สารแลกเปลี่ยนอิออนแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ ซีโอไลต์ (Zeolite) และเรซินแลกเปลี่ยนอิออน แต่เนื่องจากซีโอไลต์มีอำนาจในการแลกเปลี่ยนอิออนได้ต่ำ จึงไม่นิยมใช้เท่ากับเรซิน
ซีโอไลต์เป็นสารประกอบที่มีความสามารถแลก Na+ ที่อยู่ในตัว กับอิออนบวกที่อยู่ในน้ำ ซีโอไลต์มี 2 ชนิด คือ แบบธรรมชาติ และแบบสังเคราะห์ ซีโอไลต์แบบธรรมชาติ ได้แก่ ทรายเขียว (Green sand) เป็นแร่ที่มีอยู่ตามธรรมชาติ
เรซินแลกเปลี่ยนอิออนใช้ในการกำจัดอิออนออกจากน้ำ เช่น Ca2+, Mg2+, SO42-, Cl- เป็นต้น อาจมีการใช้เรซินสังเคราะห์พิเศษเพื่อกำจัดโลหะหนักออกจากน้ำ เช่น อาเซนิก, แบเรียม, โครเมียม, แคดเมียม, โคบอลต์, ทองแดง, ทอง, ตะกั่ว, เงิน, สังกะสี เป็นต้น
โครงสร้างของเรซินแลกเปลี่ยนอิออน
เรซินมีโครงสร้างประกอบด้วย 2 ส่วนที่สำคัญ คือ โครงร่างที่ไม่มีประจุไฟฟ้า และหมู่อิออนที่มีประจุไฟฟ้า (Functional group)
1. โครงร่างของเรซินสร้างขึ้นจากไฮโดรคาร์บอนจำนวนมากที่เป็นชนิดเดียวกัน (Styrene) ต่อกันเป็นสายยาว และมีไฮโดรคาร์บอนมีชนิดหนึ่ง (Divinyl benzene, DVB) ทำหน้าที่ประสานเพื่อทำให้เกิดรูปร่างเป็น 3 มิติ ที่มีความโปร่ง พรุน โดยความโปร่งของเรซินขึ้นอยู่กับความเหนียวแน่นของการประสาน (Degree of crosslinkage) ซึ่งวัดจากปริมาณของ DVB ที่ใช้เป็นส่วนผสมของการทำเรซิน โดยปกติจะใช้ประมาณ 8-12% DVB (นั่นคือมี styrene อยู่ 88-92%)
2. หมู่อิออนของเรซินเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมต่างๆ ของเรซิน เช่น ความสามารถหรืออำนาจในการแลกเปลี่ยนอิออน หมู่อิออนจะเกาะติดอยู่กับโครงร่างและไม่เคลื่อนที่ ทำให้เรซินมีประจุบวกหรือลบประจำตัว เช่น
- ถ้าหมู่อิออนที่จับบนเรซินเป็น ซัลโฟนิก (SO3-) หรือคาร์บอกซิลิก (COO-) ทำให้เรซินมีประจุลบประจำตัว และเรียกว่า Cationic resin ซึ่งใช้ในการกำจัดอิออนบวกออกจากน้ำ
- ถ้าหมู่อิออนที่จับบนเรซินเป็น อามีน เช่น RRNH2+ ทำให้เรซินมีประจุบวกประจำตัว และเรียกว่า Anionic resin สามารถใช้กำจัดอิออนลบออกจากน้ำ
โครงร่างไฮโดรคาร์บอนและหมู่อิออนที่มีประจุไฟฟ้า จับตัวกันเป็นส่วนประกอบถาวรของเรซิน แต่จะมีอิออนอิสระที่มีประจุตรงกันข้าม มาทำให้เรซินเป็นกลาง เรซินใหม่จะมี H+, Na+, Cl-, OH- ตัวใดตัวหนึ่งเป็นอิออนอิสระ อิออนอิสระนี้จะจับอยู่กับหมู่อิออนของเรซินอย่างชั่วคราว เป็นอิออนที่เคลื่อนที่ได้ และพร้อมที่จะแลกเปลี่ยนกับอิออนอื่นที่ต้องการกำจัดออกจากน้ำ
คุณสมบัติทั่วไปของเรซิน
1. ต้องมีอิออนอิสระที่สามารถใช้แลกเปลี่ยนอิออนที่ต้องการกำจัดออกจากน้ำได้, ต้องไม่ละลายน้ำ, ต้องมีช่องว่างภายในโครงร่างไฮโดรคาร์บอนอย่างเพียงพอ เพื่อให้อิออนต่างๆ เคลื่อนที่ผ่านเข้าออกได้สะดวก
2. เรซินทั่วไปมีลักษณะกลม ขนาดใกล้เคียงทรายกรอง แต่หนักไม่เท่า มีค่า ถ.พ. ประมาณ 1.3 (ถ.พ. ทราย 2.65) มีความชื้นภายในตัว 40-50%
3. เรซินมีความสามารถในการกักเก็บน้ำไว้ในตัว ซึ่งมีความสำคัญต่ออำนาจในการแลกเปลี่ยนอิออน ระดับการบวมน้ำ (หรือกักเก็บน้ำ) เมื่อแช่อยู่ในน้ำของเรซินขึ้นอยู่กับ Degree of crosslinkage ถ้าเรซินมีไฮโดรคาร์บอนที่มีแรงยึดเหนียวต่ำ ช่องว่างภายในจะมีมาก เก็บน้ำได้มาก แต่ความสามารถ (คิดต่อปริมาตรของเรซิน) ในการแลกเปลี่ยนอิออนในน้ำจะต่ำ ในทางตรงข้ามเรซินที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างไฮโดรคาร์บอนสูง จะมีความสามารถ (คิดต่อปริมาตร) ในการแลกเปลี่ยนอิออนสูง มีความชื้นน้อยและพองตัวน้อย อย่างไรก็ดี ถ้าแรงยึดเหนี่ยวสูงเกินไปจนทำให้ช่องว่างภายในเรซินเหลือน้อย อิออนไม่สามารถเคลื่อนที่เข้าออกได้สะดวก ความสามารถในการแลกเปลี่ยนอิออนจะลดลง และอาจทำให้เรซินแตกง่ายด้วย
4. เรซินมีหน้าที่ในการกำจัดสารละลายน้ำที่อยู่ในรูปของอิออนเท่านั้น ผู้ใช้ไม่ควรใช้เรซินแทนทรายกรองน้ำเป็นอันขาด เพราะสารแขวนลอยต่างๆ จะลดทอนอายุการใช้งานของเรซิน ดังนั้นน้ำที่จะเข้าถังเรซินควรเป็นน้ำใส
ที่มา : วิศวกรรมการปประปา, มั่นสิน ตัณฑุลเวศม์ |
