مهم ترين و متداول ترين حلالی که در صنعت ، آزمایشگاهها ، مراکز دارو سازی و ... استفاده می شود ، آب است . آب طبیعی به علت خاصیت حل کنندگی خوبی که دارد معمولا دارای حجم بالایی از نمک های محلول در آب می‌شود . CO₂ هوا به خاطر انحلال در آب و تولید اسید کربنیک ضعیف ، خاصیت خورندگی آب را بهبود می‌بخشد . بنابراین آب هنگام عبور از محیط ‌های گوناگون مخصوصا محیط‌های آهکی مقداری از کربنات ها را در خود حل می‌کند که این کربنات ها همراه یونهایی مثل کلسیم ، منیزیم و … باعث ایجاد سختی موقت می‌شود که با جوشاندن از بین می‌رود. البته یونهای منیزیم و کلسیم و سایر یونهای فلزی با سولفات و نیترات و کلر ایجاد سختی دائم می‌کنند. سختی آب باعث رسوب کردن صابون در آب می‌شود (خاصیت کف کنندگی صابون را از بین می‌برد) .

اثرات زیان بخش ناخالصی های آب در صنعت

آب در شیمی یکی از مهمترین حلال ها می‌باشد و معمولا از آن به عنوان حلال عمومی نام می‌برند و بنابراین کاربرد اساسی در صنعت دارد که برخی از کاربردهای مهم به این شرح می‌باشد:

به عنوان حلال

به عنوان ماده اولیه برای شرکت در واکنشهای شیمیایی تهیه محصول

به عنوان ماده واسطه برای خارج کردن مواد ناخواسته

به عنوان بستر یا محیط واکنش

وجود ناخالصی ها در آب باعث ایجاد رسوب در دستگاههای حرارتی و دیگ بخار می‌شود که این عمل باعث کاهش عمر مفید دستگاه می‌گردد. بخاری که از آبهای ناخالص تولید می‌شود دارای کیفیت بسیار پایینی می‌باشد به عنوان مثال سیلیس همراه بخار خارج شده و در اثر سرد شدن روی پره‌های توربین رسوب می‌کند. خوردگی بویلر ها و تأسیسات حرارتی و لوله‌ها ، اتلاف مواد شیمیایی و باقی گذاشتن لکه روی محصولات غذایی و نساجی از عوارض دیگر آبهای ناخالص می‌باشد.

بهترین آب برای استفاده آب مقطر بدون يون (آب بدون يون) با هدايت الکتريکی بسيار پايين (کمتر از 1 ميکرو زيمنس) است اما هزینه تولید اين آب بسیار بالاست . در اکثر آزمایشگاهها و واحدهای صنعتی از آب مقطر استفاده می‌کنند .

تبادل يون :

بهترين روش توليد آب مقطر از لحاظ کيفيت آب توليدی روش تبادل پونی و با استفاده از رزين هاست . پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم 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 تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

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 می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزامان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 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 نتیجه گیری 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 بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.

شیمی رزین‌ها

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.

این کاتیونهای متحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل ^-Cl یا ^-OH به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون ، کاتیون‌ها یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شود ، بگونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:

1- خود دارای یون باشد.

2- در آب غیر محلول باشد.

3- فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد ، بطوریکه یونها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.

در مورد رزین‌های کاتیونی هر دانه رزین با آنیون غیر تحرک و یون متحرک ⁺H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غلظت 25% فرض نمود. این قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید. شکل زیر تصویر یک دانه رزین و تصویر معادل یک قطره اسید سولفوریک 25% نشان می‌دهد.

طبقه بندی رزین‌ها

رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

رزین‌های کاتیونی قوی (CSA , Cation Strongly Acidic)

رزین‌های کاتیونی ضعیف (CWA , Cation Weakly Acidic)

رزین‌های آنیونی قوی (ASB , Anion Strongly Basic)

رزین‌های آنیونی ضعیف (AWB , Anion Weakly Basic)

بطور کلی رزین‌های نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزین‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولیکن با استفاده از رزین‌های نوع ضعیف ، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونهای هستند که به قلیائی بودن آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.

Ca(HCO₃)₂ OR MgSO₄ + 2ZSO₃H -----> Ca²⁺+2H₂CO₃ OR Mg²⁺ + H₂SO₄

Mg(HCO₃)₂ OR Ca(HCO₃)₂ + 2ZCOOH -----> (ZCOO)₂₊ + Mg(ZCOO)₂₊Ca + 2H₂CO₃

مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد ، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد. رزین‌های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونهای موجود در آب بوده ولی رزین‌های آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک ، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهای آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب ، رزین‌های آنیونی قوی در پاین دست رزینهای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

2HCl OR 2H₂SiO₃ + 2ZOH -----> 2ZHSio₃ZCl + H₂O

2HCl OR 2HNO₃ + ZOH -----> 2ZCl OR 2ZNO₃ + H₂O

تصویری از قسمت فنی و مبادلات واحد آب مقطر قطره

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 کاتیونها 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 لیزین را که جز اسید آمینه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خوکها ، ماکیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسید آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مصرف مواد خام و ... است با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

- حذف سیلیکا از آبهای صنعتی با استفاده از رزین‌های آنیونی قوی

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

از اين نوع آب مقطر به دست آمده در آزمایشگاههای شیمی بطور گسترده استفاده می‌شود همچنین آب مقطر استریل شده در تزریقات کاربرد فراوانی دارد. اين نوع آب مقطر کاربردهای فراوانی دارد ولی کاربرد آن بستگی به کيفيت و پارامترهای شيميايي مختلف آن دارد . اين پارامترها عبارت اند از :

- هدايت الکتريکی (کنداکت) يا EC که همان قابلیت انتقال جریان برق از آب است که به علت اينکه هر چه ميزان يونها و ناخالصی های آب بيشتر باشد اين ميزان انتقال برق بيشتر است پس هر چه هدايت الکتريکی آب کمتر باشد کيفيت آب مقطر توليدی بالاتر است . اين پارامتر بر حسب ميکرو زيمنس بوده و در صنعت آبهای با EC کمتر از 3 ميکرو زيمنس و در فعاليت های آزمایشگاهی و حساس آب مقطر با EC کمتر از 9/0 ميکرو زيمنس دارای بالاترين کيفيت آب مقطر هستند .

- کل مواد جامد محلول يا TDS که مقدار کل مواد غير فرار حل شده در آب را گويند . اين پارامتر بر حسب ppm بوده و در صنعت آبهای با TDS کمتر از 5 ppm و در فعاليت های آزمایشگاهی و حساس آب مقطر با TDS کمتر از 2/0 ppm دارای بالاترين کيفيت آب مقطر هستند .

- ميزان سيليس که بيانگر ميزان سيليس محلول در آب است

- ميزان PH که بهترين حد آن در حد خنثی و در محدوده 5/7 – 5/6 می باشد .

با توجه به پارامترهای فوق می توان مصارف مختلف و طبقه بندی شده ای برای آب مقطر در نظر گرفت :

1- آب مقطر با EC کمتر از 5/0 ميکرو زيمنس : جهت استفاده های حساس نظير استفاده در کوره های القايی ، کاربردهای شستشو و آبکاری قطعات فلزی ، مصارف داروسازی ، استفاده در آزمايشگاه های طبی ، استفاده در بيمارستان ها ، آندايزينگ آلومينيوم ، استفاده در آزمايشگاه های فنی و خدماتی ، کاربردهای حساس نظامی - صنعتی از قبيل انرژی اتمی ، کاربردهای حساس صنعتی و ...

2- آب مقطر با EC حدود 5/3 تا 6 ميکرو زيمنس : جهت استفاده در سيستم خنک کاری برخی کوره ها ، استفاده در آزمايشگاه های طبی ، انجام واکنش های شيميايي صنعتی ، استفاده در بيمارستان ها ، کاربردهای شستشو و آبکاری قطعات فلزی ، توليد مواد شيميايي که در توليد آنها آب استفاده می شود ، استفاده در آزمايشگاه های فنی ، استفاده در آزمايشگاه های دانشگاه ها ، کاربردهای مختلف صنعتی و ...

3- آب مقطر با EC حدود 8 تا 11 ميکرو زيمنس : جهت انجام واکنش های شيميايي صنعتی ، شستشوی قطعات حساس پس از توليد ، استفاده در سيستم خنک کاری ماشين آلات صنعتی که در اثر کار کردن داغ می شود ، توليد مواد شيميايي که در توليد آنها آب استفاده می شود ، استفاده در آزمايشگاه های دانشگاه ها ، کاربردهای غير حساس صنعتی و ...

  تصویری از آزمایشگاه کنترل کیفی واحد آب مقطر قطره