و غیر محلول با یون‌های گوناگون موجود در محلول جایگزین می‌شوند.با استفاده از این روش میتوان:سختی آب را کاهش داد،کاتیون یا آنیونهای خارجی را از آب حذف کرد،قلیائیت آب را کاهش داد،آب موجود در صنایع فلزی را بازیابی مجدد کرد،نیترات و سولفات را از آب حذف نمود.