رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی چیست؟

رزین‌های تبادل یونی، ذرات جامد بسیار ریز با ساختار پلیمری هستند که تعدادی یون ثابت در آن وجود دارد. برای خنثی بودن بار الکتریکی این رزین‌ها باید به تعداد یون‌های ثابت، یون‌هایی با بار الکتریکی مخالف در کنار آنها قرار بگیرند. این یون ها باید به‌ صورت شناور و قابل جدا شدن از رزین باشند.

در فرایند تبادل یون، یون‌های شناور در رزین می‌توانند با یون‌های خارجی هم‌بار خود جایگزین شوند. دلیل اصلی این تبادل، تمایل (Affinity) بیشتر رزین به جذب یون موجود در محلول است. به‌عنوان مثال رزین با یون مثبت سدیم وقتی در آب حاوی یون‌های کلسیم و منیزیم ریخته می‌شود، یون سدیم را آزاد کرده و یون‌های کلسیم و منیزیم را جذب می‌کند.

انواع رزین تبادل یونی

رزین‌های کاتیونی قوی ((SAC) Strong acidis Cation)

رزین‌های کاتیونی ضعیف ((WAC) Weak acidis Cation)

رزین‌های آنیونی قوی ((SBA) Strong basic anion)

رزین‌های آنیونی ضعیف ((WBA) Weak basic anion)

رزین کاتیونی به رزین‌هایی گفته می‌شود که یون‌های متحرک با بار مثبت دارند و رزین‌های آنیونی دارای یون‌های متحرک منفی هستند. رزین‌های نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزین‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH عمل می‌کنند. برتری رزین‌های نوع ضعیف، در مصرف کمتر مواد شیمیایی موردنیاز برای احیا رزین و تولید پساب کمتر در روند احیا است.

کاربردهای رزین تبادل یونی

• سختی زدایی آب با رزین تبادل یونی

با استفاده از رزین تبادل یونی، منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت با یون‌های سدیم جایگزین می‌شوند. رزین تازه حاوی مقدار زیادی یون‌های سدیم در موقعیت‌های فعال خود است. زمانی که این رزین‌ها در یک محلول حاوی یون‌های منیزیم و کلسیم (با تراکم پایین‌تر از یون‌های سدیم) ریخته می‌شوند، یون‌های سدیم خود را آزاد کرده و یون‌های کلسیم و منیزیم موجود در محلول را به سمت موقعیت‌های فعال خود جذب می‌کنند.

• تصفیه آب با رزین تبادل یونی

در این امر از پلیمرهای تبادل یونی برای حذف یون‌های فلزات سمی و خطرناک مثل سرب، کادمیوم و مس از محلول استفاده می‌شود. در این فرایند یون‌های بی‌ضرری مثل سدیم و پتاسیم با یون‌های خطرناک جایگزین می‌شوند. بعضی از رزین‌های تبادل یونی حتی کلر یا آلودگی‌های آلی را نیز از آب حذف می‌کنند. این کار توسط اضافه کردن یک فیلتر کربن فعال صورت می‌پذیرد.

• داروسازی و کاربرد رزین تبادل یونی

از رزین تبادل یونی در صنایع داروسازی نیز استفاده می‌شود. از این مواد، هم به‌عنوان کاتالیزور در برخی واکنش‌های شیمیایی، هم در خالص‌سازی و تجزیه مواد مؤثر داروسازی استفاده می‌شود. در این عمل سه رزین تبادل یونی یعنی «سدیم پلی‌استایرن سولفونات، کولیستیپول و کلسترامین» به‌عنوان مواد مؤثر مورد مصرف قرار می‌گیرند. نقش دیگر آن در داروسازی به‌عنوان ماده جانبی در فرمولاسیون‌های داروسازی مثل قرص‌ها، کپسول‌ها و سوسپانسیون‌ها است.

جداسازی فلزات با رزین تبادل یونی

یکی از کاربردهای رزین تبادل یونی جداسازی و خالص‌سازی فلزات است. در مواردی همچون: جداسازی اورانیوم از پلوتونیوم و اکتنیدهای دیگر شامل توریم، لانتان، نئودیمیم، ایتریم، ساماریم و لوتتیم از یکدیگر و از لانتانیدهای دیگر نیز از آن استفاده می‌شود. همچنین سال‌های زیادی تبادل یونی تنها راه جداسازی خاک‌های کمیاب در مقیاس‌های بزرگ بوده است.

رزین تبادل یونی در استخراج اورانیوم

رزین تبادل یونی یکی از اعضای اصلی لیچینگ در موقعیت استخراج اورانیوم است. «لیچینگ» شامل استخراج آب حاوی اورانیوم از داخل چاه‌های عمیق می‌شود. محلول اورانیوم استخراج‌شده درون مهره‌های رزین فیلتر می‌شود. در یک فرایند تبادل یونی، مهره‌های رزین اورانیوم را از محلول جذب می‌کنند. این رزین‌های غنی از اورانیوم، پس از این مرحله به نیروگاه‌های هسته‌ای منتقل شده و بعد از جداسازی U3O8 از مهره‌های رزین، کیک زرد تولید می‌شود. مهره‌های رزین مصرف‌شده می‌توانند دوباره مورد استفاده قرار گیرند.

کاتالیز با رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی به‌عنوان کاتالیزور در سنتز آلی مورد مصرف قرار می‌گیرد. برای نمونه استر کردن و آبکافت از جمله این مصارف هستند. در این مورد پلیمرهای تبادل یونی که گروه‌های اسیدی یا بازی دارند، می‌توانند باعث تسهیل واکنش‌های کاتالیزی اسیدی – بازی شوند. این امر با فراهم کردن مکان‌های اسیدی یا بازی در یک بستر جامد ناهمگن که کاتالیزور را از مواد دیگر جدا می‌کند صورت می‌پذیرد.

محدودیت‌های استفاده از رزین تبادل یونی

– در فرایند تبادل یونی برای اثربخش بودن، باید تمایل (Affinity) رزین به جذب یون مدنظر در آب، بیشتر از تمایل به حفظ یون متحرک موجود در ساختار رزین باشد.

– استفاده از رزین تبادل یونی در شرایطی مؤثر واقع می‌شود که محلول یونی، ناخالصی پایینی داشته باشد.

– ناخالصی‌های غیر یونی محلول در آب، در روش تبادل یونی قابل حذف نیستند.

کلام آخر

با توجه به توضیحات فوق، این ماده نیز مانند تمام مواد شیمیایی و پلیمری دارای نقاط قوت و ضعف است. اما با بررسی خواص و میزان استفاده توسط مصرف‌کنندگان صنعتی و غیرصنعتی، رزین تبادل یونی یک انتخاب کارآمد و کم‌هزینه است. این محصول برای خالص‌سازی، تصفیه و جداسازی انواع محلول‌های حاوی یون مورد استفاده قرار می‌گیرد.