Принцип роботи іонообмінної смоли у системах пом'якшення води

Підвищена жорсткість – це одна з найпоширеніших проблем водопровідної води. Для її вирішення найчастіше використовують спеціальні фільтри-пом'якшувачі з іонообмінною смолою.

Іонообмінна смола – це спеціальний матеріал із синтетичних полімерів, який використовується у системах пом'якшення води. Процес пом'якшення води за допомогою іонообмінних смол називається іонним обміном.

Як працюють іонообмінні смоли?

У процесі пом'якшення вода із підвищеною жорсткістю проходить через смолу. При їх контакті відбувається взаємний обмін іонами між смолою та водою: іони кальцію та магнію затримуються у смолі, а іони натрію із смоли переходять у воду. Звідси береться назва процесу – іонний обмін. В результаті жорсткість знижується, і вода стає м'якою та комфортною для використання.

Так як іони кальцію та магнію з часом накопичуються в іонообмінній смолі, її потрібно періодично регенерувати. Для цього використовують розчин солі. Сіль промиває смолу, видаляючи з неї кальцієві та магнієві іони та насичуючи іонами натрію. Таким чином, відновлюється здатність смоли пом'якшувати воду.

Як влаштований фільтр-пом'якшувач?

Здебільшого фільтри-пом'якшувачі з іонообмінною смолою складаються з:

-корпусу або балона фільтра;

-Клапан управління, за допомогою якого регулюється робота фільтра;

-іонообмінної смоли у вигляді фільтруючого завантаження;

-Сольового бака для приготування розчину солі. У сучасних системах пом'якшення регенерація відбувається автоматично. При налаштуванні системи можна вибрати періодичність промивання смоли, і система буде регенерувати завантаження у вибраний час.

Фільтр-пом'якшувач WiseWater Shark

У фільтрі-пом'якшувачі WiseWater Shark є не лише автоматична регенерація смоли, а й датчик контролю солі. Як він працює?

Під час регенерації фільтр WiseWater Shark за допомогою спеціального датчика перевіряє електропровідність сольового розчину. Якщо показник нижче за норму, система подає звуковий сигнал і виводить на екран повідомлення про необхідність поповнення солі.

Ця функція дозволяє заздалегідь дізнаватися про зниження концентрації солі та допомагає уникнути «порожніх» промивок та непередбачених витрат води.

Дізнатися про інші переваги систем WiseWaterShark ви можете на нашому сайті або за телефоном у менеджерів.

Іонообмінна смола

Для водопідготовки використовуються сучасні технології очищення, наприклад, обладнання зворотного осмосу, картриджні механічні та сорбційні фільтри, ультрафіолетові установки. Один із варіантів отримання якісної питної води – фільтрація іонно-обмінним способом, що здійснюється завдяки особливим властивостям спеціальних іонообмінних смол. У цій статті розглянемо всі їхні види, основні характеристики та правила вибору.

Що являє собою смола

Іонообмінна смола – що це таке? Незважаючи на назву, вона має не смолянисту структуру, а тверду. Це напівпрозорі світло-коричневі, білі або жовті кульки маленьких розмірів – від 0,3-0,5 до 1,5 мм у діаметрі. На фото та насправді такі полімерні гранули сферичної правильної форми нагадують дрібнозернисту риб'ячу ікру.

Іонообмінні смоли для води виготовляються із синтетичних полімерів та їх комбінацій з іншими речовинами.Популярні варіанти поєднань компонентів – стирол із дивінілбензолом, фенолформальдегідні полімерні сполуки, дивінілбензол із метакриловою кислотою.

Іонообмінні смоли для пом'якшення питної води або інших цілей виробляють способами полімеризації або полімераналогічних перетворень інертних полімерів або мономерів з іоногенними групами. Як вихідна сировина зазвичай використовуються полімери з сітчастою структурою. Це акрилова кислота та її похідні, стирол, дієни та вінілпіридини.

Смоли – нерозчинні у звичайних розчинниках гранули. Розчинність у воді також відсутня. Проте полімери здатні помірно набухати в органічних розчинниках, електролітних розчинах.

Навіщо потрібні іонообмінні смоли

Іонообмінна смола може застосовуватись у таких сферах:

• Очищення води із центрального водопроводу чи свердловини у приватному будинку, на дачі, квартирі. Багатьма виробниками випускається смола для фільтрів побутового типу – пом'якшувачів, знезалізнювачів. Завантаження виводять зі складу води розчинені солі магнію та кальцію, що підвищують жорсткість, а також залізо та інші метали, наприклад, марганець.
• Організаційний синтез. Іонообмінні смоли використовуються як каталізатори.
• Гідрометалургія. У цій галузі смоли для іонного обміну застосовуються для процесів поділу, виділення кольорових чи рідкісних металів.
• Обробка стічних вод та зворотних. Іонні фільтруючі смоли використовуються у спеціальних очисних спорудах.
• Хімічна промисловість. Іонообмінні смоли дозволяють якісно очищати, розділяти різні елементи та з'єднання.
• Металообробка. Смоли використовують із метою регенерації відходів гальваніки.
• Теплоенергетика.Іонна технологія очищення теплоносіїв активно використовується на АЕС, ГЕС, котельнях. Смола забезпечує видалення з води сольових сполук, які мають властивість формувати наліт накипу на робочих поверхнях, провокувати поломки нагрівального обладнання і навіть повністю виводити його з ладу.
• Виробництво харчових продуктів, напоїв. На промислових підприємствах смола для фільтрів використовується при виготовленні пива та інших алкогольних напоїв, цукру, чистої води, бутильованої води, кондитерських та інших виробів.

Смоли для очищення води – це не хімічні реагенти, не реактиви. Вони не запускають реакції, не формують нових сполук у воді. Це фізичне особливе середовище, в якому відбувається процес іонного обміну.

Як працює іонообмінна смола для фільтрів

В основі принципу роботи всіх станцій іонного обміну – обмінні оборотні процеси, що відбуваються у смолі. Вода, потрапляючи в колону із завантаженням, проникає у кульки іонітів, де притягується до функціональних груп та прикріплюється до них. Небажані іони, які потрібно видаляти з води, заміняються безпечними частинками з таким же зарядом. Зазвичай, це іони натрію або водню.

Іонний склад рідини, що обробляється, змінюється. Але сума числа набоїв зберігається. Іонообмінна смола має певний ресурс. Коли вона виснажується, ефективна фільтрація стає неможливою. Але в системах очищення передбачається цикл регенерації відновлення властивостей.

Якими бувають смоли для очищення води

Смола для фільтрів, що працюють за принципом іонного обміну, буває різною. Нижче розглянуто основні існуючі класифікації фільтруючих матеріалів та їх різновиди.

Заряд іонів, склад

По заряду іонів всі зернисті матеріали, що використовуються для очищення води поділяються на катіоніти і аніоніти. Катіонітова смола у своєму складі має сильно-і слабокислотні групи. Це елементи з іонами, що мають позитивні заряди – H+, Na+ або інші. Сильнокислий катіоніт для пом'якшення води – найпопулярніший варіант. Така смола може ефективно працювати при широкому діапазоні pH (від 0 до 14): у лужних середовищах, нейтральних та кислих. Можливе повне видалення солей твердості. Слабокислий катіоніт має велику іонообмінну ємність, дуже міцний, стійкий до окислення, а також витримує контакти з хлором, перекисом водню. Але діапазон водневого показника менший – від 6 одиниць до 14.

Аніоніти працюють з іонами, зарядженими негативно. Бувають низько- та високоосновними. Перші демонструють хороші результати у нейтральних та кислих середовищах, при рівні кислотності від 1 до 7. Вони максимально ефективно нейтралізують сильні кислоти, видаляють сульфати, хлориди, нітрати. Високоосновні аніонні гранули, що фільтрують, можуть працювати при значеннях pH від 0 одиниць до 14. Аніоніти підходять для знесолення, ефективної демінералізації, виведення зі складу органічного загального вуглецю.

Існують й інші іоніти:

• Амфотерні. Відрізняються одночасним вмістом і основ, і кислот. Властивості проявляються в залежності від умов.
• Окисно-відновні. Функціональні групи, які містять такі смоли, можуть змінювати іонні заряди у різних середовищах.
• Хелатні, вони селективні. У складі – комплексообразующие групи, які можна «налаштовувати» на виборче заміщення однієї чи двох різновидів іонів.

Перелічені види смол не набули повсюдного поширення. Їх застосовують задля очищення води, а експериментальних, дослідницьких цілей.

Структура

За структурою смоли бувають:

• Гелевими. Справжні пори відсутні, тому обмін іонами проходить виключно при гелеподібному, тобто набряклому стані гранул. Для активації фільтруючих властивостей завантаження має деякий час перебувати у воді. Іони розподіляються поступово по всьому обсягу полімерів. Обмінна ємність гелевих іонітів висока, але швидкість обміну низька.
• Макропористі, які також називаються пористими. Розміри пір таких іонітів досягають кількох десятків нанометрів. Система каналів і пір фіксована. Швидкість обмінного процесу значна, а ось ємність менша, ніж у гелевих іонітів.

Матриця

Іонообмінні смоли для пом'якшення або знезалізнення води мають поліакрилову або полістирольну матрицю. В останньому випадку мономер стиролу піддається нагріванню, при якому трансформується в затверділий полістирол. Акрилову матрицю отримують подібним способом. Акрилат, акрилнітрил або метакрилат полімеризують.

Величина частинок

Смола для фільтрів за величинами частинок буває монодисперсною або полідисперсною. У разі розміри різні, варіюються від мінімальних 0,3-0,4 до 1,2-1,5 мм. Монодисперсні завантаження мають однакову невелику величину частинок – близько 0,5 мм.

Підбір відповідної смоли

Яка смола для фільтрів краща? Для вибору оптимального варіанта слід вивчати такі параметри:

• Форма випуску. Смоли випускаються у вигляді гранульованих засипок або готових змінних картриджів із завантаженнями для магістральних фільтрів.
• Іонна форма. Найпоширеніший варіант – Na (натрій).Але також використовуються водень та калій – H або K.
• Діапазон водневого показника. Це значення pH, за яких аніоніти та катіоніти нормально функціонують.
• Обмінна ємність. Простими словами це кількість води, що фільтрується, яка здатна пом'якшити один літр іоніту. Одиниця виміру – еквівалент-літр. Чим вище значення, тим краще. Стандартні показники становлять від 1,9 екв/л до 2.
• Вологовміст, тобто частка вологи, яка в нормі повинна перебувати в діапазоні від 40% до 60. Чим відсоток більший, тим значніша швидкість перебігу процесу іонного обміну.
• Насипна маса. Вказує, який обсяг засипки вміститься в колону чи знімний картридж.
• Розміри гранул, а також вміст дрібних та великих зерен. Маленьких гранул має бути не більше ніж 1% всього об'єму. Чим менша кількість, тим нижче ризики попадання кульок у воду, що фільтрується, або їх змивання в каналізацію. Великих зерен в ідеалі не більше 5%. При більш високому вмісті загальна поверхня, яка бере участь у іонному обміні, буде зниженою.
• Хімічна стійкість. Вона залежить безпосередньо від ступеня матричних міжмолекулярних зв'язків. За наявності рідини, що очищається, іонів металів або агресивних окислювачів типу азотної кислоти або хлору зв'язку іоніту можуть розриватися. Це спричиняє забруднення фільтрату (оброблюваної рідини) продуктами розкладання смол, а також скорочує очисну здатність. Чим зв'язок міцніший, тим краще хімічна стійкість, тим більше часу служить завантаження - в деяких випадках до 10 років.
• Термостійкість. Це температурні межі, за яких працюють іонообмінні смоли для пом'якшення. Катіоніти ефективно працюють при значеннях до 150 градусів.Аніоніти менш стійкі до термічних впливів. Вони витримують температуру до 60-80℃. Аніонообмінні акрилові завантаження - найчутливіші, оскільки здатні працювати максимум за 35 градусів. Але якщо потрібна фільтрація холодної води, то термостійкість практично не має значення.

Всі характеристики іонообмінних смол для пом'якшення води вказуються в інструкції, що додається виробником.

Умови експлуатації

При пошуку в каталозі компанії-виробника, замовленні та купівлі іонообмінної смоли потрібно обов'язково вивчити умови використання. Це:

• Робоча швидкість водяного потоку при режимі очищення. Час, за який вода рухається через засипку, що очищає. Зазвичай виробники вказують діапазон, який становить від 10 м 3 /год < 25.
• Висота шару. Мінімальна товщина зернистого засипання, при якому водоочищення буде якісним. Показник становить від 60-70 см. Саме на стільки колона має бути заповненою завантаженням.
• Розширення. Іонообмінні смоли для пом'якшення у робочому режимі перебувають у стані кипіння. Вихідні гранули витають у водних потоках, що піддаються розширенню, яке може становити від 25% до максимальних 50%, залежно від швидкості переміщення рідини.
• Регенерант. Це сіль, яка застосовується для підготовки регенеруючого, що відновлює очисну здатність розчину. Оптимальний варіант - таблетована форма NaCl, тобто кухонної солі, реагентом у смоли може бути не тільки сіль.
• Дозування солі. Кількість регенеранта, необхідне відновлення літра засипки. Чим доза менша, тим економічніша експлуатація фільтра. Середні значення – від 100 г на літр до 300.
• Швидкість проходження розчину, що відновлює, через іонообмінну смолу для пом'якшення. Це час, протягом якого здійснюється промивання завантаження регенерантом.

Регенерація смол

Важливою складовою обслуговування та експлуатації всіх систем іонного обміну є регенерація смол. Для неї використовують сіль: звичайну або спеціальну, що випускається у таблетках. Допустимі види регенерантів та їх дозування вказуються в інструкції, що додається до смоли.

У багатоступінчастих сучасних системах дозування та використання солі здійснюється автоматично, з певними інтервалами. Потрібно лише своєчасно та регулярно додавати регенерант у відповідний резервуар.

Але в деяких фільтрах потрібно знімати з корпусу картриджі, відкривати кришки і заливати вміст підготовленим сольовим розчином. Для відновлення іонообмінних властивостей потрібен час, тому смола повинна залишатися в регенеранті кілька годин. Далі потрібно кілька разів промивати завантаження чистою водою для видалення надлишків іонів.

Скільки служить іонообмінна смола

Термін експлуатації іонообмінного зернистого завантаження залежить від активності експлуатації фільтра, забрудненості води, показника її жорсткості. Зазвичай смолу потрібно міняти раз на три-п'ять років. При неправильному застосуванні можлива втрата властивостей вже за рік. Зате при грамотному поводженні з фільтром смола може бути до 8-10 років.

Чи шкідливі смоли і вода, що ними очищається

Чи шкідлива вода, що очищається іонообмінною смолою? У більшості випадків немає, адже фільтри цього типу призначені саме для отримання пом'якшеної питної рідини. Але якщо вода дуже жорстка, то солі кальцію та магнію в ній заміщатимуться відповідною великою кількістю іонів натрію. А надмірно висока натрієва концентрація шкідлива здоров'ю людини.Максимальні норми цього елемента регламентуються вимогами СанПіН та становлять 120000 мкг/дм3. Зрозуміти, що Na занадто багато, можна за солонуватим смаком.

Відпрацьована іонообмінна смола має утилізуватися особливим способом. Якщо просто викидати її у відро для сміття, матеріал може забруднювати навколишнє середовище, шкодити екології. Послуги знищення фільтруючого матеріалу надають спеціалізовані організації.

Іонообмінні смоли для пом'якшення чи знезалізнення води – ефективний варіант очищення. Така технологія підходить для свердловини, централізованого водопостачання, промисловості, різноманітних виробництв. Щоб фільтр працював безперебійно та демонстрував високу якість очищеної води, необхідно насамперед вибрати сучасну, ефективну систему. Також важливо знайти для неї оптимальний варіант іонообмінної смоли.