تصفیه آب

 سختی گیر 

سختی‌گیر آب یکی از تجهیزات بسیار کاربردی تصفیه آب به خصوص در سیستم‌های تصفیه آب ورودی ساختمان است که به وسیله فرآیند تبادل یونی، عوامل ایجاد سختی آب مانند کلسیم و منیزیم را از آن حذف می‌کند. هدف استفاده از سیستم‌های سختی‌گیر، حذف مشکلات به وجود آمده توسط آب سخت است . سختی آب سبب ایجاد رسوب در سیستم لوله کشی منزل شده که باعث گرفتگی لوله‌ها و کاهش فشار آب است. سختی آب همچنین سبب کاهش چشمگیر طول عمر وسایلی نظیر ماشین لباسشویی، ماشین ظرفشویی، دستگاه‌های قهوه‌ساز و نیز یخساز می‌شود. مشکلات ایجاد شده در اثر سختی آب با افزایش درجه حرارت آب بیشتر بروز پیدا می‌کنند. هرچه درجه حرارت آب بیشتر باشد، رسوبات ناشی از کلسیم و منیزیم موجود در آب بیشتر می‌شوند.

سختی‌گیر چگونه کار می‌کند؟

سختی‌گیر توسط فرآیند تبادل یونی، یون‌های کلسیم و منیزیم را از آب حذف می‌کند. وقتی آب وارد مخزن حاوی املاح معدنی می‌شود، از بستر دانه‌های کروی شکلی به نام رزین عبور می‌کند. رزین ها معمولا از مواد پلیمری به نام پلی‌استایرن ساخته شده که توسط یون سدیم، باردار شده‌اند. دانه‌های رزین بار منفی داشته و یون‌های کلسیم و منیزیم حاوی بار مثبت میباشند. بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند، بخش منفی مواد معدنی موجود در آب به بخش مثبت رزین جذب می‌شود. با عبور آب سخت از بستر رزین، عوامل سختی آب به رزین جذب شده و بدین شکل از آب حذف می‌شوند. با جذب این یون‌ها، یون‌های سدیم موجود در سطح رزین در آب آزاد می‌شوند. بنابراین با این فرآیند آب به طور کامل سختی‌گیری شده و آب نرم در لوله‌ها جریان می‌یابد.

سختی‌گیر آب از چه اجزایی تشکیل شده است؟

یک سیستم سختی‌گیر رزینی از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود؛ یک شیر کنترلی، یک مخزن برای نگهداری رزین و یک مخزن آب نمک. این سه جز در کنار هم به حذف عوامل سختی آب پرداخته، جریان آب عبوری را کنترل کرده و به صورت دوره‌ای طی فرآیند احیا، سیستم را تمیز می‌کنند.

مخزن نگهداری رزین سختی‌گیر

در دستگاه تصفیه آب رزینی، سختی آب در این مخزن از بین می‌رود. آب با ورود به این مخزن از بستر رزین‌های موجود در آن عبور کرده، سختی‌گیری شده و یون‌های کلسیم و منیزیم حذف شده در آن باقی می‌مانند.

شیر سختی‌گیر

شیر سختی‌گیر وظیفه اندازه‌گیری میزان جریان عبور آب از مخزن سختی‌گیر را به عهده دارد. این شیر بسته به مدل آن می‌تواند بر اساس حجم عبور آب و یا زمان عبور آب کار کند. با عبور آب سخت از بستر رزین، رفته رفته رزین‌های موجود در بستر از یون‌های منیزیم و کلسیم اشباع شده و سختی‌گیری از آب دشوارتر و در مدت زمان بیشتری صورت می‌گیرد. شیر سختی‌گیر با اندازه گیری میزان عبور آب و یا زمان کارکرد دستگاه، زمان شروع عملیات احیا را تشخیص داده و این فرآیند را آغاز می‌کند. با توجه به نحوه کارکرد شیر سختی‌گیر، این شیر بر اساس پارامترهای مختلفی مانند میزان سختی آب ورودی، حجم آب عبوری از بستر سختی‌گیر، تعداد افراد استفاده‌کننده از آب تصفیه‌شده به وسیله سختی‌گیر و ... قابل برنامه‌ریزی است که این عمل باید توسط اپراتور تصفیه آب و در هنگام نصب سیستم سختی‌گیر انجام شود.

مخزن آب نمک سختی‌گیر

مخزن آب نمک معمولا یک مخزن پلی اتیلنی است که نسبت به مخزن نگهداری رزین ارتفاع کمتری داشته و در آن محلول بسیار غلیظی از آب و نمک قرار می‌گیرد. شیر سختی‌گیر با شروع عملیات احیا از این محلول بسیار غلیظ استفاده کرده و رزین‌های سختی‌گیر را احیا می‌کند تا مجددا توانایی آنها در حذف سختی آب افزایش یابد.

 رزین تبادل یونی 

رزين تبادل يوني يا پليمر تبادل يوني يك رزين يا پليمر است كه به عنوان يك محيط براي مبادله يون عمل مي‌كند. اين رزين يك ماتريس نامحلول (يا ساختار نگهدارنده) است كه به‌طور معمول در شكل ميكرومهره‌هاي كوچك (۰٫۲۵–۰٫۵ ميلي‌متر شعاع)، معمولاً سفيد يا زرد، ساخته شده از يك بستر پليمر ارگانيك مي‌باشد. دانه‌ها معمولاً متخلخل هستند و مساحت جانبي داخلي و خارجي بالايي ايجاد مي‌كنند. به دام افتادن يون‌ها با آزاد شدن يون‌هاي ديگر همراه است، به همين دليل به آن فرايند تبادل يون گفته مي‌شود. انواع مختلفي از رزين‌هاي تبادل يوني وجود دارند. اكثر رزين‌هاي موجود در بازار از پلي استايرن سولفونات ساخته شده‌اند.

رزين‌هاي تبادل يوني بطور گسترده‌اي در فرايندهاي جداسازي، تصفيه و ضدعفوني كردن استفاده مي‌شود. شايع‌ترين كاربردهاي آن رسوب‌زدايي و تصفيه آب است. در بسياري از كاربردهاي اين چنيني، رزين‌هاي تبادل يوني به عنوان يك جايگزين انعطاف پذيرتر به جاي استفاده از زئوليت‌هاي طبيعي يا مصنوعي معرفي شدند. همچنين رزين‌هاي تبادل يوني در فرايند فيلتراسيون  بيوديزل بسيار كاربردي هستند.

انواع رزين

اكثر رزين‌هاي متداول مورد استفاده بر پايه پلي استايرين اتصال عرضي هستند. نواحي تبادل-يوني واقعي پس از پليمري شدن ايجاد مي‌شوند. به علاوه، در مورد پلي استايرين، اتصال عرضي پس از كوپليرمريزاسيون استايرين و درصد كمي دي‌واينيل بنزين (divinylbenzene) اتفاق مي‌افتد. اتصال عرضي ظرفيت تبادل يوني رزين را كاهش داده و باعث افزايش زمان فرايند تبادل يون مي‌شود، اما باعث توانمندي رزين مي‌شود. اندازه ذرات نيز از پارامترهاي تأثيرگذار در تبادل يون است؛ ذرات كوچكتر باعث بهبود تبادل يون شده اما از طرفي باعث افزايش افت فشار آب در طول مسير ستون تبادل يون مي‌شود.

علاوه بر اينكه رزين‌ها به شكل دانه‌هاي ريز ساخته مي‌شوند، برخي رزين‌ها به شكل ممبران (غشا) نيز ساخته مي‌شوند. از ممبران‌هاي تبادل يوني، كه از رزين‌هاي تبادل يوني اتصال عرضي ساخته شده‌اند و فقط به يون‌ها اجازه عبور مي‌دهند، و نه آب، در الكترودياليز استفاده مي‌شود.

۴ گونه اصلي از رزين‌ها وجود دارد كه در گروه عاملي با هم تفاوت دارند:

_ اسيدي قوي، معمولاً حاوي گروه‌هاي سولفونيك اسيد هستند، براي مثال پلي استايرن سولفونات، يا PolyAMPS.

_ قليايي قوي، معمولاً حاوي گروه‌هاي ۴ تايي آمينو هستند، براي مثال گروه‌هاي كاتيون آمونيوم نوع _ _ چهارم.مثال: PolyAPTAC.

_ اسيدي ضعيف، معمولاً حاوي گروه‌هاي كربوكسيليك اسيد هستند.قليايي ضعيف، معمولاً حاوي گروه‌هاي آمينو اوليه، ثانويه و ثالث هستند. مثال: پلي‌اتيلن‌ايمين.

كاربردها

سختي‌گيري آب

در اين كاربرد از رزين‌هاي تبادل يوني براي جايگزين كردن يون‌هاي منيزيم و كلسيم موجود در آب سخت با يون‌هاي سديم استفاده مي‌شود. هنگامي كه رزين تازه است، حاوي يون‌هاي سديم در نقاط فعالش مي‌باشد. هنگامي كه اين رزين با يك محلول حاوي يون‌هاي منيزيم و كلسيم در تماس قرار مي‌گيرد كه غلظت يون‌هاي سديم آن كم است، يون‌هاي منيزيم و كلسيم از محلول به محل فعال در رزين منتقل مي‌شوند و در محلول با يون‌هاي سديم جايگزين مي‌شوند. اين روند با غلظت بسيار پايين منيزيم و يون كلسيم در محلول نسبت به حالت شروع آن به تعادل مي‌رسد.

رزين را مي‌توان با شستشوي آن با يك محلول حاوي غلظت بالاي يون‌هاي سديم احيا كرد (به عنوان مثال مقدار زيادي از نمك معمولي (NaCl) در آن حل شده باشد). يون‌هاي كلسيم و منيزيم از رزين مهاجرت مي‌كنند و با يون‌هاي سديم محلول جايگزين مي‌شوند تا حالت تعادل تازه اي به دست آيد. از نمك براي احياي يك رزين تبادل يوني استفاده مي‌شود كه خود آن براي سختي‌گيري آب استفاده مي‌شود.

خالص سازي آب

در اين كاربرد، از رزين‌هاي تبادل يوني براي حذف يون‌هاي سمي (به عنوان مثال مس) و فلزات سنگين (به عنوان مثال سرب يا كادميوم) از محلول استفاده مي‌شود و آنها را با يون‌هاي كم ضررتر مانند سديم و پتاسيم جايگزين مي‌كنند.

رزين‌هاي تبادل يوني كمي موجودند كه مي‌توانند كلر يا آلاينده‌هاي آلي را از آب حذف كنند. اين كار معمولاً با استفاده از يك فيلتر كربن فعال شده (زغال) همراه با رزين انجام مي‌شود. البته برخي رزين‌هاي تبادل يوني، مانند رزين‌هاي تبادل يون مغناطيسي قادر به حذف يون‌هاي آلي مي‌باشند. رزين دستگاه تصفيه آب خانگي معمولاً احيا نمي‌شود - رزين زماني كه ديگر نمي‌تواند استفاده شود، از بين مي‌رود.

براي كاربردهاي الكترونيك، آزمايش‌هاي علمي، توليد ابررساناها و صنعت هسته اي و… آب با بالاترين خلوص ممكن مورد نياز است. چنين آبي را معمولاً با استفاده از فرايندهاي تبادل يوني يا تركيبي از غشا و روش‌هاي تبادل يوني توليد مي‌كنند.

توليد شكر

 از رزين‌هاي تبادل يوني براي توليد شكر از منابع مختلف استفاده مي‌شود. از اين رزين‌ها براي تبديل يك نوع شكر به نوع ديگري از شكر، بي‌رنگ كردن آن و همچنين خالص سازي شربت شكر استفاده مي‌شود.