דֵּיוֹנִיזַצְיָה: סילוק מלחים ומינרלים יוניים (אוֹרְגָּנִים ואִי-אוֹרְגָּנִים) מתמיסה באמצעות חילוף יונים.
מאחר ורוב המַזְהֵמִים המסיסים שבמים הם מלחים מומסים, נְטִילַת-יוֹנִים מסוגלת לייצר מים טהורים באיכות גבוהה הזהה בדר"כ למים מזוקקים. בהשוואה לזִקּוּק מים (Distillation), נְטִילַת-יוֹנִים (Deionization) היא שיטה מהירה יותר, צורכת פחות אנרגיה, וחסכונית יותר, בנוסף להיותה תהליך לְפִי דְּרִישָׁה המספק מים טהורים במיוחד בהתאם לצורך- מאפיין חשוב מכיוון שאיכות המים הטהורים נפגמת במהירות במשך זמן האחסון.
חִלּוּף-יוֹנִים (Ion-Exchange)
סקירה היסטורית
חִלּוּף-יוֹנִים הוא תופעה עתיקת יומין. בגֵאוֹכִימְיָה קיימת קוּשִׁיָּה כיצד נשמר עֵרֶךְ ההֲגָבָה (pH) של מי-האוֹקְיָנוֹסִים קבוע לאורך ימים. הִתְפַּרְצוּיּוֹת גַּעֲשִׁיּוֹת המשחררות כמויות גדולות של פַּחְמָן דּוּ-חַמְצָנִי (CO2), חֻמְצַת מֶלַח (HCl), חומצת מֵימָן בְּרוֹמִי (HBr) וכן גָּפְרִית דּוּ-חַמְצָנִית (SO2), היו צריכות לגרום לירידה ברמת ה-pH של מי הים, אולם הוא דווקא נשמר ואינו משתנה. מתברר שהחַרְסִיּוֹת המצויות בכמויות ענק, ואיתן נמצאים מי-הים במגע, מכילות מינרלים ומתפקדות כמַחֲלִיפֵי-יוֹנִים (ion-exchangers) הקולטים את פְּרוּטוֹנֵי החומצה ובתמורה פולטים יוֹנִים אַלְקָלִים. הקִבּוּל (Capacity) הגדול של מַחֲלִיפֵי-היוֹנִים הוא זה השומר למעשה על חיי הדגים מאז ומתמיד.
שְׂרָפִים מַחֲלִיפֵי-יוֹנִים (Ion-Exchange resins)
המַצָּע הפּוֹלִימֵרִי השכיח בתהליך חִלּוּף-יוֹנִים הינו שְׂרַף חִלּוּף-יוֹנִים. שְׂרָפִים מַחֲלִיפֵי-יוֹנִים הם חומרים אוֹרְגָּנִים סִינְתֵּטִים בלתי מסיסים בעלי מִשְׁקָל מוֹלֵקוּלָרִי גבוה, המסוגלים להחליף את היוֹנִים הקשורים אליהם ביוֹנִים אחרים הנמצאים בתמיסה. בדר"כ שְׂרָפִים מַחֲלִיפֵי-יוֹנִים נפוצים מורכבים מגֵּ'ל-פוליסטירן (ממנו מיוצר הקַלְקָר) מְקוּשָּׁר-צִלּוּב (cross-linked) בדיוינילבנזן כדי לשפר את תכונות הג'ל מבחינה כימית ומכנית: מסיסות, קִבּוּל (capacity), מהירות החילוף, בְּרִירוּת (Selectivity) וחוזק מכני המאפשר עבודה תחת לחץ גבוה. קִשּׁוּר ההַצְלָבָה (cross-linking) יוצר רשת תְּלַת-מְמַדִּית בלתי-מסיסה. אל הרשת הפולימרית של השְׂרָפִים קשורות בקשר כימי קְבוּצוֹת- פוּנְקְצִיּוֹנָלִיוֹת חיוביות או שליליות עם מספר זהה של יוֹנִים המאזנים את המטען החיובי/השלילי שעל הרשת. היוֹנִים האלו מסוגלים ליצור פְּעוּלּוֹת גּוֹמְלִין (אִינְטֶרְאַקְצְיוֹת) אֱלֶקְטְרוֹסְטָטִיוֹת ולהתחלף באופן הפיך עם יוֹנִים אחרים בעלי מטען זהה הנמצאים בתמיסה החיצונית לשְׂרָף.
כיצד עובד תהליך נְטִילַת-יוֹנִים (=דֵּיוֹנִיזַצְיָה)?
חִלּוּף-יוֹנִים הוא תהליך הָפִיךְ וסְטוֹיְכִיּוֹמֶטְרִי הנוצר ע"י תְּגוּבָה (רֵאַקְצִיָּה) של שיווי-משקל בין שתי תמיסות אֵלֶקְטְרוֹלִיט: התמיסה הפנימית שבשְׂרָף המכילה את יוֹני-השְׂרָף והיוֹנִים הנגדיים, והתמיסה החיצונית המכילה את שאר המלחים. התהליך מתבצע באמצעות שְׂרָפִים מַחֲלִיפֵי-יוֹנִים. כאמור, שְׂרָף חִלּוּף קַטְיוֹנִים בדרך-כלל יהיה עשוי מפוליסטירן, המכיל קבוצות חֻמְצָה סוּלְפוֹנִית שליליות, הטעונות ביוֹני מֵימָן (H+) חיוביים המאזנים את המטען השלילי. שְׂרָף חִלּוּף קַטְיוֹנִים מושך אליו את היוֹנִים בעלי המטען החשמלי החיובי שבתמיסה, לדוגמה נַתְרָן (Na+), סִידָן (Ca2+), בַּרְזֶל (Fe2+/Fe3+), ובתמורה משחרר לתמיסה כמות שוות-ערך מבחינה כימית של יוֹני מֵימָן (H+) חיוביים. שְׂרָף חִלּוּף אַנְיוֹנִים בדרך-כלל יהיה עשוי מפוליסטירן, המכיל קבוצות אָמוֹנְיוּם רִבְעוֹנִי חיוביות, הטעונות ביוֹני הִידְרוֹקְסִיד (OH-) שליליים המאזנים את המטען החיובי. שְׂרָף חִלּוּף אַנְיוֹנִים מושך אליו את היוֹנִים בעלי המטען החשמלי השלילי, לדוגמה כְּלוֹרִיד (Cl-), סוּלְפָט (SO42-), ובתמורה משחרר לתמיסה כמות שוות-ערך מבחינה כימית של יוֹני הִידְרוֹקְסִיד (OH-) שליליים. חִלּוּף-יוֹנִים מוריד את ריכוז המלחים במים, כך שהמים היוצאים מכילים ריכוז נמוך של מלחים. יוני המֵימָן (H+) וההִידְרוֹקְסִיד (OH-) שהשתחררו למים מתחברים ויוצרים מולקולות מים (H2O).
מדוע התהליך הזה מתרחש בכלל?
מכיוון שהשְׂרָפִים טעונים חזק יותר ממולקולות המים, היונים הכבדים של המלחים נמשכים לשְׂרָפִים ונוצרת עדיפות למשיכת יוני המלחים ושחרור יוני המֵימָן וההִידְרוֹקְסִיד מהשְׂרָף למים.
לעיתים קרובות השימוש במונח דֵּיוֹנִיזַצְיָה (=נְטִילַת-יוֹנִים) הוא נרדף באופן שגוי למונח דֵּמִינֶרָלִיזַצְיָה (=נְטִילַת- מִינֵרָלִים). בעוד דֵּמִינֶרָלִיזַצְיָה (Demineralization) היא תהליך פיסיקלי של סילוק מינרלים (כולל מתכות ומלחים) הנגרם מהשפעה של כוחות פיסיקליים (סינון ממברנלי), דֵּיוֹנִיזַצְיָה (Deionization) היא תהליך כימי של סילוק יוני המלחים המומסים הנגרם כתוצאה מתְּגוּבָה (רֵאַקְצִיָּה) כימית המפרקת את הקשרים היונים.
דֵּיוֹנִיזַצְיָה גם אינה תהליך של סְפִיחָה כפי שנוהגים להחשיב אותה בטעות. בעוד שבתהליך חִלּוּף-יוֹנִים, השְׂרָפִים מושכים את היונים המומסים שבתמיסה ובתמורה משחררים יונים אחרים, בתהליך הספיחה, הגרגרים (לדוגמה חול או פחם פעיל) לוכדים את המַזְהֵמִים מבלי לשחרר למים חומרים אחרים בתמורה.
היכן נעשה שימוש במַיִם נְטוּלֵי-יוֹנִים (DI Water)?
מַיִם נְטוּלֵי-יוֹנִים (DI Water) או בקיצור מֵי-DI הם מרכיב חיוני במאות יישומים לרבות מחקר, פרמצבטיקה, קוסמטיקה, אלקטרוניקה, עיבוד מזון, ותהליכים תעשייתיים. בדרך-כלל מַיִם נְטוּלֵי-יוֹנִים משמשים כמרכיב אוּלְטְרָה נקי וכחומר מֵמֵס "מושלם", לשטיפת מכשירים וציוד מעבדה, הכנת תרכובות ותרביות גידול רקמות, ניתוח אנליטי, ניקוי פרוסות גבישים ליצירת התקנים מוליכים למחצה, מילוי מים בסוללות עופרת-חומצה ומערכות קירור, הכנת תמרוקים (מופיע בתווית הרכיבים בשם Aqua), סניטציה ועוד.
כמה זמן נמשכת פעולת שְׂרָפִים מַחֲלִיפֵי-יוֹנִים?
עם הזמן מַזְהֵמִים (Contaminants) חיוביים ושליליים במים תופסים את מקומם של יוני המֵימָן וההִידְרוֹקְסִיד הפעילים שבשְׂרָפִים, והמַסְנֵן (נוֹטֵל-יוֹנִים, Deionizer) מאבד את יכולתו להסיר עוד מַזְהֵמִים. מחזור החיים של מַסְנֵן DI יכול להשתנות מאוד ומושפע מאיכות מֵי-ההֲזָנָה (מליחות, עומס אוֹרְגָּנִי, כלור), סוג השְׂרָפִים (חלשים/חזקים, מיקרו/מאקרופורוסי) ותצורת המערכת (חיבור בטור/במקביל, טיפול מקדים, סחרור המים).
כאשר השְׂרָף מגיע למִצּוּי (Exhaustion) יש לנתק אותו מהמערכת ולמסור אותו בחזרה לתהליך רִעְנוּן והִתְחַדְּשׁוּת (Regeneration).
