رزین کاتیونی و کاربرد آن

رزین کاتیونی چیست و چه کاربردی دارد؟
رزین کاتیونی (Cation exchange resins) دانه های پلاستیکی کوچک و متخلخلی هستند که با یک بار ثابت شارژ شده اند. رزین کاتیونی برای تبادل یونی به منظور جداسازی یا حذف یونهای نامطلوب از مایعات و گازها بکار می رود.

در واقع تکنیک تبادل یونی با استفاده از رزین کاتیونی یا آنیونی در فرآیندهای مختلفی مانند تصفیه آب و فاضلاب، تکنیک های کروماتوگرافی، خالص سازی داروها و غیره مورد استفاده قرار می گیرد. 

رزین تبادل یونی، رزین یا پلیمر است که به عنوان واسطه برای تبادل یونی عمل می کند. رزین ها از یک ساختار نامحلول با ریزدانه های کوچک با شعاع 0.25- 0.5 میلی متر تولید شده اند که معمولا به رنگ سفید یا زرد هستند.

ریزدانه های بکار رفته در ساختار رزین های تبادل یونی متخلل و دارای مساحت داخلی زیادی هستند که با آزادسازی برخی یونها باعث به دام افتادن یونهایی با بار مخالف می شوند به همین دلیل به این فرآیند تبادل یونی گفته می شود.

در حال حاضر انواع مختلفی از رزین های تبادل یونی وجود دارد و بیشتر رزین های تجاری از پلی استایرن سولفونات ساخته شده اند.

رزین کاتیونی و آنیونی دو رزین رایج است که در فرآیند تبادل یونی مورد استفاده قرار می گیرد. در حالی که رزین های آنیونی یون های با بار منفی را جذب می کنند، رزین های کاتیون یون های با بار مثبت را به خود جذب می کنند. در ادامه به انواع رزین کاتیونی اشاره میکنیم.

رزین کاتیونی قوی:
رزین کاتیونی قوی کاربردهای فراوانی دارند و به خصوص به عنوان نرم کننده در رفع یون های موجود در آب سخت مانند منیزیم (Mg +) یا کلسیم (Ca2 +) موثر است. انواع خاصی از این رزین های همچنین برای کاربردهایی که خواستار حذف باریم و رادیوم از آب آشامیدنی یا مایعات دیگر هستند، تولید شده است. رزین های کاتیونی توسط اکسیدان ها آسیب دیده و توسط آهن یا منگنز آلوده می شوند، بنابراین باید مراقب باشید تا رزین در معرض این مواد قرار نگیرد.

رزین کاتیونی ضعیف:
رزین کاتیونی ضعیف، کاتیون های مرتبط با قلیاها (سختی موقتی) را حذف می کنند و برای کاربردهای مینرال زدایی و دالکیلاسیون استفاده می شوند. علاوه بر این، رزین های کاتیونی ضعیف در برابر اکسیداسیون نسبتاً بالا مقاوم هستند و پایداری مکانیکی خوبی دارند که باعث می شود آنها برای جریان هایی که حاوی اکسیدان هایی مانند پراکسید هیدروژن و کلر هستند، انتخاب خوبی باشند.

کاربردهای رزین کاتیونی:
اصلی ترین کاربرد رزین کاتیونی از بین بردن سختی آب است و برای جایگزینی یون های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت از یون های سدیم استفاده می شود. هنگامی که رزین تازه است، در مکان های فعال خود حاوی یون های سدیم است.

در تماس با محلول حاوی یون های منیزیم و کلسیم (اما غلظت کم یون های سدیم)، یون های منیزیم و کلسیم ترجیحاً از محلول به مکان فعال روی رزین مهاجرت می کنند و در محلول توسط یون های سدیم جایگزین می شوند. این فرایند با غلظت بسیار کمتر یون های منیزیم و کلسیم در محلول نسبت به جریان اولیه به تعادل می رسد.

رزین را می توان از طریق شستشو با محلول حاوی غلظت بالای یون های سدیم دوباره شارژ کرد، به عنوان مثال محلولی که مقدار زیادی نمک معمولی (NaCl) در آن حل شده است. بدین ترتیب یون های کلسیم و منیزیم از رزین مهاجرت می کنند و تا زمانی که تعادل جدید حاصل شود و توسط یون های سدیم موجود در محلول جایگزین می شوند. معمولا از نمکی برای شارژ مجدد یک رزین تبادل یونی استفاده می شود، که خودش برای نرم کردن آب مورد استفاده قرار می گیرد.

شایان ذکر است که رزین های تبادل یون تصفیه آب خانگی معمولاً شارژ نمی شود و هنگامی که قابل استفاده نباشد باید دور انداخته شوند.

از رزین کاتیونی می توان برای حذف یونهای سمی مانند مس یا یونهای فلزی خطرناک مانند (به عنوان مثال سرب یا کادمیوم) استفاده کرد و آنها را با یون های بی اثر و کم خطر مانند سدیم و پتاسیم جایگزین می کند.

آب با بالاترین خلوص برای لوازم الکترونیکی، آزمایش های علمی، تولید ابررساناها و صنایع هسته ای مورد نیاز است. چنین آبی با استفاده از فرآیندهای تبادل یونی یا ترکیبی از روش های تبادل یونی و غشایی تولید می شود.

تعداد کمی از رزین های تبادل یونی، کلر یا آلاینده های آلی را از آب خارج می کنند. این کار معمولاً با استفاده از فیلترهای ذغال فعال که با رزین مخلوط می شود، انجام می شود. با اینحال برخی از رزین های تبادل یونی وجود دارند که یون های آلی را حذف می کنند، مانند رزین های MIEX (تبادل یونی مغناطیسی).

رزین های تبادل یونی نه تنها برای کاتالیز واکنش های خاص بلکه در جداسازی و تصفیه مواد فعال دارویی در ساخت داروها مورد استفاده قرار می گیرند. سه رزین تبادل یونی، سدیم پلی استایرن سولفونات، کلستیپول و کلستیرامین به عنوان ترکیبات فعال استفاده می شوند.

پلی استایرن سولفونات سدیم یک رزین تبادل یونی به شدت اسیدی است و برای درمان هایپرکالمی استفاده می شود. کلستیرامین یک رزین تبادل یونی بازی قوی است و از آن برای درمان فشار خون بالا استفاده می شود. کلستیپول و کلستیرامین به صورت طبیعی در ترشحات صفراوی وجود دارند.

رزین های تبادل یونی همچنین به عنوان مواد تحریک کننده در فرمولاسیون داروهایی مانند قرص، کپسول، آدامس و سوسپانسیون استفاده می شود. در این مواد رزین تبادل یونی می تواند چندین کارکرد مختلف داشته باشد. ماسک کردن طعم، انتشار طولانی دارو در بدن، تغییر روند تجزیه قرص، افزایش دسترسی پذیری زیستی و بهبود پایداری شیمیایی ترکیبات فعال دارو برخی از این کارکردها می باشد.