تعتمد تقنيات معالجة المياه على كثير من الخواص والظواهر الكيميائية والفيزيائية واعتمدت هذه التقنية في كثير من مجالات الصناعة إلا أننا هنا نتحدث عنها كأحدي التقنيات المهمة جداً في عملية معالجة المياه، ولنا عودة عن مواضيع ذات صلة بتقنية المبادلات الأيونية.
المبـــادلات الأيونـــية Ion-Exchange
المبادلات الأيونية هي عبارة عن عملية تعتمد على الإمتزاز adsorption process وتستخدم للتبادل العكسي reversible interchange للايونات ذات الشحنات المتشابه same charge بين كل من sodid ion-exchange medium والمحلول المراد إمتزاز الايونات منه

.
وأول ما استخدمت هذه التقنية استخدمت لعلاج عسر الماء وذلك بإبدال ايونات الكالسيوم Ca+2 والماغنسيوم Mg+2 بايونات الصوديوم، بحيث أن Na2R تمثل ion-exchange medium والـ R تمثل شق البوليمر polymer السالب الشحنة.

Ca+2 + 2NaR CaR2 + 2Na+2

Mg+2 + 2NaR MgR2 + 2Na+2

عندما يتم استخدام أو استهلاك كل المبادلات exchange فانه يمكن تجديد نشاطها وفعاليتها regenerated بواسطة غسلها flushing بمحلول ملحي من كلوريد الصوديوم NaCl تركيزه 5 – 10 %.

CaR2 + 2Na+ Ca+2 + 2NaR

MgR2 + 2Na+ Mg+2 + 2NaR

الايونات المستخدمة لإزالة العسر من الماء softening تعتمد تفاعلاتها على down flow fixed bed reactor، حبيبات الراتنجات granular resin توضع محصورة في حوض من الحديد enclosed metal tank نوعاً ما يكون شبيه لمنظمات سرعة الغاز pressurized rapid في مخططات الفلاتر الرملية sand filter in design. بحيث يكون عمق الطبقة depth of the bed ما بين 0.8 and 2.0 m وذلك لتجنب الدورات الصغير للمياه short-circuiting water عند معدل جريان للماء يكون اقل من1 m3 min-1 m-3 للوسط medium. ما إن يحدث تدني لفعالية أو كفاءة once performance fall طبقات الراتنجات فان الأمر يحتاج لغسيل عكسي أو رجعي backwashed بماء نظيف خالي من ايونات العسر لإزالة الأجسام الصلبة solid ومن ثم تتم القيام بعملية regenerated. المياه المستخدمة لعملية إزالة العسر softening يجب أن تكون ذات عُكارة منخفضة low turbidity وخالية تماماً من أي عضويات لأنها سوف تتحول إلى أجسام ممتزة adsorbed في الوسط أو البيئة medium ومن ثم يصبح inactivating sites.تصنع معظم أوساط المبادلات exchange media من حبيبات أو راتنجات البوليمر polymer resins على الرغم من أنها توجد في الطبيعة على هيئة الزايولت zeolites والذي يكون عبارة عن أمينو سليكات الصوديوم sodium-alumino-silicates وأيضاً يمكن استخدم مواد طبيعية أخرى مثال لها (analcites, clioptilolite and montmorillonite). فالمبادلات الراتنجية متوفر لإزالة مدي كبير wide range من الكاتيونات والأنيونات. الكاتيونات عادة ما تتحول إلى ايونات Na+ أو H+ بينما يتحول الأنيون إلى ايونات OH-. كما يوضح في العمليات الكيميائية أدناه:
Hydrogen cations exchange media

2HR + Ca+2 CaR2 + 2H+

تجدد بواسطة إضافة حمض الكبريتيك تركيزه2-10%
CaR2 + 2H+ 2HR + Ca+2

Hydroxide anion exchange media:

2ROH + SO4-2 R2SO4 + 2OH-
Regeneration is by 5-10% sodium hydroxide:

R2SO4 2OH- 2ROH + SO4-2

While water softening remains the largest application of ion-exchange، ويتم تطبيق هذه العملية أيضاً لإزالة بعض الكاتيونات مثل الكروميوم، الباريوم، الإسترانيوم والراديوم. وكذلك بعض الأنيونات مثل النترات، الفلورايد، السيانيد والهيومايد humates. الراتنجات المختلفة لها ضروب مختلفة من الإلفة (قوة تحمل ذرات الأجسام المختلفة في طبيعتها على الاتحاد لتشكل مركباً ما) affinity وتكون هذه الإلفة على أساس ذات صلة بتراكيز الايونات.
تقاس سعة المبادلات الأيونية للراتنج بواسطة عدد الشحنات التي يمكن استبدلها replace لكل وحدة حجم، والتي يمكن التعبير عنها equivalent (eq m-3). وعملياً يتم باستخدام عمود بسيط محتوي على حجم معلوم من الوسط الناقل known volume of medium. وكمية المبادلات الأنيوينة الكلية تناسب مع عدد شحنات الوسط الناقل المستهلكة أو المستنفدة exhausted شحنات الوسط الناقل. حيث تكون سعة راتنجات المبادلات الانيونية المستخدمة لإزالة العسر من الماء عادةً ما بين 100 – 1500 eq m-3.