مقدمه:

   پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بخصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

   رزین‌های موازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال ، یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکالهای آنیونی SO^2-₃ می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل ⁺H یا ⁺Na به آن هستند.

   رزینهای تبادلگر یونی

   روشهای تبادل یونی ، براساس تبادل برگشت پذیر یونها بین و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب، غیر محلول بوده ، دارای گروههایی به‌صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیانها ، عوامل اصلی تبادل یون هستند. اجزا تشکیل دهنده فاز جامد ، ممکن است از ترکیبات معدنی شبیه زئولیتها باشند که اسکلت آنها از آلومینو سیلیکاتها تشکیل شده‌اند. این ترکیبات چون در مقابل اسیدها و بازها مقاومت چندانی ندارند، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیبات معدنی جدید از مشتقات ZrO2 ساخته شده‌‌اند که زیرکونیوم فسفات ، زیرکونیوم تنگستات و زیرکونیوم مولیبدات از آن جمله هستند. برای جداسازی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی از هم مفید هستند.

   رزین تبادلگر یونی ، منشاء آلی دارند و از پلیمرهای با زیاد تشکیل شده‌اند. تشکیل این رزین‌ها بر اساس پلیمریزاسیون پلی‌استایرن و دی‌وینیل بنزن پایه‌گذاری شده است که همراه با ترکیبات دیگر نظیر تری‌کلرو آنیلین یا اسید سولفوریک ترکیب تبادلگر یونی آنیونی و کاتیونی را می‌دهد. افزایش پیوندهای عرضی ، خصوصیات رزین را از نظر آبگیری و نفوذ یونها تغییر می‌دهد.

تقسیم بندی رزینها

   تبادلگرهای یونی شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. تبادلگرهای کاتیون شامل گروههای RCOOH یا R-SO3H هستند. تبادلگرهای یونی را می‌توان برحسب قدرت تبادلی و فعالیت گروههای فعالشان به دو دسته تقسیم می‌کنند.

تبادلگر بازی

تبادلگر بازی ضعیف با فرمول عمومی R-CH3NH3OH

تبادلگر بازی قوی با فرمول عمومی +(CH3)2Cl- RCH3N

تبادلگر اسیدی

تبادلگر اسیدی قوی به صورت R-SO3H

تبادلگر اسیدی ضعیف به صورت R-COOH

ستون تبادل یونی

   آزمایشهای تبادل یون را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یعنی عبور مقدار معینی محلول از ستون حاوی رزین یا به‌صورت جریان پیوسته محلول از بالا به پائین ستون انجام داد. ستون همیشه باید از آب مقطر پر باشد و حبابهای هوا در قسمت رزین وجود نداشته باشد. دانه‌های رزین ، آب را جذب کرده ، متورم می‌شوند.

اگر منظور ، جدا کردن و بدست آوردن یونهای موجود در یک محلول باشد، پس از عبور نمونه از ستون توسط جریان مداومی از محلول شستشو دهنده ، اجزای موردنظر از ستون خارج می‌شوند. بعد از خاتمه آزمایش باید ستون را با آب مقطر پر کرد. محلولی که وارد ستون می‌شود، جریان ورودی و محلولی که از ستون خارج می‌شود جریان خروجی نام دارد.

تعادل تبادل یونی

   برای روشنتر شدن واکنشهای تبادل یونی رزینهای اسیدی و بازی را به‌صورت RH و ROH نشان می‌دهیم. طبق واکنشهای زیر:

 
   یونهای سدیم و کلرید با یونهای هیدروژن و یون هیدروکسیل تبادل می‌شوند. در صورتی که رزین تبادلگر یونی به‌صورت R-Na با محلول کلرید سدیم در تعادل باشد، می‌توان گفت که حاصلضرب فعالیت یونهای سدیم و کلرید در سطح رزین و محلول نمک در حال تعادل با رزین برابر است. این مفهوم از تعادل دانن نتیجه می‌شود.

ظرفیت تبادل یونی

   ظرفیت تبادل یون ، عبارت است از وزن یونهایی که در واحد حجم یا واحد وزن رزین قابل تعویض است. بنابرین هر رزین ، دارای ظرفیت حجمی یا ظرفیت وزنی است. ظرفیت حجمی براساس حجم رزین آب گرفته تعیین می‌شود.

ضریب توزیع

نسبت یونها در هر گرم رزین خشک بر مقدار آنها در هر میلی لیتر محلول را ضریب توزیع می‌گویند.

برای تبادل کننده‌های یونی ، یونهای با بار مخالف ، ضریب توزیع به غلظت محلول خارجی بستگی دارد. مثلا هنگامی که رزین اشباع شده با کلسیم با محلول کلرید سدیم تماس داده شود، ازدیاد غلظت نمک ، سبب تعویض سدیم با کلسیم می‌گردد. ولی هنگامی که رزین ، یونهای کلسیم را دریافت می‌کند، نیروهای جذبی نقش اساسی دارند.

کاربرد رزینها

در صنعت برای گرفتن یا کاهش سختی آب و یون زدایی آن ، از تبادلگرهای یونی استفاده می‌شود. آب یون زدایی شده ، فاقد ناخالصی‌های دی‌اکسید کربن و است و در آب مقطر وجود دارد. یکی دیگر از کاربردهای تبادلگرهای یونی رزینی ، شیرین کردن آب دریا با جداسازی نمکهای سدیم و پتاسیم و منیزیم ، بوسیله رزین‌ها می‌باشد و برای جدا کردن یونهای فلزی به‌صورت ترکیبات آنیونی هم از رزین‌ها استفاده می‌شود. یک مورد دیگر ، تعیین غلظت کل نمکهای محلول در آب است.

احیاء رزین

پس از مدتی ، ظرفیت رزینها از نظر تبادل یونی تکمیل می‌شود. در نتیجه ، باید تبادلگرهای کاتیونی و آنیونی را با افزایش اسید یا باز رقیق فعال کرد. این عمل را احیا یا بازسازی می‌نامند. در کارخانه‌هایی که فقط از زئولیت استفاده می‌شود، فعال کردن و بازسازی آن با افزایش محلول ده درصد کلرید سدیم انجام می‌شود.