وحدات التبادل الشاردي

وحدات التبادل الشاردي

اضغط هنا للتحميل على صيغة PDF

يُمرر الماء العسر الحاوي شوارد الكالسيوم والمغنيزيوم على مركبات تسمى الزيوليت مثل مادة الأنالسيت ليتم استبدالهما بشوارد أخرى كالصوديوم مانعة حدوث عمليات الترسيب:

Na₂O.Al₂O₃.4SiO₂.2H₂O + Ca ^{+ +}→ CaO.Al₂O₃.4SiO₂.2H₂O + 2 Na ⁺

 وتؤمن هذه الطريقة حصولنا على مياه بدرجة قساوة الصفر، ليبدأ الزيوليت بالتخامد فنعود لتنشيطه بملح الطعام ليعود إلى أصله من جديد:

CaO.Al₂O₃.4SiO₂.2H₂O + 2 NaCl → Na₂O.Al₂O₃.4SiO₂.2H₂O + CaCl₂

الراتنجات الحديثة: تدخل الأمينات الثنائية العطرية والأمينو- فينولات والأمينات كالفينول في تفاعل تكاثفٍ متعدد مع الفورم ألدهيد بسهولة، ونحصل باعتماد نسب تفاعل ودرجة حموضةٍ معينتين على بوليميرات عالية الوزن الجزيئي وذاتِ تركيبٍ فراغي شبكي، ويكون لهذه البوليميرات شكل حبات الزجاج الأسود أو البني القاتم، غير ذوابة بالماء أو بالمذيبات الأخرى، كما أنها تنتفخ بالماء وبالمحاليل الملحية والحموض.

ونظراً لاحتواء هذه المركبات على مجموعتي -NH-  و -NH₂ القطبيتين وذوات الخواص القلوية فإنهما يشكلان عند انتفاخهما بالماء شاردة هيدروكسيل –OH وشاردة موجبة ضخمة الجزيء وغير قابلة للذوبان ما يجعلنا نعتبرها أسساً ضعيفة ذات وزن جزيئي عالي، وأهم ما يميز هذه البوليميرات قدرتها على الدخول في تفاعل تبادل مع المحاليل الكهرليتية لتكوين أملاح وفق التفاعل التالي:

ونتيجة انتفاخ أو انتباج هذا البوليمير بتأثير المحاليل الملحية تزداد سرعة انتشارالشوارد فيه ما يرفع من سرعة التبادل الشاردي برغم عدم ذوبانه حتى يتم التبادل على كامل الوظائف القابلة للتبادل فيه (أي الوصول لحد الإشباع أو استنزاف كامل سعته)، وإذ ذاك نعمد لتجديد الرزين بمعالجته بمحاليل ملحية أو حمضية أو قلوية بحسب طبيعة وظائفه الأساسية كما هو الحال مع الآنالسيت.

ويمكن لهذا البوليمير أن يدخل بتفاعلٍ عكسي مع المحاليل الكهرليتية ما أمكننا أن نعتمدها كمرشحاتٍ للتبادل الشاردي يمكننا معها استخلاص الشوارد من المحاليل الكهرليتية المراد معالجتها أو تنقيتها، ولذلك أُطلِقَ عليها اسم راتنجات التبادل الشاردي، ونجد منها على سبيل المثال راتنج السلفو- بولي فينولات:

راتنج السلفو- بولي فينولات: يتم اصطناع هذا الرزين من تكاثف حمض البارا – فينول – سلفونيك مع الفورم ألدهيد:

وهي حموض عالية الوزن الجزيئي غير ذوابة بالماء ولكنها تنتفخ فيه، وتمتص الشوارد الموجبة من محاليل الأملاح المائية بسهولة وفق التفاعل:

ويمكننا بعد هذه المرحلة استخلاص الأملاح نقيةً بمعالجة الملح البوليميري المتشكل بالحموض، وتُسَمى البوليميرات الحاوية مجموعات شاردية حمضية بالكاتيونيات، وعلى مجموعات شاردية سالبة بالأنيونينات، ونرى في الجدول التالي بعضاً منها:

سعة تبادل الراتنج: يُعَبَر عن سعة التبادل بعدد مكافئات الشوارد المطلوب عزلها أو استبدالها والتي يمكن لوحدة وزن من الراتنج أن يبادلها حتى وصوله حد الإشباع، وتزداد السعة باحتوائه عدداً أكبر من المجموعات الوظيفية القادرة على التبادل.

مبادئ اختيار الراتنج: يتم اعتماد راتنج معين بعد تحديد كثافته وقدرته أو قابليته على الانتفاخ Swelling capacity وسعة تبادله الاحصائية والكاملة.

4-2-3- تنشيط الراتنج: يبدأ الراتنج بالتشرد بعد انتشار المحلول الملحي إثر انتفاخه وبالتالي بدء عملية التبادل فيما بين شاردة هيدروجين مع شاردة صوديوم أو شاردتي هيدروجين مع شاردة كالسيوم حتى وصولنا لحالة توازن بين الراتنج والمحلول الملحي، وهكذا يتوقف عمل الراتنج كمبادلٍ شاردي ما يضطرنا لإعادة تنشيطه بمعالجته تحت ضغوطٍ متوسطة بمحلول حمضي أو قلوي أو ملحي بحسب طبيعة الراتنج.

الراتنجات المختلطة: تعمد بعض الشركات الصانعة لوحدات المبادلات الشاردية لاعتماد مزيج من الراتنجات الموجبة والسالبة لتحقيق الغاية المشتركة من النوعين في آنٍ معاً، إذ يتم التبادل هنا بالشوارد المعدنية مثل الصوديوم وشوارد الكلور أو الهيدروكسيل…، وعندما يجري التفاعل بكامل الشوارد الراتنجية تفقد قدرتها على التبادل ما يضطرنا لمعالجتها بمحلول كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) الذي يقوم بتخليصها من كل ما تبادلت به وإعادتها لحالها الأصل لتعود قادرةً على استخلاص الشوارد من المياه المراد معالجتها من جديد.

مواصفات أجهزة التبادل الشاردي: يتم بناء أجهزة التبادل الشاردي وفق مجموعة مواصفات تتضمن عادة النقاط الأهم المبينة في الجدول التالي:

نشكر الأستاذ الكيميائي بلال الرفاعي على إرسال هذا الملف