مشکلات رایج سیستم تبادل یونی

سیستم تبادل یونی (IX) در صنایع مختلف برای نرم کردن، تصفیه و جداسازی آب استفاده می شود. اگرچه شیمی واکنش های تبادل یونی در کاربردهای مختلف متفاوت است، اما بطور کلی می توان تبادل یونی را یک فرآیند تصفیه دانست که در آن یون‌های محلول با یون‌های دیگری  با بار الکتریکی مشابه جایگزین می‌شوند. اگر می‌پرسید که آیا سیستم تبادل یونی برای تاسیسات شما مناسب است، ابتدا باید بدانید “سیستم تبادل یونی چیست و چگونه کار می‌کند؟” این مقاله توضیح ساده ای از نحوه عملکرد فناوری تبادل یونی، آنچه می توانید از یک سیستم تبادل یونی انتظار داشته باشید و نحوه استفاده از آن را در کاربردهای صنعتی رایج ارائه می دهد:

سیستم تبادل یونی چیست و چگونه کار می کند؟

سیستم تبادل یونی آلاینده های یونی محلول را طی یک فرآیند فیزیکی-شیمیایی جدا می کند بطوریکه یون های نامطلوب با یون های دیگر با همان بار الکتریکی جایگزین می شوند. این واکنش در یک ستون تبادل یونی در حالیکه جریان آب از یک رزین خاص عبور داده می شود که تبادل یون ها را تسهیل می کند، رخ می دهد. یک مثال معمول سیستم تبادل یونی سختی گیر آب است که هدف آن حذف یون های کلسیم یا منیزیم آب است.

هنگامی که محلول از یک رزین تبادل یونی متشکل از یون های سدیم غلیظ عبور می کند، یون های کلسیم و منیزیم به طور موثر از محلول جدا شده و توسط رزین نگه داشته می شوند در حالی که یون های سدیم از رزین به جریان خروجی وارد می شوند. یک سیستم تبادل یونی از چه قسمت هایی تشکیل شده است؟ طراحی سیستم تبادل یونی چه از نظر مشخصات فیزیکی و چه از نظر نوع رزین باید متناسب با تاسیسات هر واحد انجام شود. اما به طور کلی یک سیستم تبادل یونی را می توان متشکل از اجزای زیر دانست:

  • رزین تبادل یونی
  • سیستم توزیع ورودی
  • سیستم توزیع احیا کننده
  • عناصر نگهدارنده
  • PLC، شیرهای کنترل و لوله کشی

رزین تبادل یونی حیاتی ترین عامل در طراحی سیستم IX است. ترکیبات موجود در جریان خوراک ورودی و همچنین سایر شرایط فرآیند، شکل هندسی، اندازه و مواد شیمیایی مورد استفاده در رزین تبادل یونی را تعیین می‌کنند.

طبق تعریف، یون ها اتم ها یا مولکول های باردار هستند. هنگامی که یک ماده یونی در آب حل می شود، مولکول های آن به کاتیون ها (ذرات با بار مثبت) و آنیون ها (ذرات با بار منفی) تجزیه می شوند. با بهره گیری از این ویژگی، سیستم تبادل یونی به طور انتخابی مواد یونی را بر اساس بارهای الکتریکی آنها جایگزین می کند. این کار با عبور دادن محلول یونی از یک رزین تبادل یونی انجام می شود که به عنوان ماتریکسی عمل می کند که در آن واکنش تبادل یونی انجام می شود.

معمولاً رزین‌های تبادل یونی ریزدانه‌های ریز متخلخلی هستند، که به‌صورت یک غشای ورقه‌مانند در دسترس هستند. رزین های تبادل یونی از پلیمرهای آلی مانند پلی استایرن ساخته می شوند که شبکه ای از هیدروکربن ها را تشکیل می دهند که تعداد زیادی از گروه های قابل یونیزاسیون را به صورت الکترواستاتیکی به هم متصل می کنند. همانطور که جریان پساب ورودی از رزین تبادل یونی عبور می کند، یون های آزاد در سطح رزین با یون هایی با میل ترکیبی بالاتر برای مواد رزین جایگزین می شوند. با گذشت زمان، رزین با یون های آلاینده اشباع می شود و باید بازسازی یا شارژ شود. این کار با شستشوی رزین با یک محلول احیا کننده انجام می شود. این محلول احیا کننده به طور معمول از نمک غلیظ، اسید یا محلول بازی تشکیل شده است. درواقع محلول احیاکننده، واکنش تبادل یونی را با پرکردن کاتیون ها یا آنیون های روی سطح رزین و رها کردن یون های آلاینده در فاضلاب معکوس می کند.

سیستم تبادل یونی چه آلاینده هایی را حذف می کند؟

رایج ترین کاربرد تبادل یونی نرم کردن زئولیت سدیم است، اگرچه کاربردهای رایج دیگری مانند تولید آب با خلوص بالا، رقیق کردن و حذف فلزات نیز دارد. سیستم تبادل یونی می تواند یک استراتژی بسیار موثر برای حذف آلاینده های محلول باشد، اگرچه رزین های تبادل یونی باید با دقت بر اساس مواد موجود در جریان خوراک انتخاب شوند، که در ادامه مقاله به بررسی این موضوع می پردازیم.

انواع رزین تبادل یونی و کاربردهای رایج آن

رزین های تبادل یونی آلاینده ها را بر اساس بار الکتریکی آنها هدف قرار داده و حذف می کنند. به جز چند مورد استثنا معمولا، رزین های کاتیونی یون های مثبت را تعویض می کنند، در حالی که رزین های آنیونی یون های منفی را تعویض می کنند. انواع اصلی رزین تبادل یونی و کاربردهای متداول آن ها در زیر مشخص شده است.

رزین کاتیونی

مبدل‌های کاتیونی را می‌توان به عنوان رزین‌های کاتیونی اسید قوی (SAC) یا رزین‌های کاتیونی اسید ضعیف (WAC) طبقه‌بندی کرد، که هر دو به طور گسترده برای املاح‌زدایی استفاده می‌شوند.

رزین های SAC نیز معمولاً برای نرم کردن استفاده می شوند، در حالی که رزین های WAC برای کاربردهای دی آکالیزاسیون استفاده می شوند. آلاینده های حذف شده توسط رزین های کاتیونی معمولاً عبارتند از:

  • کلسیم (Ca2+)
  • کروم (Cr3+ و Cr6+)
  • آهن (Fe3+)
  • منیزیم (Mg2+)
  • منگنز (Mn2+)
  • رادیوم (Ra2+)
  • سدیم (Na+)
  • استرانسیوم (Sr2+)
رزین کاتیونی اسیدی قوی (SAC)

رزین های کاتیونی اسیدی قوی اغلب بهترین انتخاب برای اهداف سختی گیری و دمینرالیزاسیون آب هستند. رزین‌های SAC روشی نسبتاً ایمن و مقرون‌به‌صرفه برای حذف سختی‌های رسوب‌ساز مانند کلسیم و منیزیم هستند، و با محلول نمک غلیظ مانند محلول نمک کلرید سدیم احیا می شوند.

رزین کاتیونی اسیدی ضعیف (WAC)

رزین های کاتیونی اسیدی ضعیف یک انتخاب مقرون به صرفه برای کاربردهای دی آلکالیزاسیون هستند که در آن آب خوراک دارای نسبت بالایی از سختی به قلیاییت است. رزین WAC این کار را با حذف کاتیون‌های دو ظرفیتی (مانند کلسیم) و جایگزینی آنها با هیدروژن/سدیم بسته به شرایط فرآیند انجام می‌دهد. بسته به نیاز فرآیند، فرآیند تبادل یونی ممکن است با گاز زدایی و/یا تنظیم pH ادامه پیدا کند.

رزین آنیونی

مبدل های آنیونی را می توان به دو دسته رزین های آنیون پایه قوی (SBA) یا رزین های آنیون پایه ضعیف (WBA) طبقه بندی کرد. رزین های SBA اغلب برای دمینرالیزاسیون استفاده می شوند، در حالی که رزین های WBA اغلب برای جذب اسید استفاده می شوند. آلاینده های حذف شده توسط رزین های آنیونی معمولاً عبارتند از:

  • آرسنیک
  • کربناتها (CO3)
  • کلریدها (Cl–)
  • سیانید (CN–)
  • فلوراید
  • نیترات ها (NO3)
  • پرکلرات (ClO4-)
  • آنیون سولفونات پرفلوروکتان (PFOS)
  • پرفلوروکتانوئیک اسید (PFOA)
  • سیلیس (SiO2)
  • سولفات ها (SO4)
  • اورانیوم
رزین آنیونی پایه قوی (SBA)

رزین های آنیونی پایه قوی انواع مختلفی دارد که هرکدام برای یک کاربرد خاص مناسب هستند. رزین های SBA برای حذف سیلیس، به ویژه برای جریان هایی با محتوای اسید معدنی آزاد کم (FMA) خوب هستند. از دیگر کاربردهای عالی رزین های SBA می توان به حذف اورانیوم اشاره کرد. رزین‌های SBA برای حذف نیترات‌ها (NO3) نیز مؤثر هستند، اگرچه اگر آب خوراک حاوی غلظت‌های بالایی از سولفات باشد، ممکن است بازدهی آن به دلیل چرخه‌های احیای بیش از حد به خطر بیفتد. در نهایت، رزین های SBA می توانند به هالوژن ها نیز متصل شوند.

رزین آنیونی پایه ضعیف (WBA)

رزین های آنیونی پایه ضعیف برای کاربردهای یونیزاسیون که در آن حذف دی اکسید کربن (CO2) و/یا دی اکسید سیلیکون (SiO2) مورد نیاز نیست، موثر هستند. رزین های WBA برای جذب اسید نیز موثر هستند، زیرا برای خنثی کردن اسیدهای معدنی قوی کار می کنند.

رزین های تخصصی

در حالی که رزین های تخصصی تبادل یونی برای کاربردهای صنعتی خاص بسیار موثر هستند، اما هزینه بسیاری دارند. به عنوان مثال، رزین های کیلیت به طور گسترده برای کنترل غلظت و حذف فلزات مانند کبالت (Co2+) و جیوه (Hg و Hg2+)در محلول های رقیق استفاده می شود. به طور مشابه، رزین های تبادل یون مغناطیسی (MIEX) اغلب برای حذف مواد آلی طبیعی از آب خوراک استفاده می شوند.

رزین کیلیت ساز

رزین های کیلیت برای حذف و/یا بازیافت فلزات از محلول ها، از جمله محلول هایی با غلظت بالای جامدات محلول ، موثر هستند. کاربردهای رزین کیلیت شامل تصفیه آب نمک سدیم (Na)، پتاسیم (K) و لیتیوم (Li) برای تغذیه سلول‌های الکتروشیمیایی، هیدرومتالورژی، غلظت فلزات و بازیابی فلزاتی مانند کادمیوم (Cd)، کبالت (Co)، نیکل (Ni) است. و مس می شود.

فروش مواد شیمیایی تصفیه آب و فاضلاب

شرکت دکتر کمیکال تامین کننده انواع مواد شیمیایی مودنیاز صنعت تصفیه آب و فاضلاب  می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه خرید مواد شیمیایی و قیمت با کارشناسان بخش فروش در تماس باشید.

آیا تاسیسات شما به سیستم تبادل یونی نیاز دارد؟

سیستم تبادل یونی معمولاً در صنایع مختلف به ویژه صنایع شیمیایی و پتروشیمی، نیرو، معدن و فلزات، مواد غذایی و آشامیدنی، داروسازی، شهری، نیمه هادی ها و غیره استفاده می شود. تبادل یونی می تواند یک راه حل کارآمد برای کاربردهای مختلف از جمله نرم کردن آب، تصفیه، جداسازی و پیش تصفیه برای محافظت از تجهیزات پایین دست و بهبود بازده عملیاتی باشد. اگر به دنبال راهبردهای پیش تصفیه مقرون به صرفه یا جداسازی تخصصی هستید، ممکن است از خود بپرسید “آیا تاسیسات صنعتی شما نیز به سیستم تبادل یونی نیاز دارد؟” سیستم تبادل یونی ممکن است برای واحد صنعتی شما مناسب باشد اگر:

واحد صنعتی شما نیاز به کاهش سختی دارد.

سخت به آبی اطلاق می شود که محتوای مواد معدنی محلول بالایی دارد که معمولاً از یون های کلسیم و منیزیم تشکیل شده است. در حالی که محتوای معدنی برای آب آشامیدنی قابل قبول و حتی ارجح است، سختی باعث تشکیل رسوب آسیب‌رسان بر روی تجهیزات صنعتی مانند بویلرها، برج‌های خنک‌کننده و لوله‌ها می‌شود. نرم کننده تبادل یونی برای کاهش سختی موثر است،  به خصوص اگر تاسیسات شما از دیگ های فشار پایین استفاده می کند. نرم کننده تبادل یونی از رزین های SAC برای تبادل یون های سختی با سدیم استفاده می کند. این بدان معنی است که نرم کننده تبادل یونی با محلول های نمک نسبتا ایمن و کم هزینه بازسازی می شود. با این حال، برای جلوگیری از چرخه‌های بازسازی بیش از حد و زمان‌های غیر ضروری، نرم‌کننده تبادل یونی برای مواردی با مواد جامد محلول کم (TDS) مناسب‌تر است، در حالی که سایر فناوری‌ها، مانند نرم‌کننده آهک، عموماً برای تصفیه آب با غلظت‌های سختی بالا مناسب‌تر هستند.

فرآیندهای شما نیاز به آب با خلوص بالا دارند.

تبادل یونی آب با خلوص بالا تولید می‌کند که ممکن است انتخاب مناسبی برای تصفیه آب خوراک برای دیگ های بخار فشار بالا یا برای سایر کاربردها در صنایع شیمیایی، برق، الکترونیک، هسته‌ای یا سایر صنایع باشد. در مقایسه با نرم‌سازی تبادل یونی، دمینرالیزاسیون تبادل یونی شامل فرآیند چند مرحله‌ای پیچیده‌تر است. در مرحله اول، جریان از طریق یک رزین تبادل کاتیونی برای حذف سختی، سدیم و سایر فلزات عبور داده می شود و در مرحله دوم، جریان با رزین تبادل آنیونی تصفیه می شود که آنیون هایی مانند کربنات، کلرید، سیلیس و سولفات در برخی موارد، را حذف می کند. مرحله سوم برای کاهش قلیاییت جریان اضافه می شود. علیرغم هزینه‌های اضافی که این سیستم چندواحدی دارد، سیستم تبادل یونی اغلب روش استانداردی برای تامین نیاز به آب با خلوص بالا است.

تاسیسات شما نیاز به کاهش قلیاییت دارد.

قلیایی بودن یا وجود دی اکسید کربن محلول (CO2)، بی کربنات (HCO3)، کربنات (CO3)، یا هیدروکسیل (OH) در آب، تأثیر منفی بر فرآیندهای حرارتی بالا، مانند کف کردن بیش از حد در بویلرها دارد. آلاینده‌های قلیایی می‌توانند باعث رسوب‌گذاری و خوردگی پرهزینه در بویلرها، لوله‌کشی‌ها و سایر تجهیزات شود. حذف قلیاییت می‌تواند عمر تجهیزات را طولانی‌تر کند و در هزینه‌های عملیاتی پایین‌دستی صرفه‌جویی کند.

در تاسیسات خود نیاز به حذف فلزات دارید.

سیستم‌های تبادل یونی اغلب برای جداسازی فلزات از محلول‌های رقیق استفاده می‌شود، واقعیتی که روز به روز در میان صنایع الکترونیک، نیمه‌رساناها و معدن و فلزات بیشتر رواج می یابد. بسته به پیچیدگی فرآیند یا جریان پساب، تبادل یونی را می توان برای جداسازی موثر فلزات مختلف از جمله کادمیوم، کروم، مس، سیانید، سرب، طلا، جیوه، نقره و روی استفاده کرد. اگر واحد صنعتی شما به دنبال راه‌هایی برای بازیابی فلزات با ارزش از جریان‌های پساب یا برآورده کردن الزامات زیست محیطی تخلیه فلزات است، تبادل یونی ممکن است یک راه‌حل ایده‌آل باشد.

به دنبال افزایش بازدهی فرآیند صنعتی خود هستید.

فیلتراسیون غشایی اغلب می تواند همان آلاینده های تبادل یونی را حذف کند، با این حال، غشاها فاقد انتخاب پذیری تبادل یونی هستند. با توجه به این که تبادل یونی می تواند یون های خاصی را برای حذف، هدف قرار دهد در حالی که مواد مطلوب را در محلول باقی گذارد، اگر مرکز شما به دنبال بهینه سازی بازده محصول است، تبادل یونی می تواند یک استراتژی جداسازی ارجح باشد. به عنوان مثال، در صنایع غذایی و نوشیدنی، تبادل یونی را می توان برای حذف رنگ ها، طعم ها و بوهای نامطلوب، بدون حذف ضایعات غیر ضروری محصول، به کار برد.

مشکلات رایج سیستم تبادل یونی

سیستم‌ تبادل یونی (IX) می‌تواند راه‌حلی کارآمد برای نیازهای مختلف کانی‌زدایی، و تصفیه فاضلاب باشد. در واقع، سیستم‌ تبادل یونی مزایای متعددی نسبت به عملیات شیمیایی دارد، زیرا معمولاً به فضای کمتر، نیروی کار کمتر، عدم دفع لجن و هزینه‌های عملیاتی کمتر نیاز دارند. در حالی که چنین مزایایی جذاب هستند، ممکن است این سوال مطرح شود که “مشکلات رایج در تبادل یونی چیست و چگونه آنها را برطرف کنیم؟” این مقاله به بررسی شرایط و مسائل کلیدی که کارایی کلی و مقرون به صرفه بودن سیستم‌های تبادل یونی را به خطر می‌اندازد، و همچنین برخی از استراتژی‌های مفید برای اصلاح  این مشکلات تبادل یونی می پردازد. مشکلات رایج تبادل یونی عبارتند از:

رسوب رزین

رزین‌های تبادل یونی با نگه‌داشتن یون‌های باردار الکتریکی کار می‌کنند. با این حال، برخی از آلاینده ها می توانند به رزین متصل شوند و از انجام واکنش های تبادل یونی بیشتر جلوگیری کنند. تا زمانی که این مشکل اصلاح نشود، رزین آلوده کیفیت پساب را به خطر می اندازد و گروه های عاملی یونی را نمی توان به راحتی از طریق یک چرخه بازسازی طبیعی بازسازی کرد. آلاینده هایی که اغلب در رسوب رزین نقش دارند عبارتند از:

  • آلومینیوم
  • یون های عامل سختی
  • اهن
  • منگنز
  • عوامل میکروبیولوژیکی
  • روغن
  • مواد آلی
  • سیلیس
  • سولفات

راه حل های ممکن

اگرچه رسوب رزین عملکرد سیستم تبادل یونی را کاهش می دهد، اما اغلب با اقدامات مناسب می توان این مشکل را برطرف کرد. به طور کلی، ترکیبات قلیایی برای حذف رسوب‌ها از رزین‌ آنیونی استفاده می‌شوند، در حالی که اسیدها یا عوامل کاهنده قوی برای حذف رسوب‌ها از رزین‌های کاتیونی استفاده می‌شوند. به طور مشابه، سورفکتانت‌ها معمولاً برای تمیز کردن روغن از رزین‌های آلوده استفاده می‌شوند، اگرچه لازم است در انتخاب سورفکتانتی که به خودی خود رزین را آلوده نکند، دقت شود. رسوب آلی هم بسیار رایج است و هم اصلاح آن نسبتاً دشوارتر است. استراتژی های پیشگیرانه برای رسوب گیری آلی شامل پیش کلره و شفاف سازی، فیلتراسیون کربن فعال، اعمال تبادل یونی چند مرحله ای با رزین های پایه ضعیف و قوی و استفاده از رزین های ویژه تبادل یونی است.

اکسیداسیون رزین

رزین های تبادل یونی از پلیمرهای شبکه ای تشکیل شده اند که قادر به مقاومت در برابر انواع مواد هستند. با این حال، آنها در برابر عوامل اکسید کننده، مانند نیترات ها، پراکسیدها، ترکیبات هالوژن، کلر، و ترکیبات هیپوکلریت و غیره آسیب پذیر هستند. هنگامی که اکسیدان ها در جریان خوراک وجود دارند، پلیمرهای رزین تبادل یونی را تجزیه می کنند و باعث تغییر شکل و فشرده شدن آنها در طول زمان می شود. این فشردگی جریان مایعات را از طریق بستر رزین مسدود می کند، که می تواند کارایی کلی واحد تبادل یونی را به خطر بیندازد و به دلیل کانالی شدن در بستر رزین منجر به کیفیت ناسازگار پساب شود.

راه حل های ممکن

در حالی که آسیب اکسیداسیون به رزین های تبادل یونی قابل برگشت نیست، می توان از طریق اقدامات پیش تصفیه مختلف از آن جلوگیری کرد. اقدامات پیشگیرانه رایج برای جلوگیری از اکسیداسیون شامل استفاده از فیلتراسیون کربن فعال، تابش اشعه ماوراء بنفش، یا پیش تصفیه شیمیایی از طریق استفاده از یک عامل کاهنده است.

تجزیه حرارتی رزین

دمای بسیار بالا یا پایین می تواند به طور دائمی کارایی رزین تبادل یونی را به خطر بیندازد. با گذشت زمان، تخریب حرارتی ساختار مولکولی رزین را تغییر می‌دهد به طوری که دیگر نمی‌تواند به گروه‌های عاملی یون‌ها که کلید واکنش تبادل یونی هستند، متصل شود و در نتیجه عملکرد عملیاتی و عمر محصول کوتاه‌تر می شود.

راه حل های ممکن

ظرفیت رزین تبادل یونی رابطه معکوس با دما دارد، بنابراین مهم است که دما عملیاتی توصیه شده و سایر شرایط فرآیند را در نظر بگیرید تا تخریب حرارتی در طول زمان به حداقل برسد. به طور کلی، رزین‌های کاتیونی نسبت به رزین‌های آنیونی در برابر تخریب حرارتی مقاوم‌تر هستند، اگرچه هر دو به طور کلی می‌توانند در برابر کاربردهای کوتاه گرمای زیاد برای استریل کردن گاه به گاه یا اهداف دیگر مقاومت کنند. در حالی که قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض دماهای شدید معمولاً به معنای عمر مفید کمتر رزین‌های تبادل یونی است، در برخی موارد هزینه‌های جایگزینی مکرر رزین ممکن است همچنان از هزینه‌های انرژی و تجهیزات مورد نیاز برای کنترل دما بیشتر نباشد.

سایر مشکلات مکانیکی و عملیاتی رزین تبادل یونی

انواع مختلفی از مشکلات مکانیکی، طراحی و عملیاتی وجود دارد که می‌تواند بر عملکرد سیستم تبادل یونی تأثیر منفی بگذارد، زیرا به تخریب زودرس رزین کمک می‌کند و کارایی آن را با مشکل مواجه می کند. این مشکلات معمولاً عبارتند از:

احیای ناقص رزین

اگر محلول احیا کننده رزین به طور نادرست انتخاب شود، عملکرد سیستم تبادل یونی کمتر از حد مطلوب خواهد بود.  توجه به دستورالعمل‌های سازنده برای غلظت احیاکننده، زمان کاربرد و کنترل جریان می‌تواند از بروز چنین مشکلاتی جلوگیری کند و عملکرد سیستم تبادل یونی را تضمین کند.

کانال سازی

کانال‌سازی زمانی اتفاق می‌افتد که مایعات به طور ناهموار از رزین عبور می‌کنند، در نتیجه مسیرهایی را ایجاد می‌کنند که منجر به تخلیه ناهموار رزین و نفوذ محلول تصفیه‌نشده به جریان خروجی می‌شود. کانال کشی می تواند ناشی از نرخ جریان نادرست، خرابی مکانیسم توزیع کننده، شستشوی معکوس ناکافی و مسدود شدن مواد جامد محلول یا دانه های رزین آسیب دیده باشد.

از بین رفتن یا مهاجرت رزین

از بین رفتن رزین زمانی اتفاق می‌افتد که دانه‌های رزین از یک ستون تبادل یونی خارج می‌شوند یا از یک ظرف به ظرف دیگر جریان می‌یابند. دلایل متعددی برای از دست دادن رزین وجود دارد، از جمله شستشوی معکوس بیش از حد و خرابی های مکانیکی در سایر تجهیزات نگهداری رزین. از بین رفتن رزین همچنین ممکن است ناشی از تکه تکه شدن دانه های رزین به دلیل قرار گرفتن در معرض دماهای بالا، کلر و/یا شوک اسمزی باشد که به ذرات رزین اجازه می دهد حتی از صفحه های نگهدارنده دست نخورده عبور کنند. این موضوع ظرفیت و کارایی کلی سیستم را کاهش می دهد. به عنوان مثال، در سیستم‌های دمینرالیزاسیون، مهاجرت رزین کاتیونی به واحد آنیون می‌تواند منجر به نشت سدیم و زمان شستشوی اضافی شود.

کدام سیستم تبادل یونی برای واحد صنعتی شما مناسب است؟

به دلیل ویژگی منحصر به فرد برای هدف قرار دادن انتخابی آلاینده های خاص ، سیستم تبادل یونی (IX) می توانند راه حل بسیار کارآمد برای جداسازی و تصفیه جریان های پساب باشد. اگرچه سیستم تبادل یونی بیشتر برای فرآیندهای نرم کننده مورد استفاده قرار می گیرد، اما به طور گسترده برای رسوب زدایی، خالص سازی، حذف فلزات و سایر مصارف تخصصی دیگر نیز استفاده می شود. با توجه به اثربخشی تبادل یونی برای کاربردهای بسیار متنوع، شناسایی سیستم تبادل یونی ایده آل برای نیازهای شما می تواند  یک موضوع چالش برانگیز باشد. اگر به فکر اضافه کردن یک سیستم تبادل یونی جدید به سیستم تصفیه خود یا ارتقاء یک سیستم قدیمی هستید، ممکن است بپرسید “چگونه بهترین سیستم تبادل یونی را برای تاسیسات صنعتی خود انتخاب کنم؟” خواه اهداف شما شامل کاهش هزینه های عملیاتی، کاهش ضایعات محصول یا افزایش کارایی باشد، در ادامه این مقاله عوامل کلیدی را که باید در هنگام ساخت یک سیستم تبادل یونی در نظر بگیرید، را بررسی می کنیم.

فرآیند های خود را بشناسید.

تبادل یونی یک استراتژی جداسازی انتخابی است، به این معنی که می توان از آن برای هدف قرار دادن آلاینده های یونی خاص در محلول استفاده کرد. بهترین سیستم تبادل یونی باید با توجه به جریان فرآیند شما، سطح خلوص مورد نظر و هزینه‌های مربوط به راه‌اندازی و نگهداری سیستم تصفیه شما طراحی شود. در حالی که در ظاهر ساده به نظر می رسد،  اما این متغیرها پیچیده و به هم مرتبط هستند، و تأثیر زیادی در انتخاب بهترین فناوری تبادل یونی برای نیازهای شما دارند.

از چه نوع رزین تبادل یونی باید استفاده کرد؟

یک واحد تبادل یونی از نظر مکانیکی بسیار ساده است، اساساً از ستونی تشکیل شده است که حاوی مواد خاصی به نام رزین تبادل یونی است. تمام کار یک سیستم تبادل یونی توسط رزین انجام می شود که به عنوان بستری برای تسهیل تبادل یون های دارای بار یکسان عمل می کند. در حالی که رزین تبادل یونی می تواند سرمایه گذاری اولیه قابل توجهی را در پی داشته باشد، اما رزین هایی که به درستی نگهداری می شوند می توانند عمر طولانی 4 تا 10 سال داشته باشند. بهترین طراحی‌سیستم تبادل یونی ، شرایط فرآیند و محتویات جریان خوراک را در نظر می‌گیرد تا هزینه‌های عملیاتی و زمان خرابی مرتبط با چرخه‌های بازسازی را به حداقل برساند و عمر قابل استفاده رزین را به حداکثر برساند.

ترکیبات رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی از پلیمرهایی که به شکل ریزدانه ها و به طور معمول غشاهای ورقه مانندی که در فرآیند الکترودیونیزاسیون استفاده می شوند، ساخته می شود. رایج‌ترین رزین‌ تبادل یونی از ژل یا پلیمرهای ماکرو متخلخل ساخته می‌شود که هر کدام برای شرایط فرآیندی خاصی مناسب‌ است.

به طور کلی، رزین های ژل برای عملیات استاندارد تصفیه آب بهترین هستند، زیرا ظرفیت و قابلیت احیاشوندگی بیشتری دارند. از سوی دیگر، رزین‌های ماکرو متخلخل برای شرایط تهاجمی بهترین هستند، زیرا مقاومت شیمیایی و مکانیکی بیشتر آن‌ها را قادر می‌سازد تا در برابر دماهای بالا، شوک اسمزی قابل توجه و/یا قرار گرفتن در معرض عوامل اکسید کننده مقاومت کنند.

پیکربندی ستون تبادل یونی

بسته به کاربرد مورد نظر و ویژگی‌های یک سیستم تصفیه، سیستم‌های تبادل یونی ممکن است شامل یک یا چند رزین و/یا چندین ستون تبادل یونی باشند. نمونه‌هایی از پیکربندی‌های رایج سیستم تبادل یونی در زیر آورده شده‌ است:

  • واحد چند بستری که حاوی رزین های کاتیونی و آنیونی در یک واحد هستند. این سیستم تبادل یونی، برای تولید آب با خلوص فوق العاده بالا با pH تقریباً خنثی و نیاز به آب شستشو کم استفاده می شود.
  • سیستم دوقلو شامل یک مجموعه زوجی از ستون های تبادل یونی است که یکی از آنها حاوی رزین SAC و دیگری حاوی رزین SBA است. سیستم های دوقلو تبادل یونی برای سختی گیری آب در شرایطی که به میزان خلوص دقیق نیاز نیست، استفاده می شود.
  • دی آلکالیزاسیون جریان تقسیم شده شامل دو بستر SAC است که به صورت موازی کار می کنند، جایی که آب خوراک بین دو بستر تقسیم می شود، یکی در چرخه سدیم به عنوان سختی گیر عمل می کند ، و دیگری به شکل هیدروژنی دیمینرالیزاسیون را انجام می دهد و قلیاییت را از بین می برد.

با توجه به تنوع گسترده رزین های تبادل یونی فکر می کنید از کجا شروع کنید؟ بهترین راه برای شناسایی یک برنامه تصفیه بهینه، انجام یک مطالعه روی تصفیه پذیری است. در مطالعات تصفیه پذیری اغلب از ترکیبی از تجزیه و تحلیل های آزمایشگاهی استفاده می‌کنند تا به شما کمک کند ساختار فرآیند و جریان‌های پساب را بهتر درک و ارزیابی کنید تا بتوانید تصمیم بگیرید که کدام استراتژی‌های خاص تصفیه در کارخانه شما خوب عمل می‌کنند. داده‌های تصفیه پذیری در محدود کردن حوزه وسیع رزین‌های تبادل یونی موجود و گزینه‌های طراحی سیستم بسیار مهم هستند و به محدود کردن جستجوی شما در مورد فناوری‌های تبادل یونی کمک می‌کند.

راه اندازی یک سیستم تبادل یونی چقدر هزینه دارد؟

هنگامی که شرکت های صنعتی به فناوری تبادل یونی نیاز دارند، یکی از اولین سوالاتی که معمولاً می شنویم این است: “راه اندازی یک سیستم تبادل یونی چقدر هزینه دارد؟ به دلیل همه عواملی که می توانند در مهندسی و چیدمان یک سیستم تبادل یونی نقش داشته باشند صحبت کردن در مورد هزینه دقیق این سیستم بسیار دشوار است. در ادامه این مقاله، در مورد اجزا یک سیستم تبادل یونی معمولی ، و عواملی که باعث بالا و پایین رفتن هزینه‌ها می‌شوند، و چند پیکربندی خاص سیستم تبادل یونی صحبت می کنیم. تبادل یونی طیف گسترده ای از فناوری ها را پوشش می دهد که یک یون را با یون دیگری مبادله می کند و از انواع مواد شیمیایی احیا کننده استفاده می کند.

همانطور که قبلا هم در مورد آن صحبت کردیم پیکربندی ها و رزین های بسیار متنوعی برای راه اندازی یک سیستم تبادل یونی وجودد دارد. اما هنگام برآورد هزینه ها باید به تجهیزات جانبی که یک سیستم تبادل یونی دارد نیز توجه کنیم چراکه ممکن است این سیستم به پمپ ها و مخازن خوراک اضافی نیاز داشته باشد. تعیین اینکه چه پیکربندی سیستم را تشکیل دهد تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می گیرد:

پیش تصفیه

قبل از ورود خوراک خام یا فاضلاب به سیستم تبادل یونی، معمولاً نوعی پیش تصفیه مانند میکروفیلتراسیون یا شفاف سازی معمولی مورد نیاز است. اینکه این پیش تصفیه چیست به آلاینده های موجود در منبع آب تاسیسات بستگی دارد. پیش تصفیه باید با دقت مورد توجه قرار گیرد زیرا در برخی موارد می تواند حدود 30 تا 50 درصد به کل هزینه کار اضافه کند. همچنین به خاطر داشته باشید که لجن حاصل از سیستم پیش تصفیه ممکن است نیاز به تصفیه با فیلتر پرس داشته باشد که در صورت نیاز باید در طرح سیستم گنجانده شود.

مواد شیمیایی و رزین ها

فرض کنید یک تاسیسات به یک سیستم تبادل یونی نیاز دارد که فلزات را از محلول نمک حذف کند. ممکن است دو ماده شیمیایی برای تمیز کردن رزین ها به طور منظم استفاده شود، بنابراین این مرکز باید این مواد شیمیایی و رزین ها را ذخیره و مدیریت کند. یکی از اصلی‌ترین چیزهایی که باید در اینجا برای آن برنامه‌ریزی کنید، یک سیستم انتقال مواد شیمیایی برای ذخیره مواد شیمیایی و تغذیه آن ها به سیستم تبادل یونی است. برای یک سیستم حمل و نقل شیمیایی صنعتی قوی با مخازن ذخیره سازی، پمپ های اندازه گیری و پمپ های حمل و نقل، بسته به اندازه آن باید هزینه کرد. در برخی از فاضلاب ها، تبادل یونی می تواند فلزات خاصی مانند نیکل، کادمیوم، سرب، یا جیوه و غیره را حذف کند. حذف این فلزات به رزین های تبادل یونی بسیار خاصی نیاز دارند که می تواند بسیار گران باشد. در مواردی مانند این، می توان فرآیند تبادل یونی را برونسپاری کرد و این بخش از تاسیسات را به پیمانکار خارجی سپرد.

شرکت دکتر کمیکال تامین کننده انواع مواد شیمیایی مودنیاز صنعت تصفیه آب و فاضلاب  می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه خرید مواد شیمیایی و قیمت با کارشناسان بخش فروش در تماس باشید.

پسا تصفیه

در پایان پس از تصفیه، آبی که از سیستم تبادل یونی خارج می شود، معمولاً مستقیماً به یک مخزن بزرگ می رود (در صورت نیاز برای پالایشگاه ها و نیروگاه های بزرگ، که معمولاً یک تا دو روز آب ذخیره می کنند تا از خرابی جلوگیری کنند. ) بنابراین هزینه آن مخزن و هر پمپ مربوطه باید در نظر گرفته شود.

عوامل اصلی هزینه سیستم تبادل یونی

در مجموع، چهار عامل اصلی وجود دارد که باعث نوسان در هزینه یک سیستم تصفیه تبادل یونی می شود:

این عوامل عبارتند از نرخ جریان، کیفیت آب ورودی، ترکیب شیمیایی جریان و تجهیزات مورد نیاز.

  • نرخ جریان مورد نیاز سیستم چقدر است؟ به عبارت دیگر چه مقدار آب در روز و با چه سرعتی وارد فرآیند می شود؟
  • کیفیت آب ورودی به تاسیسات چگونه است و چه سطحی از آلودگی قابل قبول است؟
  • ترکیب شیمیایی و یونی جریان چیست؟
  • چه تجهیزاتی مورد نیاز است؟

اگر بتوانید به این سؤالات پاسخ دهید، میتوانید نیازهای خود را محدود کرده و درک بهتری از هزینه های سیستم تبادل یونی که با نیاز های واحد صنعتی شما مظابقت دارد، پیدا کنید.

نرخ جریان

به طور کلی، اگر کارخانه شما به طور مداوم با سرعت جریان کمتری کار کند، معمولاً هزینه راه اندازی سیستم تبادل یونی کمتر خواهد بود. نرخ جریان همیشه در هزینه سیستم لحاظ می‌شود، بنابراین مطمئن شوید که قبل از درخواست قیمت، آن را تا حد امکان به طور موثر اندازه‌گیری کرده‌اید تا برآورد هزینه دقیقی برای سیستم خود داشته باشید.

چند ماده جامد باید حذف شود؟

حجم مواد جامد محلولی که تأسیسات باید از هر گالن آب خارج کند (معمولاً بر حسب بخش در میلیون اندازه گیری می شود) عامل مهمی است که در برنامه ریزی یک سیستم تبادل یونی نقش دارد، زیرا هر چه حجم آلاینده ها بیشتر باشد، مخازن تبادل یونی بزرگتر می شود.

شیمی آب و یون

همراه با حجم یون هایی که باید حذف شوند، دانستن شیمی یون ها نیز مهم است:

  • چه یون هایی و در چه نسبت هایی وجود دارند؟
  • چه مقدار جامدات معلق و جامدات محلول کل (TDS) وجود دارد؟
  • ترکیب TDS چیست؟
  • سختی، کلرید، سدیم، سیلیس چقدر است؟
  • سایر یون های موجود در آب چیست؟

پاسخ این سوالات روی نوع تجهیزات شما و تعداد مخازن و نوع رزین ها تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، گاهی اوقات از تبادل یونی برای جداسازی مواد معدنی با ارزش مانند طلا، نقره، اورانیوم و غیره استفاده می شود و نحوه شارژ رزین ها بر میزان کارآمدی آن ها در حذف این مواد معدنی تأثیر می گذارد.

تجهیزات مورد نیاز

برخی از تاسیسات با استفاده از لوله های PVC و مخازن FRP برای جریان های کمتر با کنترل های بسیار ساده به خوبی عمل می کنند. برخی دیگر، مانند آن هایی که هزاران گالن در دقیقه فرآوری می کنند، می بایست از فولاد ضد زنگ ساخته شوند. قیمت این مواد از پلاستیک‌های ارزان قیمت گرفته تا مخازن و/یا لوله‌ها با روکش لاستیکی یا فولاد ضد زنگ باید در نظر گرفته شود.

مقالات مرتبط