تصفیه آب با استفاده از سیستم رزینی
استفاده از سیستم رزینی برای تصفیه آب یکی از روشهای متداول برای یون زدایی آب است. سیستم رزینی قادر به حذف یونها به صورت انتخابی و یا یون زدایی کامل آب و تولید آب دیونیزه است. آب فوق خالص برای مصارف داروسازی و تولید مواد شوینده کاربرد دارد. بسته به مورد استفاده آب، برای تصفیه اب صنعتی از راهکارهای مختلف استفاده می شود. با روشهای اسمز معکوس و الکترودیالیز EDR , EDI می توان حدود 95% املاح آب را حذف کرد.
رزین تبادل یونی
تمامی آبهای طبیعی حاوی غلظت های مختلفی از نمک های محلول هستند. این نمک ها در آب تفکیک شده و یونهای باردار بوجود می آورند. یونهای دارای بار مثبت کاتیون و یونهای دارای بار منفی آنیون نامیده می شوند. رزین تبادل یونی مورد استفاده در تصفیه اب از ساختار اسکلتی با موقعیتهای فراوان تبادل کاتیونی و آنیونی برخوردار است. ساختار اسکلتی رزین، متخلخل و نفوذپذیر است به گونه ای که تمامی اجزاء آن در فرایند تصفیه آب شرکت می کنند.
نحوه عملکرد سیستم رزینی
در فرایند تصفیه اب با سیستم رزینی، یونهای ناخواسته آب خام از طریق انتقال به رزین تبادل یونی حذف می گردند. در صورت جذب آنها به میزان معادل آن از ساختار تبادل کننده یونی، ذرات ذخیره شده غیرمضر جدا می شوند.
ظرفیت تبادل رزین
رزین تصفیه آب، از ظرفیت محدودی جهت نگهداری یونها در ساختار خود به نام ظرفیت تبادل برخوردارند. از این رو رزین تبادل یونی غالبا توسط یونهای نامطلوب اشباع می شود. در این حالت، رزین توسط یک محلول احیا کننده قوی، حاوی یونهای غیر مضر شستشو داده میشود. بدین ترتیب رزین به شرایط قابل مصرف برخواهند گشت و مجددا در فرایند تصفیه آب استفاده می شوند.
سیکل کامل سیستم رزینی
عملیات حذف یونهای ناخواسته در فرایند تصفیه آب با سیستم رزینی، شامل اشباع رزین و احیای آن یک سیکل کامل فرایند شیمیایی است و شامل مراحل زیر می باشد.
بهره برداری
شستشوی معکوس (بک واش)
احیای رزین
آبکشی
تبادل یونی کاربردی
در تصفیه اب به روش رزینی، باید به چهار مسئله زیر توجه کرد :
- اکثر واحدهای تبادل یونی، ظروف ساده حاوی یک بستر از رزین تبادل یونی هستند که با جریان سیکلی از بالا به پایین کار می کنند.
- بستر تبادل یونی باید از ظرفیت قابل توجه بالاتری نسبت به آنچه مورد استفاده قرار می گیرد، برخوردار باشد. زیرا در غیر اینصورت مصرف مواد شیمیایی احیا کننده رزین که برای تبدیل رزین به شکل یونی طراحی شده به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. این موضوع باعث می گردد فرایند تصفیه آب با سیستم رزینی غیراقتصادی شود.
- به دلیل عملیات سیکلی توأم با جریان همسوی آب و مواد احیا کننده، مصرف مواد شیمیایی در احیای رزین تبادل یونی معمولا اندک است. این کاهش مصرف به همراه رزینهای قوی، مشخص تر خواهد بود.
- عمده رزین تبادل یونی مصرفی در تصفیه آب در محدوده اندازه mesh 50-20 یا حدود mm 55/0 می باشد. این ویژگی باعث ایجاد یک بستر تبادل یونی به شکل یک فیلتر بسیار مؤثر می گردد.
مزایا و معایب بستر تبادل یونی فیلتری شکل رزین
قابلیت شبه فیلتر بستر رزین با خواص تبادل یونی آمیخته شده و سیستمهای صنعتی تصفیه کندانس که در آنها از سیستم رزینی استفاده شده است را کاراتر و مفیدتر می سازد.
از طرفی این قابلیت میل ایجاد رسوب را افزایش داده و مدت زمان سرویس دهی را غیرقابل پیش بینی می سازد.
طبقه بندی رزین های تبادل یونی
نامگذاری تجاری رزین ها محدوده کاربرد آنها را مشخص می کند. این نامگذاری بر اساس دسته بندی زیر صورت می گیرد.
رزین کاتیونی اسیدی قوی Strong Acid Cation) SAC)
رزین کاتیونی اسیدی ضعیف Weak Acid Cation) WAC)
رزین آنیونی بازی قوی Strong Base Anion) SBA)
رزین آنیونی بازی ضعیف Weak Base Anion) WBA)
ویژگیهای رزین SAC
رزین های گروه SAC دارای مشخصات زیر هستند.
خنثی کردن بازهای قوی و تبدیل آنها به نمک های معادلشان
دارای گروه فعال HSO3 جهت نمک زدایی و حذف کلیه کاتیونهای آب خام
دارای عملکرد خوب در کلیه محدوده های pH
در حالتی که سیکل سدیمی دارند (وجود سدیم به عنوان یون متحرک) ، در تصفیه آب برای سختی زدایی استفاده می شوند.
در حالتی که سیکل هیدروژنی دارند، در تصفیه اب برای کاتیون زدایی به کار می روند.
ویژگیهای رزین WAC
رزین های گروه WAC دارای مشخصات زیر هستند.
دارای گروه فعال کربوکسیلیک (-COOH)
در حالتی که سیکل هیدروژنی دارند، در تصفیه اب جهت حذف رزینهای کاتیونی که با قلیائیت جمع شده اند، به کار می روند.
قادر به حذف کلیه کاتیونها نیستند و در نتیجه همراه با رزینهای SAC برای سختی زدایی و قلیائیت زدایی استفاده می شوند.
دارای بازده بالای احیا در مقایسه با رزینهای SAC و در نتیجه کاهش اسید مورد نیاز برای احیا می باشند.
ویژگیهای رزین SBA
رزین های گروه SBA دارای مشخصات زیر هستند.
خنثی کردن اسیدهای قوی و تبدیل آنها به نمک های معادلشان
دارای گروه فعال آمونیوم چهار ظرفیتی (نوع І و ІІ )
رزین نوع І مواضعی با سه گروه متیل دارد. RN(CH3)3
در رزین نوع ІІ یک گروه متیل با گروه اتانول جایگزین شده است و بازده احیا بالاتری دارد.
رزین نوع І پایداری بیشتری داشته و قادر به حذف بیشتر اسیدهای ضعیف یونیزه شده است.
ویژگیهای رزین WBA
رزین های گروه WBA دارای مشخصات زیر هستند.
دارای گروه فعال آمینهای نوع اول RNH2 ، نوع دوم NHR2 و نوع سوم NR3 می باشند.
در فرایند تصفیه آب این رزینها کارایی مشابه رزینهای WAC دارند و با سود، سودا اش یا آمونیاک احیا می شوند.
رزین های گروه WBA نسبت به SBA در مقابل آلودگی های آلی که غالبا در آب آشامیدنی وجود دارد، مقاوم تر هستند.
در فرایند تصفیه اب صنعتی برای بالابردن کارایی احیا و همچنین حفاظت از رزین SBA، رزین WBA را در بالادست رزینهای SBA باید استفاده کرد.
ویژگیهای کلی یک واحد تبادل یونی (سیستم رزینی)
سیستم رزینی به هر منظوری که به کار رود، چه برای سبک سازی و چه برای حذف کربناتها و یونها ساختاری تقریبا مشابه دارد. این ساختار شامل یک ستون عمودی استوانه ای بسته است که به عنوان نگهدارنده رزین عمل می کند. این استوانه می تواند طوری نصب شود که مستقیما با تجهیزات جمع آوری کننده مایع یا آب تصفیه شونده، در تماس باشد. همچنین می تواند شامل نازلهای توزیع کننده مایع روی سینی ها یا سیستم لوله کشی با سوراخها و اندازه های مناسب باشد. رزین توسط یک لایه گرانول نگهدارنده خنثی نگه داری می شود. جنس این گرانولها معمولا سیلیس، آنتراسیت یا دانه های پلاستیک است.
کاربردهای اصلی سیستم رزینی در تصفیه آب
- سبک سازی Softening
- حذف کربناتها Dealkalization
- یون زدایی کامل آب Demineralization
سبک سازی آب (سختی گیری) Softening
فرایند سبک سازی، استفاده از سیستم رزینی برای حذف سختی آب است. آب سخت آبی است که املاح کلسیم و منیزیوم آن بالاست. این املاح باعث رسوب در کلیه دستگاههایی که آب در آنها جریان دارد میشوند. از جمله تاسیسات حرارتی و برودتی دیگ بخار، برج خنک کن، چیلر و… دستگاه سختی گیر رزینی با استفاده از رزین کاتیونی سیکل سدیمی، آب سخت را به آب نرم تبدیل می کند. همچنین مصرف آب سخت برای آشامیدن هم در دراز مدت باعث ایجاد بیماریهای کلیوی می گردد. از اینرو در تصفیه آب شرب نیز از سختی گیر آب استفاده می گردد.
حذف کربناتها یا قلیائیت زدایی Dealkalization
قلیاییت زدایی یکی دیگر از استفاده های سیستم های رزینی است. سیستم رزینی که برای حذف قلیائیت آب استفاده می شود دستگاه دی آلکالایزر نام دارد.
یون زدایی کامل آب Demineralization
استفاده دیگر سیستم رزینی یون زدایی کامل آب و تهیه آب کاملا خالص توسط دستگاه دیونایزر است. آب فوق خالص یا آب دمین در صنایع دارویی و صنایع حساس دیگر استفاده می شود. تهیه آب فوق خالص یک فرایند دو مرحله ای است به دو شکل انجام میشود. روش اول Double RO و روش دوم به کارگیری سیستم رزینی در کنار دستگاه RO است. در تصفیه آب فوق خالص با استفاده از سیستم رزینی، در مرحله اول تصفیه آب به وسیله دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس RO انجام می گردد. در مرحله بعد از رزین میکس بد برای حذف کامل یونهای آنیونی و کاتیونی استفاده می شود.
چیدمان سیستم رزینی
چیدمان های زیادی از سیستم رزینی در تصفیه اب به کار گرفته می شوند. از میان این روشها رایج ترین و پرکاربردترین آن شامل مراحل زیر است :
- پیش تصفیه سبک سازی
- نمک زدایی (سیستم اصلی)
- پالایش نمودن
در فرایند سبک سازی (سختی زدایی آب)یونهای کلسیم و منیزیم با سدیم جایگزین می شوند.
در پروسه نمک زدایی تمام کاتیونها با یون هیدروژن یا سدیم و تمام آنیونها با یون هیدروکسیل یا کلرید تبادل می شوند.
در فرایند پالایش نمودن کاتیونها و آنیونهایی که از اولین مرحله نمک زدایی فرار کرده اند، حذف می شوند.
محدوده کاربرد سیستم تصفیه آب رزینی
سیستم های رزینی (دستگاه دیونایزر، سختی گیر رزینی و دی آلکالایزر) برای آب خام با TDS کمتر از 2000 معمولا کاربرد دارد. برای آبهای شورتر استفاده از سیستم رزینی کارایی و صرفه اقتصادی ندارد. زیرا تعداد دفعات اشباع رزین بالا رفته و سیکل احیای رزین کوتاهتر می گردد. در نتیجه مقدار مصرف مواد احیا کننده بالا می رود. همچنین به علت انباشتگی املاح، سیستم رزینی کارکرد مناسبی نخواهد داشت. در این موارد تنها راه استفاده از دستگاه تصفیه آب صنعتی RO است.
مقالات مفید در این زمینه:
