Visst har många av oss hört talas om jonbytesresin (IX), men få av oss vet hur tekniken faktiskt fungerar. Oavsett om du överväger potentiella behandlingsstrategier, letar efter sätt att få ut det mesta av dina befintliga IX-hartser eller helt enkelt är nyfiken på IX-kemi, kanske du frågar dig: ”Vad är jonbytesharts och hur fungerar det?”

Oavsett dina mål kommer den här artikeln att hjälpa dig att fatta bättre beslut om rätt vattenbehandlingsstrategier för din anläggning genom att hjälpa dig att bättre förstå IX-harts-tekniken och hur den tjänar en mängd olika vattenbehandlings- och separationsbehov.

Vad är jonbyteshartser?

Ionbytet är en reversibel kemisk reaktion där lösta joner avlägsnas från lösningen och ersätts med andra joner med samma eller liknande elektrisk laddning. IX-harts är inte en kemisk reaktant i sig själv, utan istället ett fysiskt medium som underlättar jonbytesreaktioner. Själva hartset består av organiska polymerer som bildar ett nätverk av kolväten. I hela polymermatrisen finns jonbytesplatser, där så kallade ”funktionella grupper” av antingen positivt laddade joner (katjoner) eller negativt laddade joner (anjoner) fästs vid polymernätverket. Dessa funktionella grupper drar lätt till sig joner med motsatt laddning.

Vilka fysiska egenskaper har IX-hartser?

Den geometriska formen, storleken och strukturen hos IX-hartser kan variera från en typ till en annan. De flesta IX-utbytessystem använder en hartsbädd som består av små, porösa mikrokulor, även om vissa system, t.ex. de som används för elektrodialys, använder en arkliknande nätharts. IX-plastpärlor är vanligtvis små och sfäriska, med en radie som bara mäter 0,25 till 1,25 millimeter i storlek. Beroende på tillämpningen och systemets utformning kan hartspärlorna ha en enhetlig partikelstorlek eller en Gaussisk storleksfördelning. I de flesta tillämpningar används gelplastpärlor, som har ett genomskinligt utseende och erbjuder hög kapacitet och kemisk effektivitet. Makroporösa hartser, som känns igen på grund av sitt ogenomskinliga vita eller gula utseende, är vanligtvis reserverade för krävande förhållanden, eftersom de har jämförelsevis större stabilitet och kemisk beständighet.

Vad är IX-hartser gjorda av?

X-hartsmatrisen bildas genom att tvärbinda kolvätekedjor med varandra i en process som kallas polymerisering. Korsbindningen ger hartspolymeren en starkare, mer motståndskraftig struktur och en större kapacitet (i volym). Medan den kemiska sammansättningen av de flesta IX-hartser är polystyren, tillverkas vissa typer av akryl (antingen akrylnitril eller metylakrylat). Polymeren genomgår sedan en eller flera kemiska behandlingar för att binda funktionella grupper till de jonbytesplatser som finns i matrisen. Det är dessa funktionella grupper som ger IX-hartset dess separationsförmåga och varierar avsevärt från en typ av harts till en annan. De vanligaste sammansättningarna omfattar:

• Kationbyteshartser med starka syror (SAC). SAC-hartser består av en polystyrenmatris med en funktionell sulfonatgrupp (SO3-) som antingen är laddad med natriumjoner (Na2+) för mjukgörande tillämpningar, eller vätejoner (H+) för demineralisering
• Svagt sura katjoner (WAC) utbyteshartser. WAC-hartser består av en akrylpolymer som har hydrolyserats med antingen svavelsyra eller kaustiksoda för att producera funktionella grupper av karboxylsyror. På grund av deras höga affinitet för vätejoner (H+) används WAC-hartser vanligtvis för att selektivt avlägsna katjoner som är förknippade med alkalinitet.
• Starka basanjoner (SBA) utbyteshartser. SBA-hartser består vanligtvis av en polystyrenmatris som har genomgått klormometylering och aminering för att binda anjoner till utbytesplatser. SBA-hartser av typ 1 framställs genom applicering av trimetylamin, som ger kloridjoner (Cl-), medan SBA-hartser av typ 2 framställs genom applicering av dimetyletanolamin, som ger hydroxidjoner (OH-).
• Svagt basiska anjonbyteshartser (WBA). WBA-hartser består vanligtvis av en polystyrenmatris som har genomgått klormometylering, följt av aminering med dimetylamin. WBA-hartser är unika eftersom de inte har utbytbara joner och används därför som syraabsorbenter för att avlägsna anjoner i samband med starka mineralsyror.
• Chelaterande hartser. Chelaterande hartser är den vanligaste typen av specialhartser och används för selektivt avlägsnande av vissa metaller och andra ämnen. I de flesta fall består hartsmatrisen av polystyren, även om en mängd olika ämnen används som funktionella grupper, bland annat tiol, trietylammonium och aminofosfon, bland många andra.

Hur fungerar jonbyteshartser?

För att fullt ut förstå hur IX-hartser fungerar är det viktigt att först förstå principerna för jonbytesreaktionen. Enkelt uttryckt är jonbyte ett reversibelt utbyte av laddade partiklar – eller joner – med partiklar med samma laddning. Detta sker när joner som finns på en olöslig IX-harts-matris effektivt byter plats med joner med liknande laddning som finns i en omgivande lösning.

IX-hartset fungerar på detta sätt på grund av dess funktionella grupper, som i huvudsak är fasta joner som är permanent bundna i hartsets polymermatris. Dessa laddade joner binder sig lätt till joner med motsatt laddning, som levereras genom applicering av en motjonlösning. Dessa motjoner kommer att fortsätta att binda till de funktionella grupperna tills jämvikt uppnås.

Under en IX-cykel tillsätts den lösning som ska behandlas till IX-hartsbädden och tillåts flöda genom pärlorna. När lösningen rör sig genom IX-hartset drar de funktionella grupperna i hartset till sig eventuella motjoner som finns i lösningen. Om de funktionella grupperna har större affinitet för de nya motjonerna än de som redan finns i lösningen, kommer jonerna i lösningen att avlägsna de befintliga jonerna och ta deras plats och binda sig till de funktionella grupperna genom gemensam elektrostatisk attraktion. I allmänhet gäller att ju större storlek och/eller valens en jon har, desto större affinitet kommer den att ha med joner med motsatt laddning.

Låt oss tillämpa dessa begrepp på ett typiskt IX vattenavhärdningssystem. I detta exempel består mjukgörarmekanismen av en katjonbytesharts där funktionella grupper av sulfonatanjoner (SO3-) är bundna till IX-hartsens matris. En motjonlösning som innehåller natriumkatjoner (Na+) appliceras sedan på hartset. Na+ hålls fast vid de fixerade SO3-anjonerna genom elektrostatisk attraktion, vilket resulterar i en neutral nettoladdning i hartset. Under en aktiv IX-cykel tillsätts en ström som innehåller hårdhetsjoner (Ca2+ eller Mg2+) till katjonbytesharts. Eftersom de funktionella SO3-grupperna har större affinitet för hårdhetskationerna än för Na+-jonerna, tränger hårdhetsjonerna undan Na+-jonerna, som sedan flödar ut ur IX-enheten som en del av den behandlade strömmen. Hårdhetjonerna (Ca2+ eller Mg2+) å andra sidan hålls kvar av IX-hartsen.

Vad är hartsregenerering?

Med tiden binder förorenande joner till alla tillgängliga utbytesplatser i IX-hartsen. När hartset är uttömt måste det återställas för ytterligare användning genom en så kallad regenereringscykel. Under en regenereringscykel vänds IX-reaktionen i princip om genom att en koncentrerad regenereringslösning används. Beroende på typen av harts och den aktuella tillämpningen kan regenereringsmedlet vara en salt-, syra- eller kaustiklösning. Under regenereringscykeln släpper IX-hartset ut förorenande joner och byter ut dem mot joner som finns i regenereringslösningen. De förorenande jonerna kommer att lämna IX-systemet som en del av regenereringsmedlets utflöde och måste avledas på rätt sätt. I de flesta fall sköljs hartset för att avlägsna eventuella rester av regenereringsmedel före nästa aktiva IX-cykel.

Hur SAMCO kan hjälpa till

SAMCO har över 40 års erfarenhet av att identifiera lämplig IX-härdesteknik för att hjälpa till att sänka kostnader och avfallsvolymer samtidigt som produktkvaliteten ökar. För mer information eller för att komma i kontakt, kontakta oss här för att boka ett samråd med en ingenjör eller begära en offert. Vi kan gå igenom stegen för att utveckla rätt lösning och realistisk kostnad för dina behov av IX-behandlingssystem.

Om du vill veta mer om SAMCO:s innovativa IX-hartslösningar kan du besöka vår sida om jonbyteshärdesteknik här.

Om du vill lära dig mer om jonbyteshartser kan dessa andra artiklar vara av intresse för dig:

• Hur mycket kostar det att köpa, underhålla och bortskaffa jonbyteshartser?
• Högre problem med jonbyteshartser och hur man undviker dem
• Vad är det bästa (och billigaste) sättet att göra sig av med jonbyteshartser?
• Vad är skillnaden mellan katjon- och anjonbyteshartser?
• Vad är de olika typerna av jonbyteshartser och vilka användningsområden har de?
• Vad bör man veta om regenerering av jonbyteshartser?
• Vad är de bästa företagen för tillverkning och leverans av jonbyteshartser?