رزین تبادل یونی یا پلیمر تبادل یونی یک رزین یا پلیمر است که به عنوان یک محیط برای مبادله یون عمل می‌کند. این رزین یک ماتریس نامحلول (یا ساختار نگهدارنده) است که به‌طور معمول در شکل میکرومهره‌های کوچک (۰٫۲۵–۰٫۵ میلی‌متر شعاع)، معمولاً سفید یا زرد، ساخته شده از یک بستر پلیمر ارگانیک می‌باشد. دانه‌ها معمولاً متخلخل هستند و مساحت جانبی داخلی و خارجی بالایی ایجاد می‌کنند. به دام افتادن یون‌ها با آزاد شدن یون‌های دیگر همراه است، به همین دلیل به آن فرایند تبادل یون گفته می‌شود. انواع مختلفی از رزین‌های تبادل یونی وجود دارند. اکثر رزین‌های موجود در بازار از پلی استایرن سولفونات ساخته شده‌اند.

رزین‌های تبادل یونی به‌طور گسترده‌ای در فرایندهای جداسازی، تصفیه و ضدعفونی کردن استفاده می‌شود. شایع‌ترین کاربردهای آن رسوب‌زدایی و تصفیه آب است. در بسیاری از کاربردهای این چنینی، رزین‌های تبادل یونی به عنوان یک جایگزین انعطاف پذیرتر به جای استفاده از زئولیت‌های طبیعی یا مصنوعی معرفی شدند. همچنین رزین‌های تبادل یونی در فرایند فیلتراسیون بیودیزل بسیار کاربردی هستند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیت‌هایی بودند. این زئولیت‌ها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیون‌هایی از قبیل سولفات، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌ماندند. چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه ۱۹۳۰ در هلند زئولیت‌هایی ساخته شد که به جای سدیم فعال، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیت‌ها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف شدند، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیت آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب، گام‌های اساسی در سال ۱۹۴۴ برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیون‌های آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه‌گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید؛ بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود؛ و امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب به کار می‌روند رزین‌های سنتزی (مصنوعی) هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.

انواع رزین

اکثر رزین‌های متداول مورد استفاده بر پایه پلی استایرین اتصال عرضی هستند. نواحی تبادل-یونی واقعی پس از پلیمری شدن ایجاد می‌شوند. به علاوه، در مورد پلی استایرین، اتصال عرضی پس از کوپلیرمریزاسیون استایرین و درصد کمی دی‌واینیل بنزین (divinylbenzene) اتفاق می‌افتد. اتصال عرضی ظرفیت تبادل یونی رزین را کاهش داده و باعث افزایش زمان فرایند تبادل یون می‌شود، اما باعث توانمندی رزین می‌شود. اندازه ذرات نیز از پارامترهای تأثیرگذار در تبادل یون است؛ ذرات کوچکتر باعث بهبود تبادل یون شده اما از طرفی باعث افزایش افت فشار آب در طول مسیر ستون تبادل یون می‌شود. علاوه بر اینکه رزین‌ها به شکل دانه‌های ریز ساخته می‌شوند، برخی رزین‌ها به شکل ممبران (غشا) نیز ساخته می‌شوند. از ممبران‌های تبادل یونی، که از رزین‌های تبادل یونی اتصال عرضی ساخته شده‌اند و فقط به یون‌ها اجازه عبور می‌دهند، و نه آب، در الکترودیالیز استفاده می‌شود.

۴ گونه اصلی از رزین‌ها وجود دارد که در گروه عاملی با هم تفاوت دارند:

• اسیدی قوی، معمولاً حاوی گروه‌های سولفونیک اسید هستند، برای مثال پلی استایرن سولفونات، یا PolyAMPS.
• قلیایی قوی، معمولاً حاوی گروه‌های ۴ تایی آمینو هستند، برای مثال گروه‌های کاتیون آمونیوم نوع چهارم. مثال: PolyAPTAC.
• اسیدی ضعیف، معمولاً حاوی گروه‌های کربوکسیلیک اسید هستند.
• قلیایی ضعیف، معمولاً حاوی گروه‌های آمینو اولیه، ثانویه و ثالث هستند. مثال: پلی‌اتیلن‌ایمین.

دیونایزر بستر مختلط

دیونایزر بستر مختلط یا دیونایزر میکس بِد (به انگلیسی:Mixed Bed Deionizer) مخلوطی از رزین‌های آنیونی و کاتیونی با نسبت ۵۰/۵۰ است که درون یک ستون تبادل یونی مشترک و به صورت مختلط قرار دارند و برای فرایند حذف یون از آب یا محلول‌ها از آن استفاده می‌شود. اگر پیش تصفیه مناسب انجام شود با عبور از فقط یک ستون دیونایزر بستر مختلط می‌توان به آب با بالاترین خلوص‌ها دست پیدا کرد. در اکثر موارد برای شفاف سازی نهایی آب و حذف یون‌های اندک باقی مانده در آب از ستون‌های تبادل یونی بستر مختلط استفاده می‌شود. واحدهای کوچک و خانگی توانایی احیای مجدد ندارند ولی دستگاه‌های صنعتی و تجاری به گونه ای ساخته شده‌اند که قابلیت احیای رزین در آنها وجود دارد. به خاطر سختی و هزینه بالای نسبی احیای آن ها، از این دستگاه‌ها فقط در کاربردهایی استفاده می‌شود که به آب با خلوص فوق‌العاده بالا نیاز باشد.

برخی از کاربردهای رزین‌ها

• رزین‌های کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیون‌های سختی آور آب بلکه همه یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا این نوع رزین‌های کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.

• با رزین‌های کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کاتیون ها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا باید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا، آهن و منگنز محلول در اب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.

• با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان  را که جز اسید آمینه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خوک ها، ماکیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسید آمینه، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندی های آن ها در مصرف مواد خام و ... است با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

• حذف سیلیکا از آب های صنعتی با استفاده از رزین‌های آنیونی قوی

• حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت)

• فرایند ایده‌آل شده سختی‌گیری-آب، که شامل جایگزینی یون‌های کلسیم آب با یون‌های اهدایی توسط رزین تبادل-کاتیونی می‌باشد. در این کاربرد از رزین‌های تبادل یونی برای جایگزین کردن یون‌های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت با یون‌های سدیم استفاده می‌شود. هنگامی که رزین تازه است، حاوی یون‌های سدیم در نقاط فعالش می‌باشد. هنگامی که این رزین با یک محلول حاوی یون‌های منیزیم و کلسیم در تماس قرار می‌گیرد که غلظت یون‌های سدیم آن کم است، یون‌های منیزیم و کلسیم از محلول به محل فعال در رزین منتقل می‌شوند و در محلول با یون‌های سدیم جایگزین می‌شوند. این روند با غلظت بسیار پایین منیزیم و یون کلسیم در محلول نسبت به حالت شروع آن به تعادل می‌رسد.
• رزین را می‌توان با شستشوی آن با یک محلول حاوی غلظت بالای یون‌های سدیم احیا کرد (به عنوان مثال مقدار زیادی از نمک معمولی (NaCl) در آن حل شده باشد). یون‌های کلسیم و منیزیم از رزین مهاجرت می‌کنند و با یون‌های سدیم محلول جایگزین می‌شوند تا حالت تعادل تازه ای به دست آید. از نمک برای احیای یک رزین تبادل یونی استفاده می‌شود که خود آن برای سختی‌گیری آب استفاده می‌شود.

• در این کاربرد، از رزین‌های تبادل یونی برای حذف یون‌های سمی (به عنوان مثال مس) و فلزات سنگین (به عنوان مثال سرب یا کادمیوم) از محلول استفاده می‌شود و آن ها را با یون‌های کم ضررتر مانند سدیم و پتاسیم جایگزین می‌کنند.

• رزین‌های تبادل یونی کمی موجودند که می‌توانند کلر یا آلاینده‌های آلی را از آب حذف کنند. این کار معمولاً با استفاده از یک فیلتر کربن فعال شده (زغال) همراه با رزین انجام می‌شود. البته برخی رزین‌های تبادل یونی، مانند رزین‌های تبادل یون مغناطیسی قادر به حذف یون‌های آلی می‌باشند. رزین دستگاه تصفیه آب خانگی معمولاً احیا نمی‌شود - رزین زمانی که دیگر نمی‌تواند استفاده شود، از بین می‌رود.

• برای کاربردهای الکترونیک، آزمایش‌های علمی، تولید ابررساناها و صنعت هسته ای و… آب با بالاترین خلوص ممکن مورد نیاز است. چنین آبی را معمولاً با استفاده از فرایندهای تبادل یونی یا ترکیبی از غشا و روش‌های تبادل یونی تولید می‌کنند.

• از رزین‌های تبادل یونی برای تولید شکر از منابع مختلف استفاده می‌شود. از این رزین‌ها برای تبدیل یک نوع شکر به نوع دیگری از شکر، بی‌رنگ کردن آن و همچنین خالص سازی شربت شکر استفاده می‌شود.

مزایا :

سختی گیر های تبادل یونی، تمامی نیاز های آب نرم واقعی را برای مصارف خانگی و صنعتی، برآورده  می کنند.

معایب:

گران بودن آن ها، بالا بودن هزینه راه اندازی و نگهداری آن ها، و جاگیر بودن سختی گیر.

اشکال دیگر، این است که آب سختی گیری شده حاوی سدیم بوده که برای آشامیدن مناسب نیست. البته این مشکل را می توان با درنظر گرفتن یک خروجی که آب سختی گیری نشده از آن بیرون می آید، حل نمود. یک راه حل دیگر برای از بین بردن محتویات سدیم، استفاده از دستگاه تقطیر کننده آب می باشد.