رزین های حذف انتخابی:

حذف نیترات توسط حذف انتخابی رزین های تبادل کننده:

سطح نیترات در آب آشامیدنی زیر 50 میلی گرم در لیتر توصیه می شود به ویژه برای کودکان و نوزادان زیرا سیستم گوارشی آنها هنوز نابالغ است . وجود نیترات و نیتریت در آب آشامیدنی احتمال ابتلا به بیماری متهمو گلوبینمیا و یا سندرم کودک آبی می شود. از عوارض دیگر استفاده از نیترات در مدت زمان طولانی می توان کاهش اسیدیته معده ، کمبود آنزیم های خون ، کاهش هموگلوبین های طبیعی خون ، افسردگی ، تأثیر بر سیستم عصبی و زمانیکه غلظت آن بالای 70% باشد سبب مرگ خواهد شد.

از روش های مختلف در تصفیه آب روش اسمز معکوس و رزین های تبادل کننده یون کارآمدترین روش برای حذف نیترات و ترکیبات حاوی نیترات در آب است. نیترات موجود در منابع آبی را می توان با رزین های تبادل یونی آنیونی قوی در سیکل ( CL- ) حذف کرد.

تبادل یون یک واکنش دو طرفه و برگشت پذیر است که در آن یون های موجود در یک محلول با یون های دارای بار الکتریکی مشابه موجود در روی رزین مبادله می شوند. نیترات در آب از بار منفی برخوردار است بنابراین می توان آن را توسط رزین های آنیونی از آب حذف نمود.

رزین های تبادل کننده یونی پس از استفاده احتیاج به بازسازی دارند زیرا این مبادله کننده های یون پس از هربار استفاده دچار رسوب جدی می شوند و احتیاج دارند تا با مواد شیمیایی خاص تمیز و احیاء شوند تا دوباره بتوانند مورد استفاده قرار گیرند.

موادشیمیایی که برای احیاء و بازسازی رزین ها استفاده می شود عبارتند از کلرید سدیم (نمک طعام)، کلرید پتاسیم ، اسید سیتریک و دی اکسید کلر.

در این عمل با استفاده از یک محلول که دارای یون های از دست رفته رزین به مقدار کافی می باشد، رزین دوباره به فرم فعال اولیه تبدیل می شود اما مقداری از ظرفیت تبادل خود را از دست می دهد، به طور کلی هر چه ظرفیت یون بیشتر باشد با تمایل بیشتری جذب رزین می گردد. بنابراین یون سه ظرفیتی و یون دو ظرفیتی بیش از یون یک ظرفیتی توسط رزین جذب می شود. حتی برای یون های با ظرفیت یکسان نیز ضریب گزینش متفاوت است و اغلب هر چقدر وزن مولکولی بیشتر باشد و یا اندازه یون کوچکتر گردد، تمایل به جذب افزایش می یابد. وجود ضریب گزینش باعث می شود که یون ها به طور یکسان جذب رزین نشوند. در نتیجه وقتی که نیترات یون موردنظر برای حذف باشد، قبل از آن به طور اجتناب ناپذیر، فسفات و سولفات مبادله شده و زمانی نیترات مبادله می گردد که دیگر یون های مذکور به صورت آزاد وجود نداشته باشند.

در سال های اخیر رزین هایی ساخته شده اند که نسبت به نیترات قابلیت جذب بیشتری دارند و به آنها رزین های انتخابی می گویند. برای افزایش ضریب گزینش نیترات در این نوع رزین ها، طول زنجیره های استری افزایش یافته تا ظرفیت نیترات برای احیاء زنجیره ها بیشتر شود. اما با افزایش طول این زنجیره، ظرفیت حجمی رزین کاهش می یابد، بنابراین رزین های انتخابی در فواصل زمانی کوتاه تری نسبت به رزین های معمولی نیاز به احیاء دارند.

 رزین تبادل یونی purolite A520E رزین با پایه آنیونی قوی با منافذ درشت است که مخصوص فرآیندهایی است که جهت حذف نیترات از آب آشامیدنی طراحی می شوند. میل ترکیبی این ماده (رزین) با نیترات بیشتر از سولفات بوده و آنیون های موجود در رزین جایگزین نیترات موجود در آب می شوند.

رزین تبادل یون purolite A520E با داشتن منافذ درشت ماتریس در ساختار خود دارای قابلیت ویژه ای است که برای حذف نیترات از آب آشامیدنی و فاضلاب های شهری مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع مبادله کننده یون مناسب برای حذف نیترات حتی زمانی که غلظت نیترات در آب بالا و همچنین در حضور یون سولفات استفاده می شود. به همین دلیل این نوع رزین در برنامه های کاربردی تصفیه آب و فاضلاب از نیترات و ترکیبات حاوی نیترات در مقایسه با سایر رزین های استاندارد دارای عملکرد برتری است. استفاده از رزین های تبادل یونی مؤثرترین ، بهترین و مطمئن ترین روش جهت حذف نیترات از آب های آشامیدنی است که این فناوری شامل حذف نیترات و جایگزینی آن توسط آنیون های دیگر است.

در ایالات متحده آمریکا در استانداردها و قوانین مخصوص آب آشامیدنی حد قابل قبول نیترات در آب حدود 45mg/L  توصیه شده است.

ویژگی های عمومی PUROLITE A520E :

کاربرد : فرآیند حذف و تصفیه نیترات

ساختار پلی مری : پلی استایرن با منافذ درشت و ساختار شبکه ای

ظاهر : دانه های کروی

عملکرد گروه : آمونیوم چهارتایی (نوع 1)

مجموع ظرفیت (حداقل) : 0.90 eq/L   و 19/65 KGr/ft3

درجه حرارت : 100C – 212F

محدودیت pH  0 – 14

سازمان حفاظت از محیط زیست و بهداشت جهانی استفاده از رزین های تبادل یون را بعنوان بهترین روش برای از بین بردن نیترات در آب های قابل شرب معرفی کرده اند . استفاده از رزین های تبادل یونی مؤثرترین ، بهترین و مطمئن ترین روش جهت حذف نیترات از آب های آشامیدنی است این فناوری شامل حذف نیترات و جایگزینی آن توسط آنیون های دیگر است.

مزایای استفاده از روش تبادل یونی در حذف نیترات :

1.       عملیات ساده
2.       فرآیند مستقل از دما
3.       در برابر تغییر غلظت نیترات کاملا منفعل است

انواع رزین های تبادل یونی:

رزین تبادل یونی کاتیونی (Cation exchange resin):

رزین های دارای کاتیون های قابل تبادل، اصطلاحاً رزین کاتیونی نامیده شده و به دو دسته کلی رزین های کاتیونی اسیدی قوی و اسیدی ضعیف طبقه بندی می شوند. این رزین ها شامل یون های مثبت جابه جا شونده ای (متحرک) هستند که به گروه های عاملی اسیدی غیر متحرک نظیر اسید سولفونیک و کربوکسیلیک متصل می شوند. در هنگام بهره برداری از رزین، یون های مثبت هیدروژن و سدیم جایگزین کاتیون های موجود در آب می گردند. در زمان عملیات احیا نیز کاتیون هایی که در بستر رزین گیر افتاده اند، وارد محلول احیا شده و مجدداً با هیدروژن و سدیم جایگزین می گردند.

رزین تبادل یونی آنیونی (Anion exchange resin):

رزین های دارای آنیون های قابل تبادل، با نام رزین های آنیونی شناخته می شوند و به دو دسته کلی رزین های آنیونی بازی قوی و بازی ضعیف طبقه بندی می شوند. این رزین ها قادر به حذف تمام یا بخشی از آنیون های موجود در آب می باشند. از رزین های آنیونی پرفروش موجود در ایران می توان به رزین آنیونی پرولایت مدل A400 استفاده کرد که کاربرد ویژه ای در دستگاه های دیونایزر دارد.

رزین بستر مخلوط (Mix bed) :

از رزین میکس بد جهت تولید آب با کیفیت بسیار بالا استفاده می شود. این رزین در واقع مخلوطی از رزین اسیدی کاتیونی قوی با سیکل هیدروژنی و رزین بازی آنیونی قوی با یون فعال هیدروکسید می باشد. در خروجی رزین آنیونی قوی را معمولاً از رزین میکس بد عبور می دهند تا کیفیت آب خروجی بهبود یابد. آب خروجی از رزین ترکیبی عمدتاً دارای هدایت الکتریکی کمتر از 1 میکرو زیمنس بر سانتی متر مربع، PH در محدوده 6.8 تا 7.2 و نیز دارای مقدار کمتر از ppm 0.02 سیلیکا می باشد.

رزین تبادل یونی مخصوص حذف نیترات (Nitrate selective ion exchange resin):

در تصفیه آب جهت حذف نیترات از آب می توان از رزین هایی با انواع زیر استفاده کرد:

•     رزین های آنیونی بازی قوی ویژه حذف نیترات
•     رزین های آنیونی بازی قوی نوع اول
•     رزین های آنیونی بازی قوی نوع یک با ظرفیت بالا
•     رزین های آنیونی بازی قوی نوع دوم
•      رزین های آنیونی بازی ضعیف

انتخاب رزین مورد استفاده به منظور حذف نیترات از آب به نظر مصرف کننده و نوع طراحی سیستم بستگی دارد که از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:

•     بوی زننده رزین های آنیونی قوی نوع اول در مقایسه با بدون بو بودن رزین های نوع دوم
•     احتمال نشتی نیترات در رزین پس از اشباع رزین های نوع 1 و 2
•     لزوم استفاده از رزین مخصوص حذف نیترات برای آب های خوراکی که سولفات بالایی دارند.
•     استفاده از رزین های آنیونی بازی قوی نوع 1 به علت ظرفیت بالا و کاهش هزینه های عملیاتی و کاهش هدر رفت آب
•     استفاده نکردن از رزین مخصوص حذف نیترات هنگامی که هدف، حذف نیترات و آرسنیک از آب باشد.
•     استفاده از روش جدید حذف نیترات با استفاده از رزین های آنیونی بازی ضعیف موجب کاهش هدر رفت آب می شود.

جهت جلوگیری از نشت نیترات در آب تصفیه شده و آب هایی که مقدار سولفات بالایی داشته باشد، از رزین A520E پرولایت حذف نیترات استفاده می شود. اگر نسبت میزان سولفات آب به مجموع سولفات و نیترات موجود در آب بیشتر از 60% باشد، استفاده از رزین آنیونی مخصوص حذف نیترات بر رزین های آنیونی بازی قوی نوع 1 و 2 ترجیح داده می شود.

به دلیل اینکه ذرات نیترات یون هایی بار منفی هستند، با استفاده از فیلتر رزین آنیونی می توان این ذرات را از آب حذف کرد و استفاده از این رزین ها بدین منظور مناسب است. این رزین های آنیونی پس از هر بار استفاده دچار رسوبگذاری شده و نیازمند انجام عملیات احیا خواهند بود. این رزین ها را معمولاً توسط مواد شیمیایی مانند کلرید سدیم، اسید سیتریک، کلرید پتاسیم و دی اکسید کلر مجدداً احیا می کنند. نکته مهمی که در این باره وجود دارد این است که ظرفیت یون های فعال رزین حتماً بیشتر از ظرفیت یون های نیترات باشد. هر چه این یون ها وزن مولکولی بیشتری داشته باشند به فیلترهای رزینی با قدرت جذب بالاتری نیاز خواهد بود.

رزین های حذف آهن و منگنز:

پس از سختی آب، حضور املاح آهن و منگنز، متداول ترین مشکل برای مصرف کنندگان آب به ویژه در بخش صنعتی محسوب می شود. این عناصر معمولاً به شکل اکسید فریک و اکسید منگنز نامحلول در آب می باشند. وجود یون آهن در آب بسته به غلظت آن می تواند باعث ایجاد رنگ زرد مایل به قهوه ای، طعم ناخوشایند آب، ایجاد لکه های رنگی بر روی لباس ها و در غلظت های بالا موجب تشکیل رسوب در لوله ها و تجهیزات صنعتی گردد. حضور یون منگنز در آب نیز می تواند سبب ایجاد لکه های قهوه ای بر روی لباس ها و ذرات سیاه رنگ بر روی وسایل شود. حد مجاز آهن در آب به نوع استفاده از آن متفاوت می باشد. برای مثال حد مجاز ترکیبات آهن به ترتیب برای آب های شرب 0.3 ppm و برای مصارف صنعتی حدود 0.005 تا 0.3 ppm تعیین شده است.

ترکیبات آهن به طور کلی به دو صورت یون دو ظرفیتی (به نام فرو) و سه ظرفیتی (فریک) می باشند و ترکیبات فریک شکل کاملاً اکسید شده ترکیبات فرو هستند. در اثر مجاورت آب با هوا و اکسيژن محلول در آب، ترکیبات آهن به طور کامل اکسید می شوند. ترکیبات آهن در آب های سطحی معمولاً به صورت فریک و در آب های چاه به شکل فرو می باشند. ترکیبات فرو را می تواند با استفاده رزین های تبادل یونی کاتیونی (معمولاً فرم سدیمی) از آب حذف نمود، اما وجود ترکیبات فریک در آب می تواند باعث تشکیل رسوب بر روی بستر رزینی شده و عملکرد سیستم را مختل کند.

از نوعی رزین های کاتیونی به منظور حذف انتخابی فلزات سنگینی مانند آهن و منگنز استفاده می شود. این رزین ها از نوع رزین های کیلاتی (chelating) متخلخل از جنس پلی استایرن و دارای گروه فعال ایمینو دی استیک هستند به طور ویژه برای حذف کاتیون های فلزات سنگین از پساب های صنعتی طراحی شده اند. از دیگر کاربردهای این رزین ها استفاده در فرایندهایی مانند استخراج  فلزات از سنگ معدن، تصفیه پساب آبکاری ها و نیز حمام آبکاری فلزات هستند.

رزین تبادل یونی حذف آرسنیک:

آلودگی آب به آرسنیک به ویژه در آب های زیر زمینی، به دلیل سمیت بالای آن، به عنوان یک مشکل اساسی در سراسر دنیا محسوب می شود. این ماده یکی از آلاینده های مهم آب آشامیدنی مطرح شده است که مصرف طولانی مدت آن می تواند باعث بروز سرطان در انسان شود. سازمان بهداشت جهانی حد مجاز آرسنیک در آب را 0.01 میلی گرم بر لیتر بیان کرده است در حالی که حداکثر حد مجاز آرسنیک در آب 5 میلی گرم بر لیتر می باشد.

آرسنیک در آب به دو صورت آرسنات و آرسنیت وجود دارد. روش تبادلی یونی تنها قادر به حذف آرسنات (با بار منفی) از آب می باشد و برای حذف آرسنیک از آب لازم است که ابتدا آرسنیک (با بار خنثی) را به آنیون (با بار منفی) تبدیل نمود، بدین منظور معمولاً پیش از روش تبادل یونی از فرایند اکسایش استفاده می شود. در واقع انجام فرایند اکسایش پیش از روش مبادله یونی سبب تبدیل آرسنیت به آرسنات در آب می شود. البته باید توجه نمود که پس از انجام فرایند اکسایش باید مواد باقی مانده از قبل در رزین ها خارج شود و به نوعی رزین ها مورد احیا قرار بگیرند.

زمان زیاد انجام روش اکسیداسیون به فرایند تبادل یونی و رزین های حساس لطمه وارد می کند، بنابراین ضروری است که پیش از این فرایند زمان آن را بهینه کنیم. فرایند تبادل یونی رزینی برای حذف آرسنیک می توان توسط همه انواع رزین های کاتیونی و آنیونی انجام شود اما استفاده از رزین های آنیونی قوی انتخابی آرسنیک بدین منظور مناسب تر است. رزینی اختصاصی که برای حذف آرسنیک توسط شرکت پرولایت تولید شده است، رزین آنیونی مدل A300E می باشد. این رزین آنیونی قوی از نوع کلراید بوده و هنگامی که از آن برای حذف آرسنیک از آب استفاده می شود، در PH بین 8 تا 9 واکنش آرسنات کلراید رخ می دهد.

رزین تبادل یونی حذف بور:

بدن انسان شامل حدود 0.7 میلی گرم بر لیتر عنصر بور است که به عنوان یک عنصر ضروری در رژیم غذایی محسوب نمی شود. مصرف بیش از 5 میلی گرم از اسید بوریک می تواند موجب ایجاد مسمویت و علایمی مانند تهوع، استفراغ، لخته شدن خون و تحریک پوست و چشم در انسان گردد.

بور معمولاً در طبیعت به صورت اسید بوریک و نمک معادل آن وجود دارد. اسید بوریک را می توان به کمک رزین های تبادل یونی حذف نمود اما به علت شباهت آن با سیلیکات لازم است که فرایند تصفیه آب با دقت کافی انجام شود. رزین های تبادل یونی انتخابی بور نوعی رزین آنیونی ضعیف است که می تواند بور را در غلظت های بسیار پایین و در حضور یون های دیگر از آب حذف کند.