پدیده تبـــادل یــــون برای اولین بار در ســــال 1850 و به دنبال مــشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یونها مثل آمــــونیوم با یــــون کــلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بـخصوص زئولیتها واجـــد توانایی انجام تبــادل یون هستند. در واقع به رزینهای معـدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یونهای سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف مـی‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند کـه استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.
اما زئولیت‌های سدیمی دارای مـــحدودیتهایی بودند. ایــن زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کــلـسـیـم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغــیـیـر بـاقـی مــی‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواســط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلـیـس نـداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.
برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که بــاعـث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حــذف می‌کنند و رزینهای آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌تـوان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریـافـتـنـد کـه سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گـیـری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلــومـینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امــروزه اکـثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزینهای سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.
شــیــمــی رزیــن‌ها
رزیــن‌هــای مـوازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در مــحـلول را بـا هـمان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزینهای تعــویـض یــونی شـامــل بـار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بــگـونـه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت ایــن تـفـاوت را دارنـد که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال ، یک تعویض کــنـنـده کــاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامـل رادیـکـالـهای آنــیونی SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.
ایـن کـاتـیـونــهـای مـتحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کــنـنـده آنیونی دارای نقــاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیونهای متحرکی مثل -Cl یا -OH به آن متصل می‌باشد. در اثــر تــعــویــض یــون ، کــاتــیــون‌هــا یا آنیونهای موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیونهای موجود در رزین تعویض می‌شود ، بــگــونــه‌ای کـه هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامـد مایـع ســروکــار داریـم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنــکه یـک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:
1. خود دارای یون باشد.
2. در آب غیر محلول باشد.
3. فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد ، بطوریکه یونها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.
در مورد رزینهای کاتیونی هر دانــه رزیــن با آنیـون غیر تحرک و یون متحرک +H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غـــلظـت 25% فرض نمود. این
قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید.
طبقه بندی رزین‌ها
رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
1. رزینهای کاتیونی قوی(( SAC) Strongacidis Cation)
2. رزینهای کاتیونی ضعیف(( WAC) Weak acidis Cation)
3. رزینهای آنیونی قوی SBA) Strongbasic anion) ))
4. رزینهای آمونیونی ضعیف WBA) Weak basic anion))
بــطــور کلی رزینهای نوع قوی در یک محــدوده وسـیــع PH و رزیـن‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولـیـکـن با استفاده از رزینهای نوع ضعیف ، صرفه جویی قابل توجهی در مــصــرف مــوادشیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزیــن‌هـای کــاتیونی قــوی قـادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونــهای هـستند که به قلیائست آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.
نوع قوی
Ca(HCO3)2 OR MgSO4 + 2ZSO3H -----> Ca2++2H2CO3 OR Mg2+ + H2SO4
نوع ضعیف
Mg(HCO3)2 OR Ca(HCO3)2 + 2ZCOOH -----> (ZCOO)2+ + Mg(ZCOO)2+Ca + 2H2CO3
مزیت رزینهای کاتیونی ضعـیف بــازدهی بالای آنها در مقــایـسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد ، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مـکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکــارگیری تــوام رزیــن کــاتـیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی مــی‌بــاشد. رزینهای آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونــهای موجــود در آب بوده ولـــی رزینهای آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قــوی نــظـیر اسـیـدسـولفوریک ، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزینهای آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهــای آنـیـونـی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب ، رزینهای آنیونی قوی در پاین دسـت رزیـنـهـای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.
2HCl OR 2H2SiO3 + 2ZOH -----> 2ZHSio3ZCl + H2O
2HCl OR 2HNO3 + ZOH -----> 2ZCl OR 2ZNO3 + H2O
برخی از کاربردهای رزین‌ها
· رزینهای کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیونهای سختی آور آب بلکه همه یونهای فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا این نوع رزینهای کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.
· بــا رزیــن‌هــای کــاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کــاتیونـها حـذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا بـاید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا ، آهن و منــگـنـز مـحـلول در اب اکـسیـده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رســوب کــرده و بــاعـث آلــوده شدن رزین می‌گردد.
· با استفاده از رزینهای تبادل یونی می‌توان لیــزیــن را که جــز اســـیـدآمــینــه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خــوکــها ، مــاکـیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسـیــد آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مـصـرف مـواد خـام و ... اسـت با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.
· حذف سیلیکا از آبهای صنعتی با استفاده از رزینهای آنیونی قوی
· حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت)
