Mens mange af os har hørt om ionbytterharpiks (IX), er der kun få af os, der har styr på, hvordan teknologien rent faktisk fungerer. Uanset om du overvejer potentielle behandlingsstrategier, leder efter måder at få mest muligt ud af dine eksisterende IX-harpikser eller blot er nysgerrig på IX-kemi, spørger du måske: “Hvad er ionbytterharpiks, og hvordan virker det?”

Og uanset dine mål vil denne artikel hjælpe dig med at træffe bedre beslutninger om de rigtige vandbehandlingsstrategier for dit anlæg ved at hjælpe dig med at forstå IX-harpiksteknologien bedre, og hvordan den tjener en række forskellige vandbehandlings- og separationsbehov.

Hvad er ionbytterharpikser?

Ionbytning er en reversibel kemisk reaktion, hvor opløste ioner fjernes fra opløsningen og erstattes med andre ioner med samme eller lignende elektrisk ladning. IX harpiks er ikke en kemisk reaktant i sig selv, men er i stedet et fysisk medium, der letter ionbytterreaktionerne. Selve harpiksen er sammensat af organiske polymerer, der danner et netværk af kulbrinter. I hele polymermatrixen er der ionudvekslingssteder, hvor såkaldte “funktionelle grupper” af enten positivt ladede ioner (kationer) eller negativt ladede ioner (anioner) er fastgjort til polymernetværket. Disse funktionelle grupper tiltrækker let ioner med modsat ladning.

Hvad er de fysiske egenskaber ved IX-harpikser?

Den geometriske form, størrelse og struktur af IX-harpikser kan variere fra den ene type til den anden. De fleste IX-udvekslingssystemer anvender et harpiksbed bestående af små, porøse mikroperler, selv om nogle systemer, som f.eks. de systemer, der anvendes til elektrodialyse, anvender en arklignende netharpiks. IX-harpiksperler er normalt små og kugleformede med en radius på kun 0,25 til 1,25 millimeter. Afhængigt af anvendelsen og systemets udformning kan harpiksperlerne have en ensartet partikelstørrelse eller en Gaussisk størrelsesfordeling. I de fleste applikationer anvendes gelharpiksperler, som har et gennemsigtigt udseende og har en høj kapacitet og kemisk effektivitet. Makroporøse harpikser, som kan genkendes på grund af deres uigennemsigtige hvide eller gule udseende, er typisk forbeholdt krævende forhold, da de har forholdsvis større stabilitet og kemisk modstandsdygtighed.

Hvad er IX-harpikser lavet af?

Den IX-harpiksmatrix dannes ved at tværbinde kulbrintekæder med hinanden i en proces kaldet polymerisering. Krydsforbindingen giver harpikspolymeren en stærkere, mere elastisk struktur og en større kapacitet (i volumen). Mens den kemiske sammensætning af de fleste IX-harpikser er polystyren, er visse typer fremstillet af akryl (enten acrylonitril eller methylacrylat). Harpikspolymeren undergår derefter en eller flere kemiske behandlinger for at binde funktionelle grupper til de ionbytterpladser, der er placeret i hele matrixen. Det er disse funktionelle grupper, der giver IX-harpiksen dens separationsevne, og de varierer betydeligt fra den ene type harpiks til den anden. De mest almindelige sammensætninger omfatter:

• Stærke syrekationudvekslingsharpikser (SAC). SAC-harpikser består af en polystyrenmatrix med en sulfonat (SO3-) funktionel gruppe, der enten er ladet med natriumioner (Na2+) til blødgøringsapplikationer eller hydrogenioner (H+) til demineralisering
• Svag syrekation (WAC)-bytterharpikser. WAC-harpikser består af en akrylpolymer, der er blevet hydrolyseret med enten svovlsyre eller kaustisk soda for at frembringe funktionelle grupper af carboxylsyrer. På grund af deres høje affinitet for hydrogenioner (H+) anvendes WAC-harpikser typisk til selektiv fjernelse af kationer, der er forbundet med alkalinitet.
• Stærke base-anionbytterharpikser (SBA). SBA-harpikser består typisk af en polystyrenmatrix, der har gennemgået chloromethylering og aminering for at binde anioner til udvekslingsstederne. SBA-harpikser af type 1 fremstilles ved anvendelse af trimethylamin, som giver chloridioner (Cl-), mens SBA-harpikser af type 2 fremstilles ved anvendelse af dimethylethanolamin, som giver hydroxidioner (OH-).
• Svagt basiske anionbytterharpikser (WBA-harpikser). WBA-harpikser består typisk af en polystyrenmatrix, der har undergået en chlormethylering efterfulgt af aminering med dimethylamin. WBA-harpikser er unikke, idet de ikke har udvekslelige ioner og derfor anvendes som syreabsorbenter til at fjerne anioner, der er forbundet med stærke mineralsyrer.
• Chelaterende harpikser. Chelaterende harpikser er den mest almindelige type specialharpiks og anvendes til selektiv fjernelse af visse metaller og andre stoffer. I de fleste tilfælde består harpiksmatrixen af polystyren, selv om der anvendes en række forskellige stoffer til funktionelle grupper, herunder thiol, triethylammonium og aminofosfonisk blandt mange andre.

Hvordan virker ionbytterharpiks?

For at forstå fuldt ud, hvordan IX-harpikser virker, er det vigtigt først at forstå principperne for ionbytterreaktionen. Kort sagt er ionbytning en reversibel udveksling af ladede partikler – eller ioner – med partikler med samme ladning. Dette sker, når ioner, der er til stede på en uopløselig IX-harpiks-matrix, effektivt bytter plads med ioner med lignende ladning, der er til stede i en omgivende opløsning.

IX-harpiksen fungerer på denne måde på grund af dens funktionelle grupper, som i det væsentlige er faste ioner, der er permanent bundet i harpiksens polymermatrix. Disse ladede ioner vil let binde sig til ioner med modsat ladning, som leveres ved anvendelse af en modionopløsning. Disse modioner vil fortsætte med at binde sig til de funktionelle grupper, indtil der er opnået ligevægt.

Under en IX-cyklus tilsættes den opløsning, der skal behandles, til IX-harpiksbedet og får lov til at strømme gennem perlerne. Når opløsningen bevæger sig gennem IX-harpiksen, tiltrækker de funktionelle grupper i harpiksen eventuelle modioner, der er til stede i opløsningen. Hvis de funktionelle grupper har en større affinitet for de nye modioner end de allerede tilstedeværende, vil ionerne i opløsningen løsne de eksisterende ioner og tage deres plads og binde sig til de funktionelle grupper gennem fælles elektrostatisk tiltrækning. Generelt gælder det, at jo større størrelse og/eller valens en ion har, jo større affinitet vil den have med ioner med modsat ladning.

Lad os anvende disse begreber på et typisk IX vandafkalkningssystem. I dette eksempel består blødgøringsmekanismen af en kationbytterharpiks, hvor funktionelle grupper af sulfonat-anioner (SO3-) er fastgjort til IX-harpematrixen. En modionopløsning, der indeholder natriumkationer (Na+), påføres derefter på harpiksen. Na+-dioderne holdes fast til de fastsiddende SO3-anioner ved elektrostatisk tiltrækning, hvilket resulterer i en neutral nettoladning i harpiksen. Under en aktiv IX-cyklus tilsættes en strøm, der indeholder hårdhedsioner (Ca2+ eller Mg2+), til kationbytterharpiksen. Da de funktionelle SO3-grupper har en større affinitet for hårdhedskationerne end for Na+-ionerne, fortrænger hårdhedsionerne Na+-ionerne, som derefter strømmer ud af IX-enheden som en del af den behandlede strøm. Hårdhedionerne (Ca2+ eller Mg2+) bliver derimod tilbageholdt af IX-harpiksen.

Hvad er harpiksregenerering?

Med tiden binder forureningsioner sig til alle tilgængelige udvekslingssteder i IX-harpiksen. Når harpiksen er udtømt, skal den genoprettes til yderligere brug gennem en såkaldt regenerationscyklus. Under en regenereringscyklus vendes IX-reaktionen i det væsentlige ved anvendelse af en koncentreret regenereringsmiddelopløsning. Afhængigt af typen af harpiks og den pågældende anvendelse kan regenereringsmidlet være et salt, en syre eller en kaustisk opløsning. Efterhånden som regenereringscyklussen forløber, frigiver IX-harpiksen forurenende ioner og bytter dem ud med ioner, der er til stede i regenereringsopløsningen. De forurenende ioner forlader IX-systemet som en del af regenereringsmiddeludløbsstrømmen og skal udledes korrekt. I de fleste tilfælde skylles harpiksen for at fjerne eventuelle rester af regenereringsmiddel inden den næste aktive IX-cyklus.

Hvordan SAMCO kan hjælpe

SAMCO har over 40 års erfaring med at identificere passende IX-harpiksteknologier, der kan bidrage til at sænke omkostninger og affaldsmængder og samtidig øge produktkvaliteten. For flere oplysninger eller for at komme i kontakt med os, kontakt os her for at arrangere en konsultation med en ingeniør eller anmode om et tilbud. Vi kan hjælpe dig gennem trinene til udvikling af den rette løsning og realistiske omkostninger til dine behov for IX-behandlingssystemer.

For at lære mere om SAMCO’s innovative IX-harpiksløsninger kan du besøge vores side om ionbytterharpiksteknologier her.

Hvis du vil lære mere om ionbytterharpikser, kan disse andre artikler måske være af interesse for dig:

• Hvor meget koster det at købe, vedligeholde og bortskaffe ionbytterharpikser?
• Fælles problemer med ionbytterharpikser og hvordan man undgår dem
• Hvad er den bedste (og billigste) måde at bortskaffe ionbytterharpikser på?
• Hvad er forskellen mellem kation- og anionbytterharpikser?
• Hvad er de forskellige typer ionbytterharpikser, og hvilke anvendelser tjener de til?
• Hvad skal man vide om regenerering af ionbytterharpikser?
• Hvad er de bedste virksomheder inden for fremstilling og levering af ionbytterharpikser?