التبادل الأيوني ( الشاردي )  Exchange Ion

 اكتشف واي Way عام 1852 ‏أن إزالة الأمونيا  Ammonia  ‏من السوائل المائية بمرورها من خلك بعض أنواع التربة هو في الواقع تبادل مع الكلسيوم المرتبط مع السليكات التي توجد في التربة . وتم توضيح ذلك في راتنجات  ‏التبادل العضوية عندما قام : آدمز وهولمز بنشر بحثهما حول راتنجات Resins التبادل العضوية التركيبية ووصفها براتنجات التبادل الأنيوني . وأصبح اليوم موضوع التبادل الأيوني من العمليات المهمة للتحويل الكيميائي . وقد انتشرت الاستفادة منها بشكل واسع على الصعيد الصناعي ، بما في ذلك الإنتاج التجاري للمياه خالية الشوار وهي ذات ناقلية كهربائية ضعيفة .

‏والتبادل الأيوني هو في الواقع تفاعل كيميائي تتبادل فيه أيونات مميأة في مادة صلبة ، مكافئ بمكافئ ، مقابل أيونات ذات شحنة مماثلة من المحلول .

للمادة الصلبة بنية مفتوحة تشبه شبكة صيد السمك ، وتكون شواردها ذات شحنة كهربائية معتدلة أو ذات شحنة على شكل مجموعات متصلة مع شبكة المادة الصلبة وتدعى المبادل الشاردي .

‏يحدث التبادل الكاتيوني Cation Exchange  عندما يبادل كاتيون متحرك " مشحون إيجابيا ملتصق بمجموعة المبادل الأيوني الثابتة المشحونة سلبيا " بكاتيون آخر في المحلول . ويحدث التبادل الأيوني أيضا عندما يبادل أنيون  Anion متحرك - مشحون سلبيا ملتصق بمجموعة ثابتة مشحونة إيجابيا على راتنج التبادل الأيوني ‏- بأنيون آخر في المحلول .

‏كانت أول النواتج التي استخدمت صناعيا من أجل التبادل الايوني هي الزيوليتات اللاعضوية الموجودة في الطبيعية ، مثل سلكيات الالمنيوم ، التي تتميز باستطاعة تبادل منخفضة جدا . وكان التحسين التالي هو إدخال المبادلات الأيونية العضوية التي تتميز باستطاعة عالية للتبادل . وجاء بعده التحسين الذي أدخلت بموجبه المبادلات الأيونية العضوية المصنوعة من النواتج الطبيعية المسلفنة مثل الفحم والليغنيت Lignite  ‏والخث Peat .

‏معظم راتنجات التبادل الأيوني مرتفعة الاستطاعة تقوم على أساس بولي ستايرين ثاني فينيل البنزين Poly Styrene – Di  Vinyl Benzene ( PSDVB)   

‏يستخدم أكثر من 80% ‏من راتنجات التبادل الأيوني لمعالجة المياه . كما أن استخداماتها لغير الماء مهمة وتتنامى باستمرار . الكتابات التي تغطي كافة هذه الاستخدامات المتعددة واسعة . ويمكن استخدام الراتنجات أيضا لإزالة وتنقية اليورانيوم  Uranium ، أو  اليتريوم Yttrium  ، أو الستربتومايسين Streptomycin ‏( أنظر الفصل 47 ‏) من المحاليل المائية المخففة ، أو لإزالة الشوائب من المحاليل المائية ، كما في شراب السكر لتحسين التبلور، أو في التقنية الغذائية ، أو للمواد الحفارة ، أو ببساطة لتجفيف المذيبات اللاقطبية .

‏تستخدم المعالجة بتبادل كاتيونات الصوديوم على نطاق واسع لتيسير الماء . وأثناء عملية التيسير تزال أيونات الكلسيوم والمغنيزيوم من المياه القساوة عن طريق تبادل الكاتيونات بأيونات الصوديوم . وعندما تزيل راتنجات التبادل بصورة أساسية أيونات الكلسيوم والمغنيزيوم إلى نهاية قدرتها التبادلية تنشط الراتنجات إلى صيغة الصوديوم بمحلول ملحي عند درجة PH  تتراوح بين 6- 8 ‏.

‏تصل قدرة تبادل راتنجات بولي ستايرين إلى 650 كغ / م3 عندما تجدد بـ 250 ‏غ من الملح مقابل كل كيلوغرام من القساوة المزالة . و مبادلات كاتيونات الصوديوم أو الهيدروجين المستخدمة لمعالجة الماء هي عادة من نموذج راتنجات الستايرين - ثاني فينيل البنزين التركيبية المسلفنة . وهذا النموذج مستقر على نحو استثنائي عند درجات الحرارة العالية ( حتى 150 ‏مئوية ) وفي مجال واسع لقيمة ‏PH  يتراوح من 7 ‏- 14 ‏. يضاف إلى ذلك أنها مقاومة للتأكسد . ويصل إجمالي قدرة التبادل إلى 925 ‏كغ من  CaCO3  في المتر المكعب من المبادل الأيوني أثناء تبادل الهيدروجين وإلى 810 كغ من  CaCO3  في المتر المكعب لتبادل الصوديوم . وبشكل عام قدرة التبادل العادية لا تصل إلى هذا الحد .

‏يمثل الرمز R ‏ جذر مبادل الكاتيونات في معادلات التيسير التالية :

‏عندما تستنزف قدرة سرير مبادل الكاتيونات في إنتاج مياه ‏ميسرة تماما ، تفصل وحدة التيسير موقتا من الخدمة ، وتغسل عكسيا لتنظيفها ، ويعاد ترتيب حبيبات الراتنج هيدروليكيا في السرير، وينشط بمحلول الملح العادي (كلور الصوديوم ) الذي ‏يزيل الكلسيوم والمغنيزيوم على شكل كلوريديهما المنحلين ويجدد في الوقت نفسه مبادل الكاتيونات إلى حالة الصوديوم و يغسل لتخليصه من النواتج الثانوية المنحلة ومن الملح ، وعندئذ يعاد إلى الخدمة جاهزا لتيسير حجم آخر مماثل من المياه القساوة . يمكن كتابة تفاعلات التنشيط باستخدام الملح ( أو H₂SO₄ ‏وبتبادل الهيدروجين ) كما يلي :

الصورة 1-1 . ميسر الي للماء بمبادل كاتيونات الصوديوم

تتألف معدات العمليات التي تظهر في الصورة 3 ‏- 2 ‏من خزان أسطواني كبير مغلق يوضع فيه الزيوليت فوق حصى متدرج . يمكن للماء الذي نريد تيسيره أن يجري نزولا عبر الخزان . إضافة إلى ذلك يستخدم خزانين مساعدين ، أحدهما للمياه الملحية والثاني للملح . يمكن إجراء الغسل والتنشيط آليا أو يدويا . تقام هذه الميسرات على خطوط الماء ويتم تشغيلها عند الضغط المناسب للماء . وبما أن المبادل يعمل كمرشح لذلك يتوجب غسل أي رسب ينتج من الماء أو الملح عن طريق غسيل عكسي قعال . يعمل ذلك على تخريب سرير الراتنج وإعادة تصنيفه هيدروليكيا .

‏يحوي الماء الناتج عن التبادل الأيوني على قساوة أقل من 1ppm ‏يعبر عنها كـ ‏كربونات كلسيوم . وفي الحالات التي نواجه فيها ماء عسرا جدا بالبيكربونات فمن الأفضل أن نقوم أولا بمعالجته بالجير وبعده بتبادل الكاتيونات .

‏تعمل المعالجة بالجير على خفض نسبة المواد الصلبة المنحلة عن طريق ترسيب كربونات الكلسيوم وهيدروكسيد المغنيزيوم من الماء ، في حين يبادل راتنج الكاتيونات أيونات الكلسيوم والمغنيزيوم بأيونات الصوديوم . وتكمن فائدة هذه الميسرات في كونها مريحة وتؤمن الماء بقساوة منخفضة جدا بدون مراقبة أو تعديل من البداية حتى التنشيط وإن اختلفت قساوة الماء بين يوم وآخر .

‏هناك تشابه كبير ما بين المعالجة بـ تبادل كاتيونات الهيدروجين وطريقة كاتيونات الصوديوم ، باستثناء احتواء راتنجات التبادل هذه على أيون هيدروجيني قابل للتبادل ويمكن استخدامه لإزالة جميع الكاتيونات . يمثل الرمز R ‏الجذر المعقد لمبادل كاتيونات الهيدروجين في التفاعلات التالية للتبادل مع البيكربونات :

ويمكن كتابة التفاعلات مع الكبريتات و الكلوريدات وباستخدام الرمز R  لتمثيل الجذر العضوي للمبادل كما يلي :

‏يستخدم التجديد لهذه الراتنجات بحمض الكبريت على أوسع نطاق وهي طريقة اقتصادية. وممكن كثابه التفاعلات، في صيغتها المكثفة، كما يلي :

‏المياه الحمضية الناتجة عن هذه العمليات غير مرغوبة لمعظم الأغراض ، ولذلك يعادل هذا الصبيب الحمضي أو يمن ج بالمياه المعالجة بزيوليت الصوديوم . وإذا احتجنا لنزع المعادن من هذه المياه ، فيجب أن نجعلها تمر عبر ماده لتبادل الأنيونات كما نرى في الصورة 1 ‏- 2 ‏.

‏هناك نوعان من المبادلات الأنيونية يقومان إما على أساس قلوي قوي أو ضعيف . وكل منهما يزيل الحموض قوية التأين كحمض الكبريت وحمض كلور الماء وحمض الآزوت ، ولكن المبادلات الأنيونية ذات الأساس القلوي القوي هي وحدها التي تزيل الحموض ضعيفة الت ين كحمض السيليسيك وحمض الكربون وفيما يلي تفاعل مبادل الأنيونات للحمض قوي التأين حيث تمثل R₄N⁺‏ الجذر المعقد لمبادل الأنيونات :

‏الصورة 1 ‏- 2 ‏. أجهزة لنزج المعادن من الماء على مرحلتين

 ‏تنشط مبادلات الأنيونات ذات الأساس القلوي القوي بالصودا الكاوية ، ويمكن تنشيط المبادلات الأنيونية ذان الأساس الضعيف بالصودا الكاوية ( ماءات الصوديوم ) أيضأ أو بكربونات الصوديوم أو أحيانا بهيدروكسيد ( ماءات ) الأمونيوم .