رزین های تبادلگر یونی

در مواد شیمیایی پلیمری و علم مواد، رزین یک ماده جامد یا بسیار چسبناک هسته گیاهی یا مصنوعی است که معمولا به پلیمر تبدیل می شود. رزین معمولا مخلوط ترکیبات آلی است. این مقاله بر روی رزین یونی تمرکز دارد.

رزین تبادل یون یا پلیمر تبادل یون یك رزین یا پلیمر است كه به عنوان وسیله ای برای تبادل یون عمل می كند. این ماتریکس نامحلول (ترکیبات همراه) به طور معمول به شکل دانه های کوچک (0.25-0.5 میلی متر)، معمولا سفید یا زرد، ساخته شده از یک بستر پلیمری آلی است. این دانه ها معمولا متخلخل بوده و شامل سطح بالایی در داخل و روی آنها هستند. به دام افتادن یون ها همزمان با انتشارسایر یون ها رخ می دهد ، بنابراین این فرایند مبادله یون نامیده می شود. انواع مختلفی از رزین تبادل یونی وجود دارد. اکثر رزین های تجاری از پلی استایرن سولفونات ساخته می شوند.

دانه های رزین تبادل یون

رزین های تبادل یونی به طور گسترده ای در فرایندهای جدا سازی، تصفیه و ضد عفونی استفاده می شود. بارز ترین نمونه ی مصرف آن، نرم کردن آب و تصفیه آب است. در بسیاری از موارد رزین های تبادل یونی در چنین فرایندهایی به عنوان یک جایگزین انعطاف پذیر تر به جای زئولیت های طبیعی یا مصنوعی معرفی شدند. همچنین رزین های تبادل یون در پروسه فیلتراسیون بیودیزل بسیار موثر هستند.

 

انواع رزین ها

بیشترین نمونه های رزین تبادل یون بر پایه حد واسط پلی استایرن هستند. قسمت های واقعی مبادله یون پس از پلیمریزاسیون معرفی می شوند. علاوه بر این، در مورد پلی استایرن، حدواسط ها با استفاده از کوپلیمریزاسيون استایرن و درصد کمی دیوینیل بنزن، به دست می آید.حدواسط ها ظرفیت تبادل یونی رزین را کاهش می دهد و زمان لازم برای انجام فرایندهای تبادل یونی را افزایش می دهد، اما مقاومت رزین را بهبود می بخشد. اندازه ذرات نیز بر پارامترهای رزین تاثیر می گذارد. ذرات کوچکتر سطح بیرونی بزرگتری دارند، اما باعث کاهش عمق در فرایند ستون می شوند.
 
علاوه بر رزین های دانه ای ، رزین های یون تبادلی به عنوان غشا نیز تولید می شوند. این غشاهای تبادل یونی که از رزین های مبادله یون حدواسط ساخته شده اند ، به یون ها اجازه عبور می دهند اما به آب نه، برای الکترو دیالیز استفاده می شوند.
 
چهار نوع اصلی رزین های تبادل یونی که بر اساس عملکردی گروه آنها متفاوت است:
 به شدت اسیدی، به طور معمول شامل گروه های اسید سولفونیک است، به عنوان مثال سدیم پلی استایرن سولفونات یا پلی AMPS،
 به شدت بازی، به طور معمول شامل گروه های آمینه کواترنری، به عنوان مثال، گروه های تری متیل آمونیوم، به عنوان مثال پلی APTAC
 ضعیف اسیدی، به طور معمول شامل گروه های کربوکسیلیک اسید
 ضعیف بازی، معمولا شامل گروه های اولیه، ثانویه و / یا آمینو آمین، مانند پلی اتیلن آمین
رزین های خاص تبادل یون نیز مانند رزین های شلاته کننده (اسید ایمینودیاستیک ، رزین های بر پایه ی تیواوره و بسیاری دیگر) شناخته شده است.
رزین های آنیونی و رزین های کاتیونی دو  رزین رایج مورد استفاده در فرایند تبادل یونی هستند. در حالی که رزین های آنیون یون های با بار منفی را جذب می کنند، رزین های کاتیونی یون های مثبت را جذب می کنند.
رزین های آنیونی ممکن است باز قوی یا ضعیف باشند. رزین های آنیونی بازقوی بار مثبت خود را در محدوده وسیعی از  pH حفظ می کنند، در حالی که رزین های بازی ضعیف در pH بالاتر خنثی می شوند. رزین های بازی ضعیف بار خود را در pH بالا حفظ نمی کنند، زیرا تحت واکنش دپروتونه شدن قرار می گیرند. [4] با این وجود، این رزین ها از نظر مکانیکی و شیمیایی پایداری عالی از خود ارائه می دهند. این ویژگی به همراه نرخ بالای مبادله یون، رزین های آنیونی بازی را  برای نمک های آلی مناسب می کند.
برای رزین های آنیونی، بازیافت معمولا شامل احیای رزین با یک محلول بازی قوی است، به عنوان مثال هیدروکسید سدیم محلول. در طی واکنش، ماده شیمیایی بازسازی کننده از طریق رزین منتقل می شود و یون های منفی به دام افتاده و از بین می روند و فضاهای خالی رزین بازیابی می شود.

 

رزین مبادله کننده کاتیونی
فرمول: R−H

:واکنش H + C+ = R−C + H+.

رزین مبادله کننده آنیونی

: N(R)4−OHفرمول

واکنش: N(R)4−OH + HCl = N(R)4Cl + H2O

کروماتوگرافی مبادله آنیونی باعث استفاده از این روش برای استخراج و خالص سازی مواد از مخلوط ها یا محلول ها می شود.

 

موارد استفاده

سختی گیری آب

رزین های تبادل یونی برای جایگزینی یون های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت با یون های سدیم استفاده می شود. هنگامی که رزین تازه است، حاوی یون های سدیم در سایت های فعال آن است. هنگامی که در تماس با محلول حاوی یونهای منیزیم و کلسیم (اما غلظت کم یونهای سدیم)، یونهای منیزیم و کلسیم از محلول به محل فعال در رزین منتقل می شوند و در محلول با یون های سدیم جایگزین می شوند. این روند باعث رسیدن غلظت منیزیم و یون کلسیم به مقدار بسیار پایین نسبت به شروع واکنش می شود.
رزین را می توان با شستن توسط یک محلول حاوی غلظت بالا یون های سدیم (به عنوان مثال مقدار زیادی از نمک معمولی (NaCl) حل شده). یونهای کلسیم و منیزیم از رزین مهاجرت می شود، که با یون های سدیم از محلول جایگزین می شود تا تعادل تازه ای به دست آید. این نمک برای احیای یک رزین تبادل یونی استفاده می شود که خود برای رفع سختی آب استفاده می شود.
تصویر ایده آل از فرایند نرم شدن آب، شامل جایگزینی یون های کلسیم در آب با یون های سدیم اهدا شده توسط رزین کاتیونی
 
تعداد کمی از رزین های تبادل یونی کلر یا آلاینده های آلی را از آب حذف می کنند. این امر معمولا با استفاده از یک فیلتر زغال چوب فعال شده که با رزین مخلوط می شود ، صورت می گیرد. برخی از رزین های تبادل یونی وجود دارد که یون های آلی را حذف می کنند، مانند رزین های MIEX (تبادل یون مغناطیسی). رزین تصفیه آب داخلی معمولا شارژ نمی شود - رزین زمانی که دیگر نمی تواند استفاده شود، از بین می رود.
تولید آب با خلوص بالا
آب با بالاترین خلوص برای صنایع الکترونیک، آزمایش های علمی، تولید ابررساناها، و صنعت هسته ای، و مواردی از این قبیل مورد نیاز است. چنین آبی با استفاده از فرایندهای تبادل یونی یا ترکیبی از روش های غشایی و تبادل یونی تولید می شود. کاتیون ها با استفاده از رزین های جایگزین کاتیون توسط یون های هیدروژن جایگزین می شوند. آنیون ها با استفاده از رزین های آنیونی جایگزین هیدروکسیل ها می شوند. یون های هیدروژن و هیدروکسیل ها دوباره ترکیب می شوند و مولکول های آب تولید می کنند. بنابراین، هیچ یونی در آب تولیدی باقی نمی ماند. فرایند تصفیه معمولا در چند مرحله با "ستون های تبادل یون مخلوط" در پایان زنجیره فن آوری انجام می شود.

تبادل یون در جداسازی فلزات

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/LEUPowder.jpg

یک بشکه کیک زرد

فرایندهای تبادل یونی برای جداسازی و خالص سازی فلزات از جمله جداسازی اورانیوم از پلوتونیوم و دیگر اکتینید ها از جمله توریم استفاده می شود. و هم چنین در جدا سازی لانتانیم، نئودیمیم، یتربیم، ساماریوم، لوتیتیم، از یکدیگر و دیگر لانتانیدها. دو سری از فلزات نادر خاکی، لانتانیدها و اکتینید ها هستند. اعضای هر خانواده خواص شیمیایی و فیزیکی بسیار مشابه دارند. مبادله یون برای سال ها تنها راه عملی برای جدا کردن فلزات نادر در مقادیر زیاد بود. این روش در سال 1940 توسط فرانک اسپدینگ توسعه داده شد. بعلاوه استخراج حلال عمدتا توسط رزین های تبادل یونی  انجام می شود به جز در تولید محصولات با خلوص بالاتر.
یک مورد بسیار مهم دیگر ، فرایند PUREX (فرایند استخراج پلوتونیوم-اورانیوم) است که برای جدا کردن پلوتونیوم و اورانیوم از مواد سوختی مصرف شده در یک راکتور هسته ای و استفاده از مواد زائد آن می باشد. سپس پلوتونیوم و اورانیوم برای ساخت مواد انرژی هسته ای مانند سوخت راکتور جدید و سلاح های هسته ای در دسترس هستند.
دانه های تبادل یونی نیز جزء ضروری در معدن اورانیوم غنی شده در محل هستند. بازیابی در محل شامل استخراج آب غنی از اورانیوم (درجه بندی شده به عنوان حداقل 0.05٪ U3O8) از طریق حفاری است. سپس محلول اورانیوم استخراج شده توسط دانه های رزین فیلتر می شود. دانه های رزین از طریق یک روند تبادل یونی اورانیوم را از محلول جذب می کنند. رزین های حاوی اورانیوم سپس به یک کارخانه فرآوری انتقال می یابند، جایی که U3O8 از دانه های رزین جدا می شود و کیک زرد تولید می شود. سپس دانه های رزین را می توان به واحد مبادله یونی بازگردانید، جایی که  از آنها مجددا استفاده شود.
فرایند تبادل یونی برای جدا کردن مجموعه های دیگر از عناصر شیمیایی بسیار شبیه مانند زیرکونیم و هافنیم نیز استفاده می شود که به طور اتفاقی در صنعت هسته ای نیز بسیار مهم است. زیرکونیوم عملا برای آزاد کردن نوترونهای شفاف است که در ساخت راکتورها استفاده می شود اما هافنیوم جاذبی بسیار قوی از نوترون ها است که در میله های کنترل راکتور استفاده می شود.
کاتالیزگر
در علم شیمی رزین های تبادل یونی در فرم اسید شناخته شده است که کاتالیز واکنش های آلی هستند.
تصفیه آب میوه 
رزین های تبادل یونی در تولید آب میوه ها مانند آب پرتقال و آب زغال اخته استفاده می شود که از آنها برای حذف اجزای تلخ مزه استفاده می شود و بنابراین عطر و طعم را بهبود می بخشد. این عمل اجازه می دهد تا منابع میوه ای بی مزه یا تلخ برای تولید آب میوه استفاده شود.
تولید شکر
رزین های تبادل یونی در تولید شکر از منابع مختلف استفاده می شود. این رزین ها برای تبدیل یک نوع شکر به نوع دیگر مورد استفاده قرار می گیرد، و برای بی رنگ کردن و خالص سازی شربت قند مورد استفاده قرار می گیرد.
داروها
رزین های تبادل یونی در تولید داروها، نه تنها به عنوان کاتالیزور واکنش های خاص، بلکه برای جداسازی و خالص سازی مواد دارویی فعال نیز استفاده می شود. سه رزین تبادل یون، سدیم پلی استایرن سولفونات ، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان مواد فعال کننده استفاده می شود. سدیم پلی استایرن سولفونات یک رزین تبادل یون اسیدی قوی است و برای درمان هیپوکالمی استفاده می شود.کلستیپول یک رزین تبادل یون باز ضعیف است و برای درمان هیپوکلسترولیمی مورد استفاده قرار می گیرد. کلستیرآمین یک رزین تبادل یون بازی ضعیف است و همچنین برای درمان هیپوکلسترولیمی مورد استفاده قرار می گیرد. کلستیپول و کلستیرآمین به عنوان اسید صفرا(زردآب) شناخته می شوند.
رزین های تبادل یونی به عنوان عضوی در فرمولاسیون های دارویی مانند قرص، کپسول،آدامس ها و سوسپانسیون ها استفاده می شود. در این موارد، رزین تبادل یون می تواند چندین عمل مختلف داشته باشد از جمله طعم و مزه، انتشار طولانی، تجزیه قرص، افزایش قابلیت زیستی و بهبود پایداری شیمیایی مواد فعال.