Vaikka moni meistä on kuullut ioninvaihtohartseista (IX), harvalla meistä on käsitys siitä, miten tekniikka itse asiassa toimii. Olitpa sitten punnitsemassa mahdollisia hoitostrategioita, etsimässä tapoja saada paras mahdollinen hyöty irti nykyisistä IX-hartseistasi tai yksinkertaisesti utelias IX-kemiasta, saatat kysyä: ”Mikä on ioninvaihtohartsi ja miten se toimii?”.”

Olivatpa tavoitteesi mitkä tahansa, tämä artikkeli auttaa sinua tekemään parempia päätöksiä oikeista vedenkäsittelystrategioista laitoksellesi auttamalla sinua ymmärtämään paremmin IX-hartsiteknologiaa ja sitä, miten se palvelee erilaisia vedenkäsittely- ja erotustarpeita.

Mitä ovat ioninvaihtohartsit?

Ioninvaihto on palautuva kemiallinen reaktio, jossa liuenneita ja liuenneita ioneja irrotetaan liuoksestasi, ja ne korvataan toisilla ioneilla, joilla on samanlainen tai samankaltainen sähkövara. IX-hartsi ei itsessään ole kemiallinen reaktantti, vaan se on fyysinen väliaine, joka helpottaa ioninvaihtoreaktioita. Itse hartsi koostuu orgaanisista polymeereistä, jotka muodostavat hiilivetyjen verkoston. Kaikkialla polymeerimatriisissa on ioninvaihtokohtia, joissa polymeeriverkostoon on kiinnittynyt joko positiivisesti varattuja ioneja (kationeja) tai negatiivisesti varattuja ioneja (anioneja) sisältäviä niin sanottuja ”funktionaalisia ryhmiä”. Nämä funktionaaliset ryhmät vetävät helposti puoleensa vastakkaisen varauksen omaavia ioneja.

Mitkä ovat IX-hartsien fysikaaliset ominaisuudet?

IX-hartsien geometrinen muoto, koko ja rakenne voivat vaihdella tyypeittäin. Useimmissa IX-vaihtojärjestelmissä käytetään hartsipetiä, joka koostuu pienistä, huokoisista mikrohelmistä, vaikka joissakin järjestelmissä, kuten sähködialyysissä käytetyissä järjestelmissä, käytetään levymäistä verkkomuotoista hartsia. IX-hartsihelmet ovat yleensä pieniä ja pallomaisia, ja niiden säde on vain 0,25-1,25 millimetriä. Sovelluksesta ja järjestelmäsuunnittelusta riippuen hartsihelmillä voi olla tasainen hiukkaskoko tai Gaussin kokojakauma. Useimmissa sovelluksissa käytetään geelihartsihelmiä, joiden ulkonäkö on läpikuultava ja jotka tarjoavat suuren kapasiteetin ja kemiallisen tehokkuuden. Makrohuokoiset hartsit, jotka ovat tunnistettavissa läpinäkymättömästä valkoisesta tai keltaisesta ulkonäöstään, varataan tyypillisesti vaativiin olosuhteisiin, koska niillä on verrattain suurempi stabiilisuus ja kemiallinen kestävyys.

Mistä IX-hartsit koostuvat?

IX-hartsimatriisi muodostuu hiilivetyketjujen ristisilloittamisesta toisiinsa prosessissa, jota kutsutaan nimellä polymerointi. Ristisilloittuminen antaa hartsipolymeerille vahvemman, joustavamman rakenteen ja suuremman tilavuuden (tilavuuden mukaan). Useimpien IX-hartsien kemiallinen koostumus on polystyreeniä, mutta tietyt tyypit valmistetaan akryylistä (joko akryylinitriilistä tai metyyliakrylaatista). Tämän jälkeen hartsipolymeerille tehdään yksi tai useampi kemiallinen käsittely funktionaalisten ryhmien sitomiseksi koko matriisissa sijaitseviin ioninvaihtokohtiin. Nämä funktionaaliset ryhmät antavat IX-hartsille sen erotusominaisuudet, ja ne vaihtelevat huomattavasti hartsityypeittäin. Yleisimpiä koostumuksia ovat:

• Vahvan hapon kationinvaihtohartsit (SAC). SAC-hartsit koostuvat polystyreenimatriisista, jossa on sulfonaatti (SO3-) funktionaalinen ryhmä, joka on ladattu joko natriumioneilla (Na2+) pehmennyssovelluksissa tai vetyioneilla (H+) demineralisaatiossa
• Heikon hapon kationinvaihtohartsit (WAC). WAC-hartsit koostuvat akryylipolymeeristä, joka on hydrolysoitu joko rikkihapolla tai kaustisella soodalla karboksyylihappofunktionaalisten ryhmien tuottamiseksi. Koska WAC-hartseilla on suuri affiniteetti vetyioneihin (H+), niitä käytetään tyypillisesti emäksisyyteen liittyvien kationien selektiiviseen poistamiseen.
• Vahvan emäksen anioninvaihtohartsit (SBA). SBA-hartsit koostuvat tyypillisesti polystyreenimatriisista, jolle on tehty kloorimetylointi ja aminointi anionien kiinnittämiseksi vaihtokohtiin. Tyypin 1 SBA-hartsit valmistetaan käyttämällä trimetyyliamiinia, joka tuottaa kloridi-ioneja (Cl-), kun taas tyypin 2 SBA-hartsit valmistetaan käyttämällä dimetyylietanoliamiinia, joka tuottaa hydroksidi-ioneja (OH-).
• Heikosti emäksiset anioninvaihtohartsit (WBA). WBA-hartsit koostuvat tyypillisesti polystyreenimatriisista, jolle on tehty kloorimetylointi ja sen jälkeen aminointi dimetyyliamiinilla. WBA-hartsit ovat ainutlaatuisia siinä mielessä, että niissä ei ole vaihdettavia ioneja, ja siksi niitä käytetään happoabsorbaattoreina poistamaan vahvoihin mineraalihappoihin liittyviä anioneja.
• Kelatoivat hartsit. Kelatoivat hartsit ovat yleisin erikoishartsityyppi, ja niitä käytetään tiettyjen metallien ja muiden aineiden selektiiviseen poistoon. Useimmissa tapauksissa hartsimatriisi koostuu polystyreenistä, vaikka funktionaalisina ryhminä käytetään erilaisia aineita, kuten tiolia, trietyyliammoniumia ja aminofosfonisia aineita monien muiden joukossa.

Kuinka ioninvaihtohartsi toimii?

Kuinka IX-hartsit toimivat, on tärkeää ymmärtää ensin ioninvaihtoreaktion periaatteet. Yksinkertaisesti sanottuna ioninvaihto on varattujen hiukkasten – eli ionien – kääntyvää vaihtumista samanväristen hiukkasten kanssa. Tämä tapahtuu, kun liukenemattomassa IX-hartsimatriisissa olevat ionit vaihtavat tehokkaasti paikkaa ympäröivässä liuoksessa olevien samankaltaisen varauksen omaavien ionien kanssa.

IX-hartsi toimii tällä tavoin sen funktionaalisten ryhmien ansiosta, jotka ovat pohjimmiltaan kiinteitä ioneja, jotka ovat pysyvästi sitoutuneet hartsin polymeerimatriisiin. Nämä varatut ionit sitoutuvat helposti vastakkaisen varauksen omaaviin ioneihin, jotka toimitetaan vastaliuoksen avulla. Nämä vastaionit jatkavat sitoutumista funktionaalisiin ryhmiin, kunnes tasapaino on saavutettu.

IX-syklin aikana käsiteltävä liuos lisätään IX-hartsipedille ja sen annetaan virrata helmien läpi. Kun liuos liikkuu IX-hartsin läpi, hartsin funktionaaliset ryhmät vetävät puoleensa liuoksessa mahdollisesti olevia vastaioneja. Jos funktionaalisilla ryhmillä on suurempi affiniteetti uusiin vastaryhmiin kuin jo olemassa oleviin vastaryhmiin, liuoksessa olevat ionit irrottavat olemassa olevat ionit ja ottavat niiden paikan, jolloin ne sitoutuvat funktionaalisiin ryhmiin yhteisen sähköstaattisen vetovoiman kautta. Yleisesti ottaen mitä suurempi ionin koko ja/tai valenssi on, sitä suurempi affiniteetti sillä on vastakkaisen varauksen omaaviin ioneihin.

Sovelletaan näitä käsitteitä tyypilliseen IX vedenpehmennysjärjestelmään. Tässä esimerkissä pehmennysmekanismi koostuu kationinvaihtohartsista, jossa sulfonaattianionin (SO3-) funktionaaliset ryhmät on kiinnitetty IX-hartsimatriisiin. Hartsiin levitetään sitten natriumkationeja (Na+) sisältävää vastaliuosta. Na+ kiinnittyy kiinteisiin SO3- anioneihin sähköstaattisen vetovoiman avulla, jolloin hartsissa on neutraali nettovaraus. Aktiivisen IX-syklin aikana kationinvaihtohartsiin lisätään kovuusioneja (Ca2+ tai Mg2+) sisältävä virta. Koska SO3- funktionaalisilla ryhmillä on suurempi affiniteetti kovuuskationeihin kuin Na+ -ioneihin, kovuusionit syrjäyttävät Na+ -ionit, jotka sitten virtaavat ulos IX-yksiköstä osana käsiteltyä virtaa. Kovuusionit (Ca2+ tai Mg2+) sen sijaan jäävät IX-hartsiin.

Mitä on hartsin regenerointi?

Ajan myötä epäpuhtausionit sitoutuvat IX-hartsin kaikkiin käytettävissä oleviin vaihtokohtiin. Kun hartsi on kulunut loppuun, se on palautettava uudelleenkäyttöä varten niin sanotun regenerointisyklin avulla. Regenerointisyklin aikana IX-reaktio käännetään olennaisesti käyttämällä väkevää regenerointiliuosta. Hartsityypistä ja sovelluksesta riippuen regeneroiva aine voi olla suola, happo tai emäksinen liuos. Regenerointisyklin edetessä IX-hartsi vapauttaa epäpuhtauksia sisältäviä ioneja ja vaihtaa ne regenerointiliuoksessa oleviin ioneihin. Epäpuhtausionit poistuvat IX-järjestelmästä osana regenerointiaineen poistovirtaa, ja ne on poistettava asianmukaisesti. Useimmissa tapauksissa hartsi huuhdellaan regenerointiainejäämien poistamiseksi ennen seuraavaa aktiivista IX-sykliä.

Miten SAMCO voi auttaa

SAMCOlla on yli 40 vuoden kokemus sopivien IX-hartsitekniikoiden tunnistamisesta kustannusten ja jätemäärien alentamiseksi sekä tuotteiden laadun parantamiseksi. Jos haluat lisätietoja tai ottaa yhteyttä, ota meihin yhteyttä tästä ja sovi konsultaatio insinöörin kanssa tai pyydä tarjous. Voimme opastaa sinua vaiheissa, joiden avulla voit kehittää oikean ratkaisun ja realistiset kustannukset IX-käsittelyjärjestelmän tarpeisiisi.

Jos haluat lisätietoja SAMCOn innovatiivisista IX-hartsiratkaisuista, käy ioninvaihtohartsiteknologioita käsittelevällä sivullamme täällä.

Jos haluat oppia lisää ioninvaihtohartseista, nämä muut artikkelit saattavat kiinnostaa sinua:

• Miten paljon ioninvaihtohartsien ostaminen, ylläpito ja hävittäminen maksaa?
• Ioninvaihtohartsien yleiset ongelmat ja niiden välttäminen
• Mitkä ovat parhaat (ja halvimmat) tavat hävittää ioninvaihtohartsit?
• Mitä eroa on kationi- ja anioninvaihtohartsien välillä?
• Mitä ovat erityyppiset ioninvaihtohartsit ja mitä käyttökohteita ne palvelevat?
• Mitä on tiedettävä ioninvaihtohartsien regeneroinnista
• Mitä ovat parhaat ioninvaihtohartsien valmistus- ja toimitusyritykset?