رزین های تبادل یونی

رزین تبادل یونی (ion exchange resin) یا پلیمر تبادل یونی (ion exchange polymer) یک رزین یا پلیمر است که میتواند به عنوان واسطه برای تبادل یونی مورد استفاده قرار گیرد. یک ماتریکس نامحلول است که به صورت محلول به صورت ریز دانه هایی با شعاع ( 0.5- 0.25 میلی متر) هستند و معمولا سفید یا زرد کم رنگ ساخته شده از پلیمر های آلی می باشند. این دانه ها به طور معمول متخلخل هستند و سطح وسیعی روی و درون آنها فراهم میشود که در ان به دام افتادن یون ها همراه با آزاد سازی سایر یون ها اتفاق می افتد و بنابراین فرآیند تبادل یونی نامیده می شود. چندین نوع رزین تبادل یونی وجود دارد که بیشتر رزین های تجاری از پلی استایرن سولفونات ساخته می شوند.

رزینهای تبادل یونی به طور گسترده ای در فرایندهای مختلف جداسازی ، تصفیه و ضد عفونی استفاده می شوند. متداول ترین نمونه ها نرم سازی آب و تصفیه آب است در بسیاری از موارد ، رزینهای تبادل یونی در چنین فرآیندهایی به عنوان جایگزین انعطاف پذیرتر برای استفاده از زئولیتهای طبیعی یا مصنوعی معرفی شدند. همچنین ، رزین های تبادل یونی در روند فیلتراسیون بیودیزل بسیار موثر هستند.

 

تاریخچه

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال ۱۸۵۰ و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال ۱۸۷۰ با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانی‌های طبیعی به خصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم، آزاد می‌کردند از این رو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیادی داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیت‌هایی بودند. این زئولیت‌ها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیون‌هایی از قبیل سولفات، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌ماندند. چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه ۱۹۳۰ در هلند زئولیت‌هایی ساخته شد که به جای سدیم فعال، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیت‌ها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف شدند، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیت آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب، گام‌های اساسی در سال ۱۹۴۴ برداشته شد که باعث تولید رزین‌های تعویض آنیونی شد. رزین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیون‌های آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع رزین، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه‌گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید؛ بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود؛ و امروزه اکثر رزین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب به کار می‌روند رزین‌های سنتزی (مصنوعی) هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.

انواع رزین ها

بیشتر رزینهای تبادل یونی معمولی بر پایه پلی استایرن با اتصال عرضی ( cross linked) هستند. سایتهای مبادله یونی واقعی پس از پلیمریزاسیون معرفی می شوند. بعلاوه ، در مورد پلی استایرن ، اتصال عرضی توسط کوپلیمریزاسیون استایرن و چند درصد دیوینیل بنزن ایجاد می شود. اتصال عرضی ظرفیت تبادل یونی رزین را کاهش داده و باعث افزایش زمان فرایند تبادل یون می‌شود، اما باعث توانمندی رزین می‌شود. اندازه ذرات نیز از پارامترهای تأثیرگذار در تبادل یون است؛ ذرات کوچکتر باعث بهبود تبادل یون شده اما از طرفی باعث افزایش افت فشار آب در طول مسیر ستون تبادل یون می‌شود.

 ۴ گونه اصلی از رزین‌ها وجود دارد که در گروه عاملی با هم تفاوت دارند:

 

1. اسیدی قوی، معمولاً حاوی گروه‌های سولفونیک اسید هستند، برای مثال پلی استایرن سولفونات، یا
2. قلیایی قوی، معمولاً حاوی گروه‌های ۴ تایی آمینو هستند، برای مثال گروه‌های کاتیون آمونیوم نوع چهارم. مثال: PolyAPTAC.
3. اسیدی ضعیف، معمولاً حاوی گروه‌های کربوکسیلیک اسید هستند.
4. قلیایی ضعیف، معمولاً حاوی گروه‌های آمینو اولیه، ثانویه و ثالث هستند. مثال: پلی‌اتیلن‌ایمین

رزین های کاتیونی و انیونی

رزین های آنیونی می توانند هم باز های قوی و هم ضعیف باشند. رزین های انیونی بازی قوی می توانند باز منفی خود را در گستره پهنی از pH حفظ کنند. در حال یکه رزین های آنیونی ضعیف در سطوح pH های بالا خنثی می شوند اما با این حال پایداری مکانیکی و شیمیایی بسیار خوبی را فراهم میکنند.

رزین تبادل کاتیونی

فرمول عمومی: R-H

روش تعویض کاتیونی باعث حذف سختی آب میشود اما باعث افزایش اسیدیته آب می گردد. که این خصلت اسیدی در مرحله بعدی تصفیه آب با گذراندن آب اسیدی درون یک فرایند تعویض آنیونی از بین می رود.

R−H + M⁺ = R⁻M + H⁺

رزین تبادل آنیونی

فرمول عمومی : NR₄⁺OH^–

این رزین ها اغلب استایرن دی وینیل بنزن کوپلیمر (styrene–divinylbenzene copolymer ) که دارای کاتیون آمونیوم کوارترنر به عنوان بخش درونی ماتریکس رزین هستند.

NR4⁺OH⁻ + HCl = NR4⁺Cl⁻ + H2O

کروماتوگرافی تعویض آنیونی از این اصول برای استخراج و خالص سازی از مخلوط ها و محلول ها استفاده میکند.

کاربرد ها

تبادل یونی در جداسازی فلزات

فرایندهای تبادل یونی برای جداسازی و تصفیه فلزات ، از جمله جدا کردن اورانیوم از پلوتونیوم و سایر اکتینیدها از جمله توریم و لانتانیم ، نئودیمیم ، ایتربیم ، ساماریوم ، لوتتیوم ، از یکدیگر و لانتانیدهای دیگر استفاده میشود. دو دسته فلزات خاکی کمیاب وجود دارد ، لانتانیدها و اکتینیدها. اعضای هر خانواده دارای خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار شبیه به یکدیگر هستند. تبادل یونی برای سالها تنها روش عملی برای جداسازی عناصر خاکی نادر در مقادیر زیاد بود. این روش در دهه 1940 توسط Frank Spedding ابداع شده.

یک مورد بسیار مهم فرآیند PUREX (جداسازی اکسایشی-کاهشی پلوتونیوم و اورانیوم) است که برای جداسازی پلوتونیوم و اورانیوم از مواد سوخت مصرف شده از یک راکتور هسته ای و برای دفع مواد زائد استفاده می شود. سپس ، پلوتونیوم و اورانیوم برای ساخت مواد انرژی هسته ای مانند سوخت جدید راکتور و سلاح های هسته ای در دسترس هستند. از فرآیند تبادل یونی برای جداسازی مجموعه های دیگری از عناصر شیمیایی بسیار مشابه مانند زیرکونیوم و هافنیوم نیز استفاده می شود که اتفاقاً برای صنعت هسته ای نیز بسیار مهم است. زیرکونیوم عملاً در برابر نوترونهای آزاد شفاف است ، که در ساخت راکتورها استفاده می شود ، اما هافنیوم یک جذب کننده بسیار قوی نوترونها است که در میله های کنترل راکتور استفاده می شود.

کاتالیست

رزین های تبادل یونی در سنتز های آلی استفاده می شوند ، به عنوان مثال. برای استری شدن و هیدرولیز. به دلیل داشتن سطح بالا و نا محلول بودن رزین ها برای فاز بخار و فاز مایع مناسب هستند. نمونه هایی را می توان یافت که از حالت پایه (فرم OH^–) رزینهای تبادل یونی برای خنثی سازی نمکهای آمونیوم و تبدیل هالیدهای آمونیوم نوع چهار به هیدروکسیدها استفاده می شود. از رزین های تبادل یونی اسیدی (فرم ⁺ H) به عنوان کاتالیزور اسید جامد برای برش گروه های محافظ اتر استفاده شده است.

داروسازی

رزینهای تبادل یونی ، نه تنها برای کاتالیز کردن واکنشهای خاص ، بلکه همچنین برای جداسازی و تصفیه مواد در ساخت مواد فعال دارویی ، در داروسازی استفاده می شوند. از سه رزین تبادل یونی ، سدیم پلی استایرن سولفونات ، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان مواد فعال استفاده می شود. پلی استایرن سولفونات سدیم یک رزین تبادل یونی به شدت اسیدی است و برای درمان هایپرکالمی(منظور از هایپرکالمی افزایش سطح خونی یون پتاسیم در بدن است. میزان طبیعی پتاسیم خون معمولاً ۳٫۵ تا ۵٫۰ mmol/L است که افزایش آن را هایپرکالمی می‌خوانند) استفاده می شود. کلستیپول یک رزین تبادل یونی ضعیف اساسی است و برای درمان هایپرکلسترولمی(هیپرکلسترولمی شکلی از هیپرلیپیدمی است و به بالا بودن سطح کلسترول در خون اطلاق می‌شود) استفاده می شود. کلستیرامین یک رزین تبادل یونی کاملاً اساسی است و برای درمان هایپرکلسترولمی نیز استفاده می شود. کلستیپول و کلستیرامین به عنوان گیرنده های اسید صفراوی شناخته می شوند.

رزینهای تبادل یونی همچنین به عنوان مواد کمکی در فرمولاسیون های دارویی مانند قرص ، کپسول ، لثه و سوسپانسیون استفاده می شوند. در این کاربردها ، رزین تبادل یونی می تواند چندین عملکرد مختلف داشته باشد از جمله پوشاندن طعم ، انتشار گسترده ، تجزیه قرص ، افزایش فراهمی زیستی و بهبود ثبات شیمیایی مواد فعال.