เรซินแลกเปลี่ยนไอออน (Ion Exchange Resin)

เรซินแลกเปลี่ยนไอออน (Ion Exchange Resin) เป็นสารแลกเปลี่ยนไออนที่สังเคราะห์ขึ้นโดยกระบวนการทางเคมี มีลักษณะเป็นเม็ดกลมๆขนาดเล็ก (โดยทั่วไปขนาด 0.3-1.2 มม.)

               เรซินแลกเปลี่ยนไอออนมีโครงสร้างที่ประกอบด้วย 2 ส่วน คือ 1.ส่วนโครงร่าง และ 2. หมู่ไอออนที่มีประจุไฟฟ้า

               1.ส่วนโครงร่างจะเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เรียงต่อกันเป็นเส้นยาว (Styrene) และไฮโดรคาร์บอนที่เชื่อมประสาน (Divinyl benzene) ทำให้โครงร่างเป็นสามมิติ มีความโปร่งและรูพรุน คงรูปร่างอยู่ได้ ไม่แตกหักง่าย ไม่ละลายน้ำ ส่วนที่เป็นโครงร่างนี้จะไม่มีประจุไฟฟ้า

               2.หมู่ไออนที่มีประจุไฟฟ้า (หรือ Functional Group) เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมต่างๆ 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
          โครงร่างไฮโดรคาร์บอนและหมู่ไอออนที่มีประจุไฟฟ้า จับตัวกันเป็นส่วนประกอบถาวรของเรซิน แต่จะมีไอออนอิสระที่มีประจุตรงกันข้าม มาทำให้เรซินเป็นกลาง เรซินใหม่จะมี H+, Na+, Cl-, OH- ตัวใดตัวหนึ่งเป็นไอออนอิสระ  โดยไอออนอิสระนี้จะจับอยู่กับหมู่ไอออนของเรซินอย่างชั่วคราว เป็นไอออนที่เคลื่อนที่ได้ และพร้อมที่จะแลกเปลี่ยนกับไอออนอื่นที่ต้องการกำจัดออกจากน้ำ

               เรซินแลกเปลี่ยนไออนแบ่งได้ 4 ชนิด คือ

               เรซินแบบกรดแก่ (strong acidic cationic resin)

               เรซินแบบกรดอ่อน (weak acidic cationic resin)

               เรซินแบบด่างแก่ (strong basic anionic resin)

               เรซินแบบด่างอ่อน (weak basic anionic resin)

               การเลือกใช้เรซินในการแลกเปลี่ยนไอออนขึ้นอยู่กับคุณภาพน้ำ/สารละลายที่ และวัตถุประสงค์ของการใช้งาน

รีเจนเนอเรชัน

               รีเจนเนอเรชัน หมายถึง การทำให้เรซินที่หมดอำนาจไปแล้วกลับฟื้นตัวขึ้นมามีอำนาจในการแลกเปลี่ยนไอออนใหม่อีก การที่เรซินหมดอำนาจ (ชั่วคราว) เป็นเพราะว่าไอออนอิสระส่วนใหญ่ใน เรซินถูกนำไปแลกเปลี่ยนกับไอออนอื่นในน้ำ จนหมดสิ้น การทำรีเจนเนอเรชันได้แก่ การขับไล่ไอออนในเรซินที่แลกมาจากน้ำ และเติมไอออนอิสระให้กับเรซิน ทำให้เรซินกลับสู่สภาพเดิม และมีอำนาจในการแลกเปลี่ยนไอออนอีกครั้งหนึ่ง สารเคมีที่ใช้เติม ไอออนอิสระให้กับเรซิน ที่เสื่อมอำนาจไปแล้วเรียกว่าสารรีเจนเนอแรนต์ (regenerant ) ตัวอย่างของสารรีเจอเนอแรนต์ ได้แก่ NaCl ซึ่งใช้เติม Na+ หรือ Cl- ให้กับเรซิน หรือ H2SO4 ซึ่งใช้เติม H+ ให้กับเรซิน หรือ HCl ซึ่งใช้เติม H+ ให้กับเรซิน เป็นต้น

               ประสิทธิภาพในการทำรีเจนเนอเรชัน (regeneration efficiency) หมายถึง อัตราส่วนระหว่าง จำนวนสมดุลของไอออน ในเรซินที่เสื่อมแล้ว และจำนวนสมดุลของไอออนในสาร รีเจนเนอแรนต์ ที่นำมาแลกเปลี่ยน ถ้ามีประสิทธิภาพเท่ากับ 100 % หมายความว่า ไอออนที่แลกเปลี่ยนระหว่างกัน ของสารรีเจนเนอแรนต์ กับของเรซินที่เสื่อมอำนาจแล้วมีจำนวนเท่ากัน อย่างไรก็ตาม โดยปกติแล้วการแลกเปลี่ยน ไอออน จากเรซินที่เสื่อมอำนาจแล้วมักต้องใช้ไอออนจำนวนมากว่าสารรีเจนเนอแรนต์ กล่าวคือ ประสิทธิภาพในการ ทำรีเจนเนอเรชันมักมีค่าไม่ถึง 100 %

 การทำความสะอาดก่อนการแลกเปลี่ยนไอออน
               เรซินมีหน้าที่ในการกำจัดสารละลายน้ำที่อยู่ในรูปของไอออนต่าง ๆ เท่านั้น ผู้ใช้ไม่ควรใช้เรซินทำหน้าที่แทน สารกรองน้ำเป็นอันขาด น้ำที่ผ่านเข้าถังเรซินจึงควรเป็นน้ำใสที่มีความขุ่น หรือ ตะกอนแขวนลอย หรือ แก๊สละลายน้ำ หรือ น้ำมัน ลอยอยู่น้อยที่สุด สารมลทินต่าง ๆ ดังกล่าว ทำให้อายุของเรซินสั้นกว่าที่ควรจะเป็น ในกรณีที่น้ำดิบได้มา จากแหล่งน้ำผิวดินจะต้องกำจัด ตะกอนแขวนลอยต่างๆ ออกจากน้ำด้วยกระบวนการต่าง ๆ เช่นโคแอกกูเลชัน การตกตะกอน การกรอง เป็นต้น เสียก่อนจึงจะส่งผ่านน้ำเข้าถังเรซินได้ คลอรีน หรือ ออกซิไดซิงเอเจนต์ อื่น ๆ อาจทำลายเรซินบางชนิดได้ โดยเฉพาะประเภทกรดอ่อน หรือด่าง ทำให้ไม่สามารถแลกเปลี่ยนไอออนได้
ประโยชน์ของกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน
               เรซินแลกเปลี่ยนไอออนสามารถกำจัดสารละลาย ต่าง ๆ ที่อยู่ในรูปไอออนได้ อย่างไรก็ตามการแลกเปลี่ยนไอออน ไม่ค่อยเหมาะสำหรับสารละลาย (TDS) ที่มีความเข้มข้นสูงกว่า 500 มก./ล เพราะต้นทุนสารเคมีในการดูแลระบบจะค่อนข้างสูง ควรพิจารณาใช้ควบคู่กับระบบ reverse osmosis หรือ electrolysis

กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนนี้สามารถใช้ทำความสะอาดน้ำ เพื่อกำจัดสารมลทิน เฉพาะอย่างในน้ำได้ดังต่อไปนี้

- กำจัดความกระด้าง

- กำจัดความเป็นไบคาร์บอเนต

- กำจัดเกลือแร่ทุกชนิดเพื่อผลิตน้ำบริสุทธิ์