مشکلات رایج سیستم تبادل یونی

سیستم تبادل یونی (IX) در صنایع مختلف برای نرم کردن، تصفیه و جداسازی آب استفاده می‌شود. اگرچه شیمی واکنش‌های تبادل یونی در کاربردهای مختلف متفاوت است؛ اما به‌طورکلی می‌توان تبادل یونی را یک فرایند تصفیه دانست که در آن یون‌های محلول با یون‌های دیگری با بار الکتریکی مشابه جایگزین می‌شوند.

اگر می‌پرسید که آیا سیستم تبادل یونی برای تأسیسات شما مناسب است، ابتدا باید بدانید “سیستم تبادل یونی چیست و چگونه کار می‌کند؟” این مقاله توضیح ساده‌ای از نحوه عملکرد فناوری تبادل یونی، آنچه می‌توانید از یک سیستم تبادل یونی انتظار داشته باشید و نحوه استفاده از آن را در کاربردهای صنعتی رایج ارائه می‌دهد:

سیستم تبادل یونی چیست و چگونه کار می کند؟

سیستم تبادل یونی آلاینده‌های یونی محلول را طی یک فرایند فیزیکی – شیمیایی جدا می‌کند بطوریکه یون‌های نامطلوب با یون‌های دیگر با همان بار الکتریکی جایگزین می‌شوند. این واکنش در یک ستون تبادل یونی درحالی‌که جریان آب از یک رزین خاص عبور داده می‌شود که تبادل یون‌ها را تسهیل می‌کند، رخ می‌دهد. یک مثال معمول سیستم تبادل یونی سختی‌ گیر آب است که هدف آن حذف یون‌های کلسیم یا منیزیم آب است.

هنگامی که محلول از یک رزین تبادل یونی متشکل از یون‌های سدیم غلیظ عبور می‌کند، یون‌های کلسیم و منیزیم به طور مؤثر از محلول جدا شده و توسط رزین نگه داشته می‌شوند درحالی‌که یون‌های سدیم از رزین به جریان خروجی وارد می‌شوند.

یک سیستم تبادل یونی از چه قسمت‌هایی تشکیل شده است؟

طراحی سیستم تبادل یونی چه از نظر مشخصات فیزیکی و چه از نظر نوع رزین باید متناسب با تأسیسات هر واحد انجام شود. اما به‌طورکلی یک سیستم تبادل یونی را می‌توان متشکل از اجزای زیر دانست:

• رزین تبادل یونی
• سیستم توزیع ورودی
• سیستم توزیع احیاکننده
• عناصر نگهدارنده
• PLC، شیرهای کنترل و لوله‌کشی

رزین تبادل یونی حیاتی‌ترین عامل در طراحی سیستم IX است. ترکیبات موجود در جریان خوراک ورودی و همچنین سایر شرایط فرایند، شکل هندسی، اندازه و مواد شیمیایی مورداستفاده در رزین تبادل یونی را تعیین می‌کنند.

طبق تعریف، یون‌ها اتم‌ها یا مولکول‌های باردار هستند. هنگامی که یک ماده یونی در آب حل می‌شود، مولکول‌های آن به کاتیون‌ها (ذرات با بار مثبت) و آنیون‌ها (ذرات با بار منفی) تجزیه می‌شوند. با بهره‌گیری از این ویژگی، سیستم تبادل یونی به طور انتخابی مواد یونی را بر اساس بارهای الکتریکی آنها جایگزین می‌کند.

این کار با عبوردادن محلول یونی از یک رزین تبادل یونی انجام می‌شود که به‌عنوان ماتریکسی عمل می‌کند که در آن واکنش تبادل یونی انجام می‌شود.

معمولاً رزین‌های تبادل یونی ریزدانه‌های ریز متخلخلی هستند که به‌صورت یک غشای ورقه‌مانند در دسترس هستند. رزین‌های تبادل یونی از پلیمرهای آلی مانند پلی‌استایرن ساخته می‌شوند که شبکه‌ای از هیدروکربن‌ها را تشکیل می‌دهند که تعداد زیادی از گروه‌های قابل یونیزاسیون را به‌صورت الکترواستاتیکی به هم متصل می‌کنند.

همان‌طور که جریان پساب ورودی از رزین تبادل یونی عبور می‌کند، یون‌های آزاد در سطح رزین با یون‌هایی با میل ترکیبی بالاتر برای مواد رزین جایگزین می‌شوند. باگذشت زمان، رزین با یون‌های آلاینده اشباع می‌شود و باید بازسازی یا شارژ شود. این کار با شستشوی رزین با یک محلول احیاکننده انجام می‌شود.

این محلول احیاکننده به طور معمول از نمک غلیظ، اسید یا محلول بازی تشکیل شده است. درواقع محلول احیاکننده، واکنش تبادل یونی را با پرکردن کاتیون‌ها یا آنیون‌های روی سطح رزین و رهاکردن یون‌های آلاینده در فاضلاب معکوس می کند.

سیستم تبادل یونی چه آلاینده‌هایی 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 می‌تواند یک استراتژی بسیار مؤثر برای حذف آلاینده‌های محلول باشد، اگرچه رزین‌های تبادل یونی باید بادقت بر اساس مواد موجود در جریان خوراک انتخاب شوند که در ادامه مقاله به بررسی این موضوع می‌پردازیم.

انواع رزین تبادل یونی و کاربردهای رایج آن

رزین‌های تبادل یونی آلاینده‌ها را بر اساس بار الکتریکی آنها هدف قرار داده و حذف می‌کنند. به جز چند مورد استثنا معمولاً، رزین‌های کاتیونی یون‌های مثبت را تعویض می‌کنند، درحالی‌که رزین‌های آنیونی یون‌های منفی را تعویض می‌کنند.

انواع اصلی رزین تبادل یونی و کاربردهای متداول آن‌ها در زیر مشخص شده است:

رزین کاتیونی

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

رزین‌های SAC نیز معمولاً برای نرم کردن استفاده می‌شوند، درحالی‌که رزین‌های WAC برای کاربردهای دی آکالیزاسیون استفاده می‌شوند. آلاینده‌های حذف شده توسط رزین‌های کاتیونی معمولاً عبارت‌اند از:

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

رزین کاتیونی اسیدی قوی (SAC)

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

رزین کاتیونی اسیدی ضعیف (WAC)

رزین‌های کاتیونی اسیدی ضعیف یک انتخاب مقرون‌به‌صرفه 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 دوظرفیتی (مانند کلسیم) و جایگزینی آنها با هیدروژن/سدیم بسته به شرایط فرایند انجام می‌دهد. بسته به نیاز فرایند، فرایند تبادل یونی ممکن است با گاززدایی و یا تنظیم pH ادامه پیدا کند.

رزین کاتیونی پرولایت C100

رزین آنیونی

مبدل‌های آنیونی را می‌توان به دودسته رزین‌های آنیون پایه قوی (SBA) یا رزین‌های آنیون پایه ضعیف (WBA) طبقه‌بندی کرد. رزین‌های SBA اغلب برای دمینرالیزاسیون استفاده می‌شوند، درحالی‌که رزین‌های WBA اغلب برای جذب اسید استفاده می‌شوند. آلاینده‌های حذف شده توسط رزین‌های آنیونی معمولاً عبارت‌اند از:

• آرسنیک
• کربنات‌ها (CO3)
• کلریدها (Cl–)
• سیانید (CN–)
• فلوراید
• نیترات‌ها (NO3)
• پرکلرات (ClO4-)
• آنیون سولفونات پرفلوروکتان (PFOS)
• پرفلوروکتانوئیک اسید (PFOA)
• سیلیس (SiO2)
• سولفات‌ها (SO4)
• اورانیوم

رزین آنیونی پایه قوی (SBA)

رزین‌های آنیونی پایه قوی انواع مختلفی دارد که هرکدام برای یک کاربرد خاص مناسب هستند. رزین‌های SBA برای حذف سیلیس، به‌ویژه برای جریان‌هایی با محتوای اسید معدنی آزاد کم (FMA) خوب هستند. از دیگر کاربردهای عالی رزین‌های SBA می‌توان 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، رزین‌های SBA می‌توانند به هالوژن‌ها نیز متصل شوند.

رزین آنیونی پایه ضعیف (WBA)

رزین‌های آنیونی پایه ضعیف برای کاربردهای یونیزاسیون که در آن حذف دی‌اکسیدکربن (CO2) و/یا دی‌اکسید سیلیکون (SiO2) موردنیاز نیست، مؤثر هستند. رزین‌های WBA برای جذب اسید نیز مؤثر هستند، زیرا برای خنثی‌کردن اسیدهای معدنی قوی کار می‌کنند.

رزین‌های تخصصی

درحالی‌که رزین‌های تخصصی تبادل یونی برای کاربردهای صنعتی خاص بسیار مؤثر هستند، اما هزینه بسیاری دارند. به‌عنوان‌مثال، رزین‌های کیلیت به طور گسترده برای کنترل غلظت و حذف فلزات مانند کبالت (Co2+) و جیوه (Hg و Hg2+)در محلول‌های رقیق استفاده می‌شود. به طور مشابه، رزین‌های تبادل یون مغناطیسی (MIEX) اغلب برای حذف مواد آلی طبیعی از آب خوراک استفاده می‌شوند.

رزین کیلیت ساز

رزین‌های کیلیت برای حذف و یا بازیافت فلزات از محلول‌ها، از جمله محلول‌هایی با غلظت بالای جامدات محلول، مؤثر هستند. کاربردهای رزین کیلیت شامل تصفیه آب‌نمک 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 می‌شود.

آیا تأسیسات شما به سیستم تبادل یونی نیاز دارد؟

سیستم تبادل یونی معمولاً در صنایع مختلف به‌ویژه صنایع شیمیایی و پتروشیمی، نیرو، معدن و فلزات، مواد غذایی و آشامیدنی، داروسازی، شهری، نیمه‌هادی‌ها و غیره استفاده می‌شود. تبادل یونی می‌تواند یک راه‌حل کارآمد برای کاربردهای مختلف از جمله نرم کردن آب، تصفیه، جداسازی و پیش‌تصفیه برای محافظت از تجهیزات پایین‌دست و بهبود بازده عملیاتی باشد.

اگر به دنبال راهبردهای پیش‌تصفیه مقرون‌به‌صرفه یا جداسازی تخصصی هستید، ممکن است از خود بپرسید “آیا تأسیسات 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 می‌شود که محتوای مواد معدنی محلول بالایی دارد که معمولاً از یون‌های کلسیم و منیزیم تشکیل شده است. درحالی‌که محتوای معدنی برای آب آشامیدنی قابل‌قبول و حتی ارجح است، سختی باعث تشکیل رسوب آسیب‌رسان بر روی تجهیزات صنعتی مانند بویلرها، برج‌های خنک‌کننده و لوله‌ها می‌شود.

نرم‌کننده تبادل یونی برای کاهش سختی مؤثر است، به‌خصوص اگر تأسیسات شما از دیگ‌های فشار پایین استفاده می کند. نرم‌کننده تبادل یونی از رزین‌های SAC برای تبادل یون‌های سختی با سدیم استفاده می کند. این بدان معنی است که نرم‌کننده تبادل یونی با محلول‌های نمک نسبتاً ایمن و کم‌هزینه بازسازی می‌شود.

بااین‌حال، برای جلوگیری از چرخه‌های بازسازی بیش از حد و زمان‌های غیرضروری، نرم‌کننده تبادل یونی برای مواردی با مواد جامد محلول کم (TDS) مناسب‌تر است، درحالی‌که سایر فناوری‌ها، مانند نرم‌کننده آهک، عموماً برای تصفیه آب با غلظت‌های سختی بالا مناسب‌تر هستند.

پیشنهاد دکتر کمیکال به شما برای مطالعه بیشتر: مواد شیمیایی دیگ بخار

فرایندهای 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 دیگ‌های 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 فرایند چندمرحله‌ای پیچیده‌تر است.

در مرحله اول، جریان از طریق یک رزین تبادل کاتیونی برای حذف سختی، سدیم و سایر فلزات عبور داده می‌شود و در مرحله دوم، جریان با رزین تبادل آنیونی تصفیه می‌شود که آنیون‌هایی مانند کربنات، کلرید، سیلیس و سولفات در برخی موارد، را حذف می کند.

مرحله سوم برای کاهش قلیاییت جریان اضافه می‌شود. علی‌رغم هزینه‌های اضافی که این سیستم چندواحدی دارد، سیستم تبادل یونی اغلب روش استانداردی برای تأمین نیاز به آب با خلوص بالا است.

تأسیسات شما نیاز به کاهش قلیاییت دارد.

قلیایی بودن یا وجود دی‌اکسیدکربن محلول (CO2)، بی‌کربنات (HCO3)، کربنات (CO3)، یا هیدروکسیل (OH) در آب، تأثیر منفی بر فرایندهای 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 تأسیسات خود نیاز به حذف فلزات دارید.

سیستم‌های تبادل یونی اغلب برای جداسازی فلزات از محلول‌های رقیق استفاده می‌شود، واقعیتی که روزبه‌روز در میان صنایع الکترونیک، نیمه‌رساناها و معدن و فلزات بیشتر رواج می‌یابد. بسته به پیچیدگی فرایند یا جریان پساب، تبادل یونی را می‌توان برای جداسازی مؤثر 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 باارزش از جریان‌های پساب یا برآورده‌کردن الزامات زیست‌محیطی تخلیه فلزات است، تبادل یونی ممکن است یک راه‌حل ایده‌آل باشد.

به دنبال افزایش بازدهی فرایند صنعتی خود هستید.

فیلتراسیون غشایی اغلب می‌تواند همان آلاینده‌های تبادل یونی را حذف کند، بااین‌حال، غشاها فاقد انتخاب‌پذیری تبادل یونی هستند. باتوجه‌به این که تبادل یونی می‌تواند یون‌های خاصی را برای حذف، هدف قرار دهد درحالی‌که مواد مطلوب را در محلول باقی گذارد، اگر مرکز شما به دنبال بهینه‌سازی بازده محصول است، تبادل یونی می‌تواند یک استراتژی جداسازی ارجح باشد. به‌عنوان‌مثال، در صنایع غذایی و نوشیدنی، تبادل یونی را می‌توان برای حذف رنگ‌ها، طعم‌ها و بوهای نامطلوب، بدون حذف ضایعات غیرضروری محصول، به کاربرد.

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.

درحالی‌که 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 مقرون‌به‌صرفه بودن سیستم‌های تبادل یونی را به خطر می‌اندازد، و همچنین برخی از استراتژی‌های مفید برای اصلاح این مشکلات تبادل یونی می‌پردازد.

مشکلات رایج تبادل یونی عبارت‌اند از:

رسوب رزین

رزین‌های تبادل یونی با نگه‌داشتن یون‌های باردار الکتریکی کار می‌کنند. بااین‌حال، برخی از آلاینده‌ها می‌توانند به رزین متصل شوند و از انجام واکنش‌های تبادل یونی بیشتر جلوگیری کنند. تا زمانی که این مشکل اصلاح نشود، رزین آلوده کیفیت پساب را به خطر می‌اندازد و گروه‌های عاملی یونی را نمی‌توان به‌راحتی از طریق یک‌چرخه بازسازی طبیعی بازسازی کرد.

آلاینده‌هایی که اغلب در رسوب رزین نقش دارند عبارت‌اند از:

• آلومینیوم
• یون‌های عامل سختی
• آهن
• منگنز
• عوامل میکروبیولوژیکی
• روغن
• مواد آلی
• سیلیس
• سولفات

راه‌حل‌های ممکن

اگرچه رسوب رزین عملکرد سیستم تبادل یونی را کاهش می‌دهد، اما اغلب با اقدامات مناسب می‌توان این مشکل را برطرف کرد. به‌طورکلی، ترکیبات قلیایی برای حذف رسوب‌ها از رزین‌ آنیونی استفاده می‌شوند، درحالی‌که اسیدها یا عوامل کاهنده قوی برای حذف رسوب‌ها از رزین‌های کاتیونی استفاده می‌شوند.

به طور مشابه، سورفکتانت‌ها معمولاً برای تمیزکردن روغن از رزین‌های آلوده استفاده می‌شوند، اگرچه لازم است در انتخاب سورفکتانتی که به‌خودی‌خود رزین را آلوده نکند، دقت شود. رسوب آلی هم بسیار رایج است و هم اصلاح آن نسبتاً دشوارتر است. استراتژی‌های پیشگیرانه برای رسوب‌گیری آلی شامل پیش کلره و شفاف‌سازی، فیلتراسیون کربن فعال، اعمال تبادل یونی چندمرحله‌ای با رزین‌های پایه ضعیف و قوی و استفاده از رزین‌های ویژه تبادل یونی است.

اکسیداسیون رزین

رزین‌های تبادل یونی از پلیمرهای شبکه‌ای تشکیل شده‌اند که قادر به مقاومت در برابر انواع مواد هستند. بااین‌حال، آنها در برابر عوامل اکسیدکننده، مانند نیترات‌ها، پراکسیدها، ترکیبات هالوژن، کلر، و ترکیبات هیپوکلریت و غیره آسیب‌پذیر هستند. هنگامی که اکسیدان‌ها در جریان خوراک وجود دارند، پلیمرهای رزین تبادل یونی را تجزیه می‌کنند و باعث تغییر شکل و فشرده‌شدن آنها در طول زمان می‌شود.

این فشردگی جریان مایعات را از طریق بستر رزین مسدود می کند که می‌تواند کارایی کلی واحد تبادل یونی را به خطر بیندازد و به دلیل کانالی شدن در بستر رزین منجر به کیفیت ناسازگار پساب شود.

راه‌حل‌های ممکن

درحالی‌که آسیب اکسیداسیون به رزین‌های تبادل یونی قابل‌برگشت نیست، می‌توان از طریق اقدامات پیش‌تصفیه مختلف از آن جلوگیری کرد. اقدامات پیشگیرانه رایج برای جلوگیری از اکسیداسیون شامل استفاده از فیلتراسیون کربن فعال، تابش اشعه ماورای‌بنفش، یا پیش‌تصفیه شیمیایی از طریق استفاده از یک عامل کاهنده است.

تجزیه حرارتی رزین

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

راه‌حل‌های ممکن

ظرفیت رزین تبادل یونی رابطه معکوس با دما دارد، بنابراین مهم است که دما عملیاتی توصیه شده و سایر شرایط فرایند را در نظر بگیرید تا تخریب حرارتی در طول زمان به حداقل برسد. به‌طورکلی، رزین‌های کاتیونی نسبت به رزین‌های آنیونی در برابر تخریب حرارتی مقاوم‌تر هستند، اگرچه هر دو به‌طورکلی می‌توانند در برابر کاربردهای کوتاه گرمای زیاد برای استریل کردن گاه‌به‌گاه یا اهداف دیگر مقاومت کنند.

درحالی‌که قرارگرفتن 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 موردنیاز 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 عبارت‌اند از:

احیای ناقص رزین

اگر محلول احیاکننده 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. کانال‌کشی می‌تواند ناشی از نرخ جریان نادرست، خرابی مکانیسم توزیع‌کننده، شستشوی معکوس ناکافی و مسدودشدن مواد جامد محلول یا دانه‌های رزین آسیب‌دیده باشد.

ازبین‌رفتن یا مهاجرت رزین

ازبین‌رفتن 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 ازدست‌دادن رزین وجود دارد، از جمله شستشوی معکوس بیش از حد و خرابی‌های مکانیکی در سایر تجهیزات نگهداری رزین.

ازبین‌رفتن رزین همچنین ممکن است ناشی از تکه‌تکه‌شدن دانه‌های رزین به دلیل قرارگرفتن در معرض دماهای بالا، کلر و یا شوک اسمزی باشد که به ذرات رزین اجازه می‌دهد حتی از صفحه‌های نگهدارنده دست‌نخورده عبور کنند. این موضوع ظرفیت و کارایی کلی سیستم را کاهش می‌دهد. به‌عنوان‌مثال، در سیستم‌های دمینرالیزاسیون، مهاجرت رزین کاتیونی به واحد آنیون می‌تواند منجر به نشت سدیم و زمان شستشوی اضافی شود.

مواد شیمیایی اسمز معکوس ro

کدام سیستم تبادل یونی برای واحد صنعتی شما مناسب است؟

به دلیل ویژگی منحصربه‌فرد برای هدف قراردادن انتخابی آلاینده‌های خاص، سیستم تبادل یونی (IX) می‌توانند راه‌حل بسیار کارآمد برای جداسازی و تصفیه جریان‌های پساب باشد. اگرچه سیستم تبادل یونی بیشتر برای فرایندهای نرم‌کننده مورداستفاده قرار می‌گیرد، اما به طور گسترده برای رسوب‌زدایی، خالص‌سازی، حذف فلزات و سایر مصارف تخصصی دیگر نیز استفاده می‌شود.

باتوجه‌به اثربخشی تبادل یونی برای کاربردهای بسیار متنوع، شناسایی سیستم تبادل یونی ایده‌آل برای نیازهای شما می‌تواند یک موضوع چالش‌برانگیز باشد. اگر به فکر اضافه‌کردن یک سیستم تبادل یونی جدید به سیستم تصفیه خود یا ارتقای یک سیستم قدیمی هستید، ممکن است بپرسید “چگونه بهترین سیستم تبادل یونی را برای تأسیسات صنعتی خود انتخاب کنم؟” خواه اهداف شما شامل کاهش هزینه‌های 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 می‌کنیم.

فرایندهای خود را بشناسید.

تبادل یونی یک استراتژی جداسازی انتخابی است، به این معنی که می‌توان از آن برای هدف قراردادن آلاینده‌های یونی خاص در محلول استفاده کرد. بهترین سیستم تبادل یونی باید باتوجه‌به جریان فرایند شما، سطح خلوص موردنظر و هزینه‌های مربوط به راه‌اندازی و نگهداری سیستم تصفیه شما طراحی شود. درحالی‌که در ظاهر ساده به نظر می‌رسد، 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 می‌شود که به‌عنوان بستری برای تسهیل تبادل یون‌های دارای بار یکسان عمل می کند. درحالی‌که رزین تبادل یونی می‌تواند سرمایه‌گذاری اولیه قابل‌توجهی را در پی داشته باشد، اما رزین‌هایی که به‌درستی نگهداری می‌شوند می‌توانند عمر طولانی ۴ تا ۱۰ سال داشته باشند.

بهترین طراحی سیستم تبادل یونی، شرایط فرایند و محتویات جریان خوراک را در نظر می‌گیرد تا هزینه‌های عملیاتی و زمان خرابی مرتبط با چرخه‌های بازسازی را به حداقل برساند و عمر قابل‌استفاده رزین را به حداکثر برساند.

ترکیبات رزین تبادل یونی

رزین تبادل یونی از پلیمرهایی که به شکل ریزدانه‌ها و به طور معمول غشاهای ورقه مانندی که در فرایند الکترودیونیزاسیون استفاده می‌شوند، ساخته می‌شود. رایج‌ترین رزین‌ تبادل یونی از ژل یا پلیمرهای ماکرو متخلخل ساخته می‌شود که هرکدام برای شرایط فرایندی خاصی مناسب‌ است.

به‌طورکلی، رزین‌های 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 قابل‌توجه و یا قرارگرفتن در معرض عوامل اکسیدکننده مقاومت کنند.

پیکربندی ستون تبادل یونی

بسته به کاربرد موردنظر 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 رزین‌های کاتیونی و آنیونی در یک واحد هستند. این سیستم تبادل یونی، برای تولید آب با خلوص فوق‌العاده بالا با pH تقریباً خنثی و نیاز به آب شستشو کم استفاده می‌شود.

سیستم دوقلو شامل یک مجموعه زوجی از ستون‌های تبادل یونی است که یکی از آنها حاوی رزین SAC و دیگری حاوی رزین SBA است. سیستم‌های دوقلو تبادل یونی برای سختی گیری آب در شرایطی که به میزان خلوص دقیق نیاز نیست، استفاده می‌شود.

دی آلکالیزاسیون جریان تقسیم شده شامل دو بستر SAC است که به‌صورت موازی کار می‌کنند، جایی که آب خوراک بین دو بستر تقسیم می‌شود، یکی در چرخه سدیم به‌عنوان سختی‌گیر عمل می کند، و دیگری به شکل هیدروژنی دیمینرالیزاسیون را انجام می‌دهد و قلیاییت را از بین می‌برد.

باتوجه‌به تنوع گسترده رزین‌های تبادل یونی فکر می‌کنید از کجا شروع کنید؟ بهترین راه برای شناسایی یک برنامه تصفیه بهینه، انجام یک مطالعه روی تصفیه‌پذیری است. در مطالعات تصفیه‌پذیری اغلب از ترکیبی از تجزیه‌وتحلیل‌های آزمایشگاهی استفاده می‌کنند تا به شما کمک کند ساختار فرایند 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 تصفیه‌پذیری در محدودکردن حوزه وسیع رزین‌های تبادل یونی موجود و گزینه‌های طراحی سیستم بسیار مهم هستند و به محدودکردن جستجوی شما در مورد فناوری‌های تبادل یونی کمک می‌کند.

راه‌اندازی یک سیستم تبادل یونی چقدر هزینه دارد؟

هنگامی که شرکت‌های صنعتی به فناوری تبادل یونی نیاز دارند، یکی از اولین سؤالاتی که معمولاً می‌شنویم این است: “راه‌اندازی یک سیستم تبادل یونی چقدر هزینه دارد؟” به دلیل همه عواملی که می‌توانند در مهندسی و چیدمان یک سیستم تبادل یونی نقش داشته باشند صحبت‌کردن 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 پایین‌رفتن هزینه‌ها می‌شوند، و چند پیکربندی خاص سیستم تبادل یونی صحبت می‌کنیم. تبادل یونی طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها را پوشش می‌دهد که یک یون را با یون دیگری مبادله می کند و از انواع مواد شیمیایی احیاکننده استفاده می کند.

همان‌طور که قبلاً هم در مورد آن صحبت کردیم پیکربندی‌ها و رزین‌های بسیار متنوعی برای راه‌اندازی یک سیستم تبادل یونی وجود دارد. اما هنگام برآورد هزینه‌ها باید به تجهیزات جانبی که یک سیستم تبادل یونی دارد نیز توجه کنیم؛ چراکه ممکن است این سیستم به پمپ‌ها و مخازن خوراک اضافی نیاز داشته باشد. تعیین اینکه چه پیکربندی سیستم را تشکیل دهد تحت‌تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد:

پیش‌تصفیه

قبل از ورود خوراک خام یا فاضلاب به سیستم تبادل یونی، معمولاً نوعی پیش‌تصفیه مانند میکروفیلتراسیون یا شفاف‌سازی معمولی موردنیاز است. اینکه این پیش‌تصفیه چیست به آلاینده‌های موجود در منبع آب تأسیسات بستگی دارد. پیش‌تصفیه باید بادقت موردتوجه قرار گیرد؛ زیرا در برخی موارد می‌تواند حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد به کل هزینه کار اضافه کند. همچنین به‌خاطر داشته باشید که لجن حاصل از سیستم پیش‌تصفیه ممکن است نیاز به تصفیه با فیلتر پرس داشته باشد که در صورت نیاز باید در طرح سیستم گنجانده شود.

مواد شیمیایی و رزین‌ها

فرض کنید یک تأسیسات به یک سیستم تبادل یونی نیاز دارد که فلزات را از محلول نمک حذف کند. ممکن است دو ماده شیمیایی برای تمیزکردن رزین‌ها به طور منظم استفاده شود، بنابراین این مرکز باید این مواد شیمیایی و رزین‌ها 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 آن‌ها به سیستم تبادل یونی است.

برای یک سیستم حمل‌ونقل شیمیایی صنعتی قوی با مخازن ذخیره‌سازی، پمپ‌های اندازه‌گیری و پمپ‌های حمل‌ونقل، بسته به‌اندازه آن باید هزینه‌کرد. در برخی از فاضلاب‌ها، تبادل یونی می‌تواند فلزات خاصی مانند نیکل، کادمیوم، سرب، یا جیوه و غیره را حذف کند. حذف این فلزات به رزین‌های تبادل یونی بسیار خاصی نیاز دارند که می‌تواند بسیار گران باشد. در مواردی مانند این، می‌توان فرایند تبادل یونی را برون‌سپاری کرد و این بخش از تأسیسات را به پیمانکار خارجی سپرد.

پسا تصفیه

در پایان پس از تصفیه، آبی که از سیستم تبادل یونی خارج می‌شود، معمولاً مستقیماً به یک مخزن بزرگ می‌رود (در صورت نیاز برای پالایشگاه‌ها و نیروگاه‌های بزرگ که معمولاً یک تا دو روز آب ذخیره می‌کنند 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 می‌شود:

این عوامل عبارت‌اند از نرخ جریان، کیفیت آب ورودی، ترکیب شیمیایی جریان و تجهیزات موردنیاز.

1. نرخ جریان موردنیاز سیستم چقدر است؟ به‌عبارت‌دیگر چه مقدار آب در روز و با چه سرعتی وارد فرایند می‌شود؟
2. کیفیت آب ورودی به تأسیسات چگونه است و چه سطحی از آلودگی قابل‌قبول است؟
3. ترکیب شیمیایی و یونی جریان چیست؟
4. چه تجهیزاتی موردنیاز است؟

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

نرخ جریان

به‌طورکلی، اگر کارخانه شما به طور مداوم با سرعت جریان کمتری کار کند، معمولاً هزینه راه‌اندازی سیستم تبادل یونی کمتر خواهد بود. نرخ جریان همیشه در هزینه سیستم لحاظ می‌شود، بنابراین مطمئن شوید که قبل از درخواست قیمت، آن را تاحدامکان به طور مؤثر 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 اندازه‌گیری می‌شود) عامل مهمی است که در برنامه‌ریزی یک سیستم تبادل یونی نقش دارد، زیرا هر چه حجم آلاینده‌ها بیشتر باشد، مخازن تبادل یونی بزرگ‌تر می‌شود.

شیمی آب و یون

همراه با حجم یون‌هایی که باید حذف شوند، دانستن شیمی یون‌ها نیز مهم است:

1. چه یون‌هایی و در چه نسبت‌هایی وجود دارند؟
2. چه مقدار جامدات معلق و جامدات محلول کل (TDS) وجود دارد؟
3. ترکیب TDS چیست؟
4. سختی، کلرید، سدیم، سیلیس چقدر است؟
5. سایر یون‌های موجود در آب چیست؟

پاسخ این سؤالات روی نوع تجهیزات شما و تعداد مخازن و نوع رزین‌ها تأثیر می‌گذارد. به‌عنوان‌مثال، گاهی اوقات از تبادل یونی برای جداسازی مواد معدنی باارزش مانند طلا، نقره، اورانیوم و غیره استفاده می‌شود و نحوه شارژ رزین‌ها بر میزان کارآمدی آن‌ها در حذف این مواد معدنی تأثیر می‌گذارد.

تجهیزات موردنیاز

برخی از تأسیسات با استفاده از لوله‌های PVC و مخازن FRP برای جریان‌های کمتر با کنترل‌های بسیار ساده به‌خوبی عمل می‌کنند. برخی دیگر، مانند آن‌هایی که هزاران گالن در دقیقه فراوری می‌کنند، می‌بایست از فولاد ضدزنگ ساخته شوند. قیمت این مواد از پلاستیک‌های ارزان‌قیمت گرفته تا مخازن و یا لوله‌ها با روکش لاستیکی یا فولاد ضدزنگ باید در نظر گرفته شود.

شرکت دکتر کمیکال تأمین‌کننده انواع مواد شیمیایی مورد نیاز تصفیه آب و فاضلاب است. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه خرید و فروش مواد شیمیایی و قیمت با کارشناسان بخش فروش در تماس باشید.