رزین چیست؟
هر ترکیب آلی طبیعی یا مصنوعی که از یک ماده مایع غیرکریستالی یا چسبناک تشکیل شده باشد رزین نامیده می‌شود. رزین‌های طبیعی معمولاً مواد آلی قابل ذوب و قابل‌اشتعال هستند که شفاف یا نیمه شفاف هستند و به رنگ زرد تا قهوه‌ای هستند. آنها در ترشحات گیاهی تشکیل می‌شوند و در مایعات آلی مختلف محلول هستند؛ اما در آب حل نمی‌شوند. رزین‌های مصنوعی دسته بزرگی از محصولات مصنوعی را تشکیل می‌دهند که برخی از خواص فیزیکی رزین‌های طبیعی را دارند؛ اما از نظر شیمیایی متفاوت هستند. رزین‌های مصنوعی به‌وضوح از پلاستیک‌ها متمایز نمی‌شوند.
بیشتر رزین‌های طبیعی از درختان به‌ویژه کاج و صنوبر تراوش می کنند. تشکیل رزین در نتیجه آسیب به پوست در اثر باد، آتش، رعدوبرق یا دلایل دیگر رخ می‌دهد. ترشح مایع معمولاً برخی از اجزای فرارتر خود را در اثر تبخیر از دست می‌دهد و یک بقایای نرم در ابتدا به‌راحتی حل می‌شود؛ اما با افزایش سن نامحلول می شود. چینی‌ها، ژاپنی‌ها، مصری ها و دیگران باستان از رزین‌ها استفاده می‌کردند.
در صنعت مدرن، رزین‌های طبیعی تقریباً به طور کامل با رزین‌های مصنوعی جایگزین شده‌اند که به دو دسته تقسیم می‌شوند، رزین‌های ترموپلاستیک که پس از عملیات حرارتی پلاستیک باقی می‌مانند و رزین‌های ترموست که در اثر حرارت نامحلول و غیر قابل ذوب می‌شوند.
رزین تبادل یونی
رزین تبادل یونی پلیمری است که به‌عنوان محیطی برای تبادل یون عمل می‌کند. این یک ماتریس (یا ساختار نگهدارنده) نامحلول است که معمولاً به شکل ریزدانه‌های کوچک (0.25-1.43 میلی‌متر شعاع)، معمولاً سفید یا زرد، ساخته شده از یک بستر پلیمری آلی است. دانه‌ها معمولاً متخلخل هستند، سطح وسیعی روی آنها و داخل آنها در آن یون‌ها همراه با آزادشدن یون‌های دیگر اتفاق می‌افتد و بنابراین این فرایند تبادل یونی نامیده می‌شود. انواع مختلفی از رزین‌های تبادل یونی وجود دارد. بیشتر رزین‌های تجاری از پلی‌استایرن سولفونات ساخته می‌شوند و پس از آن پلی آکریلات.
رزین‌های تبادل یونی به طور گسترده در فرایندهای مختلف جداسازی، خالص‌سازی و آلودگی‌زدایی استفاده می‌شوند. رایج‌ترین مصرف رزین‌های کاتیونی و آنیونی در تصفیه آب است. در بسیاری از موارد رزین‌های تبادل یونی در چنین فرایندهایی به‌عنوان جایگزینی انعطاف‌پذیرتر برای استفاده از زئولیت‌های طبیعی یا مصنوعی معرفی شدند. همچنین رزین‌های تبادل یونی در فرایند فیلتراسیون بیودیزل بسیار مؤثر هستند.
به طور کلی رزین محیط تبادل یونی است که معمولاً در برنامه‌های نرم کننده سختی گیر آب استفاده می‌شود. پرمصرف‌ترین رزین در صنعت رزین ژل پلی‌استایرن است. این رزین ساختاری بسیار متخلخل و اسکلتی دارد و اندازه هر مهره از 0.3 تا 1.2 میلی‌متر متغیر است و تقریباً حاوی 45 درصد رطوبت است. بلوک‌های سازنده این نوع رزین پلی‌استایرن و دی وینیل بنزن (DVB) است. برای درک بهتر عملکرد دانه رزین و مکانیسم‌های شکست مرتبط با آن، قیاس زیر را در نظر بگیرید که در آن اسفنج کروی نشان دهنده پلی استایرن و نوارهای الاستیک نشان دهنده DVB است.
چندین نوار الاستیک به دور اسفنج پیچیده می‌شود که با هر نوار الاستیک اضافه شده بیشتر و بیشتر فشرده می‌شود. “مهره” با این فرایند که به‌عنوان “صلیب‌بندی” شناخته می‌شود، قوی‌تر و فشرده‌تر می‌شود. اتصال متقابل بین 2-20٪ محتوای DVB متفاوت است، اما بیشترین استفاده در نرم‌افزارهای نرم‌افزاری 8٪ و 10٪ است. رزین 10% اتصال عرضی تا 50% طول عمر بیشتر و 10% ظرفیت اضافی نسبت به رزین 8% دارد. درجه بالاتر از اتصال عرضی منجر به کاهش اندازه مهره و بنابراین تعداد بیشتری از مهره‌ها در هر فوت مکعب رزین می‌شود. دانه‌های بیشتر در هر فوت مکعب به طور مؤثر به گروه‌های عملکردی بیشتری اجازه می‌دهد تا یون‌های سختی را جذب کنند و در نتیجه ظرفیت بیشتری ایجاد می‌شود.
انواع رزین
اکثر رزین‌های معمولی تبادل یونی بر پایه پلی‌استایرن شبکه‌ای هستند. فضای واقعی تبادل یون پس از پلیمریزاسیون شکل می‌گیرد. علاوه بر این، در مورد پلی‌استایرن، اتصال عرضی با کوپلیمریزاسیون استایرن و چند درصد دی وینیل بنزن اتفاق می‌افتد. اتصال عرضی، ظرفیت تبادل یونی رزین را کاهش می‌دهد و زمان لازم برای انجام فرایندهای تبادل یونی را طولانی می‌کند؛ اما استحکام رزین را بهبود می‌بخشد.
رزین‌های تبادل یونی علاوه بر اینکه به‌عنوان مواد مهره‌ای شکل ساخته می‌شوند، به‌صورت غشا نیز تولید می‌شوند. این غشاهای تبادل یونی که از رزین‌های تبادل یونی بسیار متقابل ساخته شده‌اند اجازه عبور یون‌ها را می‌دهند، اما آب را نه. از این غشا برای الکترودیالیز استفاده می‌شوند.
چهار نوع اصلی از رزین‌های تبادل یونی در گروه‌های عملکردی آنها متفاوت است:
کاتیون به‌شدت اسیدی (SAC):که معمولاً دارای گروه‌های اسید سولفونیک است، به‌عنوان‌مثال سدیم پلی‌استایرن سولفونات یا پلی AMPS که اغلب برای عملیات نرم کردن آب و املاح زدایی استفاده می‌شود.
آنیون قوی بازی (SBA): به طور معمول دارای گروه‌های آمینه چهارتایی، به‌عنوان‌مثال، گروه‌های تری متیل آمونیوم، برای حذف سیلیس، اورانیوم، نیترات خوب است.
کاتیون ضعیف اسیدی (WAC): معمولاً دارای گروه‌های اسید کربوکسیلیک است. یک انتخاب ایده‌آل برای بخش دکالیزاسیون و همچنین برای نرم کردن جریان‌های با سطوح شوری بالا.
آنیون بازی ضعیف (WBA): که معمولاً دارای گروه‌های آمینه اولیه، ثانویه و/یا سوم است، به‌عنوان‌مثال. پلی‌اتیلن آمین برای دمینرالیزاسیون در مواردی که حذف SiO2 و CO2 موردنیاز نیست مؤثر هستند. همچنین برای جذب اسید مؤثر است.
رزین‌های تبادل یونی تخصصی نیز مانند رزین‌های کیلیت (ایمینودی استیک اسید، رزین‌های مبتنی بر تیوره و بسیاری دیگر) شناخته می‌شوند.
رزین‌های آنیونی و رزین‌های کاتیونی دو رزین رایج مورداستفاده در فرایند تبادل یونی هستند. درحالی‌که رزین‌های آنیونی یون‌های دارای بار منفی را جذب می کنند، رزین‌های کاتیونی یون‌های دارای بار مثبت را جذب می کنند.
رزین آنیونی
رزین‌های آنیونی ممکن است قوی یا ضعیف بازی باشند. رزین‌های آنیون بازی قوی بار منفی خود را در محدوده وسیعی از pH حفظ می‌کنند، درحالی‌که رزین‌های آنیونی با پایه ضعیف در سطوح pH بالاتر خنثی می‌شوند. رزین‌های بازی ضعیف بار خود را در pH بالا حفظ نمی‌کنند؛ زیرا تحت پروتون‌زدایی قرار می‌گیرند. بااین‌حال، آنها پایداری مکانیکی و شیمیایی عالی را ارائه می‌دهند. این، همراه با نرخ بالای تبادل یونی، رزین‌های آنیونی با پایه ضعیف را برای نمک‌های آلی مناسب می‌کند.
برای رزین‌های آنیونی، بازسازی معمولاً شامل درمان رزین با یک محلول کاملاً پایه است، به‌عنوان‌مثال هیدروکسید سدیم آبی در طی بازسازی، ماده شیمیایی احیاکننده از رزین عبور داده می‌شود و یون‌های منفی به‌دام‌افتاده خارج می‌شوند و ظرفیت تبادل رزین را تجدید می‌کند.
رزین کاتیونی
فرمول:
R-H اسیدی
روش تبادل کاتیونی سختی آب را حذف می‌کند؛ اما اسیدیته را در آن القا می‌کند که در مرحله بعدی تصفیه آب با عبوردادن این آب اسیدی از فرایند تبادل آنیونی حذف می‌شود.
واکنش:
R−H + M+ = R−M + H+.
رزین تبادل آنیون
فرمول:
–NR4+OH-
اغلب اینها رزین‌های کوپلیمر استایرن – دی وینیل بنزن هستند که دارای کاتیون‌های آمونیوم چهارتایی به‌عنوان بخشی جدایی‌ناپذیر از ماتریس رزین هستند.
واکنش:
–NR4+OH– + HCl = –NR4+Cl− + H2O.
کروماتوگرافی تبادل آنیونی از این اصل برای استخراج و خالص‌سازی مواد از مخلوط‌ها یا محلول‌ها استفاده می‌کند.
رزین در تصفیه آب
نرم‌شدن آب، فرایند حذف نمک‌های کلسیم و منیزیم محلول که باعث سختی آب می‌شوند، است.
برخلاف آب سخت، آب نرم شده رسوب نامحلول تشکیل نمی‌دهد و در لوله‌ها و مخازن رسوب نمی‌کند یا با شوینده‌هایی مانند صابون تداخل نمی‌کند؛ بنابراین سختی‌گیر آب در بسیاری از صنایع ضروری است و واحدهای سختی‌گیر کوچک در خانه‌ها استفاده می‌شوند.
آب سخت می‌تواند مشکل‌ساز باشد، زیرا یون‌های کلسیم و منیزیم با اسیدهای چرب بالاتر صابون واکنش می‌دهند و یک ماده ژلاتینی نامحلول تشکیل می‌دهند و در نتیجه باعث هدررفتن صابون می‌شوند در دیگ‌های بخار و دیگر تجهیزات مرتبط با آب، کلسیم و منیزیم موجود در آب‌های سخت، یک رسوب چسبنده سخت روی صفحات تشکیل می‌دهند. این رسوبات موجب خوردگی و ازبین‌رفتن تجهیزات و پایین آمدن راندمان کاری دستگاه‌ها خواهد بود.
نرم‌شدن آب یا با افزودن مواد شیمیایی که رسوبات نامحلول را تشکیل می‌دهند یا با تبادل یونی حاصل می‌شوند. در مقیاس کوچک، مواد شیمیایی مورداستفاده برای نرم‌شدن عبارت‌اند از آمونیاک، بوراکس، هیدروکسید کلسیم (آهک خاموش) یا تری سدیم فسفات، معمولاً همراه با کربنات سدیم (خاکستر سودا). روش آهک – سودا برای نرم کردن آب باید با ته‌نشینی و فیلتراسیون برای حذف رسوبات دنبال شود. آب را می‌توان با افزودن آهک کافی برای رسوب دادن کلسیم به‌عنوان کربنات و منیزیم به‌عنوان هیدروکسید از نظر شیمیایی در مقیاس بزرگ نرم کرد، سپس کربنات سدیم برای حذف نمک‌های کلسیم باقی‌مانده اضافه می‌شود.
تبادل یونی یک روش صنعتی رایج و ساده‌تر برای نرم کردن آب است. این کار با عبور آب از مخزنی پر از رزین انجام می‌شود که یون‌های سدیم را با یون‌های کلسیم و منیزیم مبادله می‌کند. پس از مدتی کلسیم و منیزیم در آب خروجی از سختی‌گیر ظاهر می‌شوند. در آن نقطه باید با عبوردادن محلول غلیظ نمک معمولی از بین دانه‌های رزین، رزین احیا شود. یون‌های سدیم اضافی، یون‌هایی را که سختی ایجاد می‌کنند جابه‌جا می‌کنند تا پس از شستشو با آب، بستر مبدل برای استفاده مجدد آماده شود. نرم‌کننده‌های آب خانگی معمولاً به طور مشابه عمل می‌کنند و از زئولیت یا رزین تبادل یونی دیگر در مخزن متصل مستقیم به سیستم آب تشکیل شده‌اند.
طول عمر رزین
برخلاف تصور رایج، رزین برای همیشه دوام نمی‌آورد. در طول عمر یک سختی گیر آب، رزین تحت حمله دائمی شوک هیدرولیکی، اکسیداسیون، شوک اسمزی، ساییدگی عمومی، رسوب گیری و غیره قرار دارد. سازندگان رزین اغلب از ده سال به‌عنوان یک قانون کلی برای طول عمر مورد انتظار استفاده می کنند، اما این می‌تواند بسته به شرایطی که رزین در آن قرار می‌گیرد به طور قابل‌توجهی تغییر کند.
مکانیسم‌های شکست چیست؟
مکانیسم‌های خرابی زیادی در ارتباط با مهره رزین وجود دارد که در زیر به شرح مختصری از رایج‌ترین آنها می‌پردازیم:
چکش آبی (شوک هیدرولیک)
قطع ناگهانی جریان آب با فشار بالا باعث می‌شود که مهره‌های رزین به سمت مخزن برخورد کنند و منجر به ترک‌خوردگی یا مهره‌های شکسته شوند. اجتناب از شیرهای برقی سریع در طراحی سیستم برای به‌حداقل‌رساندن این خطر توصیه می‌شود.
اکسیداسیون (حمله کلر)
در نظر بگیرید که حمله کلر شبیه به «قطع‌کردن» نوارهای الاستیک اطراف اسفنج کروی است که باعث می‌شود مهره استحکام خود را از دست بدهد، متورم شود و رطوبت بیشتری را حفظ کند. تعداد مکان‌های تبادل یونی با تورم بدون تغییر باقی می‌ماند، اما دانه‌های رزین اکنون حجم بیشتری را در مخزن اشغال می‌کنند. این می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی و یا مهره‌های شکسته شود.
شوک اسمزی
ذاتاً، دانه‌های رزین با تخلیه و بازسازی متورم و منقبض می‌شوند. باگذشت زمان، این مهره‌ها در نهایت می‌ترکند و یا می‌شکنند. نرخ انبساط در مرحله شستشوی معکوس بازسازی تابعی از سرعت جریان و دمای ورودی است. به‌این‌ترتیب، تنش اسمزی در سیستم‌های با دمای پایین و نرخ شستشوی معکوس بالا بیشتر است.
ساییدگی رزین
افزایش افت فشار در سراسر بستر رزین اغلب می‌تواند به درصد بالایی از مهره‌های ترک خورده و یا شکسته نسبت داده شود. ذرات مهره شکسته با پر کردن فضاهای خالی با ذرات مهره، سطح بستر را سفت می کند. “Fine” در نهایت سیستم را در مرحله شستشوی معکوس بازسازی می کند و کاهش ظرفیت در نرم‌کننده به دلیل کاهش مکان‌های تبادل مشاهده می‌شود.
رسوب فلز
اکسیژن در طول هر چرخه بازسازی با آب‌نمک وارد می‌شود، بنابراین رسوب آهن در هر سیستمی با سطح آهن بالا در آب ورودی قابل‌انتظار است. این رسوب‌دهنده اکسید آهن را نمی‌توان با بازسازی منظم نمک حذف کرد و به طور مؤثر محل‌های تبادل رزین را که در غیر این صورت برای نرم‌شدن در دسترس بودند، مسدود می‌کند و در نتیجه ظرفیت کاهش می‌یابد.
نگهداری رزین
اول و مهم‌تر از همه، درک منبع آب ورودی برای پیش‌بینی عمر رزین و حفظ صحیح سیستم حیاتی است. آب ورودی باید قبل از نصب سیستم جدید سختی گیر آب آزمایش شود و نوع رزین باید به‌دقت انتخاب شود. پس از نصب سیستم، توصیه‌ها و گزینه‌های زیر قابل‌بررسی است:
دفترچه‌های ثبت: سطوح سختی روزانه، قرائت‌های کنتور آب، نرخ جریان و فشار ورودی/خروجی باید به طور منظم برای هر سختی گیر ثبت شود. نظارت بر این روندها یک راه عالی برای شناسایی زمانی است که عملکرد سیستم در حال کاهش است و باید آزمایش، تمیز کردن و یا جایگزینی رزین اضافی در نظر گرفته شود.
تست رزین: نمونه‌های هسته را می‌توان از بستر رزین به دست آورد و برای ظرفیت کل، رطوبت، درصد شکستگی و موارد دیگر آنالیز کرد.
افزایش رزین: درجاتی از ساییدگی رزین و از دست دادن رزین در هر سیستمی قابل انتظار است. اغلب اوقات، اضافه کردن رزین مخزن برای افزایش ظرفیت کلی توصیه می‌شود.
افزودنی شیمیایی: در موارد شدید، یک افزودنی شیمیایی مانند AquaAnalytics Resinklenz Fe باید در نظر گرفته شود. این کمک بازسازی از رسوب آهن به اکسید آهن جلوگیری می کند و عملکرد را بهبود می‌بخشد و عمر رزین را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.
تمیزکردن شیمیایی: در سیستم‌های دارای رسوب شدید، رزین را می‌توان با استفاده از محلول‌هایی با pH پایین مانند اسیدسیتریک تمیز کرد. در پاک‌سازی‌های شیمیایی، قرارگرفتن در معرض یکنواخت و زمان تماس بسیار مهم است.
فیلتراسیون: در مواردی می‌توان پیش فیلتراسیون را در نظر گرفت تا آهن و سایر رسوبات را از ورود به سیستم سختی‌گیر و رسوب‌گیری رزین حذف کند.
جایگزینی رزین: اگرچه هزینه اولیه برای استحکام بالاتر، رزین‌های متقاطع بالاتر بیشتر است، اما ممکن است در درازمدت گزینه بهتری باشد.
رزین پرولایت
رزین پرولایت یکی از شناخته‌ترین برندهای موجود در بازار ایران است. این شرکت انواع رزین‌های کاتیونی و آنیونی را تولید می‌کند که از کیفیت بسیار خوبی برخوردار هستند.
از شناخته‌ترین کدهای رزین کاتیونی پرولایت می‌توان به رزین C100 و C100E اشاره کرد. این دو نوع رزین جهت سختی گیری آب یعنی حذف کلسیم و منیزیم از آب استفاده می‌شود.
رزین C100 با خلوص بالاتر جهت واحدهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد و رزین C100 E کمی درصد جذب پایین تری دارد.
از دیگر کدهای رزین تولیدی پرولایت می‌توان به رزین‌های زیر اشاره کرد:
C100H
PFC100
A400
A400OH
MB400
برای مشاوره و خرید انواع رزین‌های کاتیونی و آنیونی و میکس بد، برند پرولایت و هیدرولایت با کارشناسان پراین هوم تماس حاصل فرمایید.
