Ионообменные смолы представляют собой мелкие полупрозрачные гранулы сферической формы. Цвет гранул смолы как правило зависит от состава смолы: так, например, сильнокислотные катионообменные смолы обладают ярко-желтым или коричневым цветом, в то время как слабоосновные аниониты представляют собой белые непрозрачные гранулы.Основная сфера применения ионообменных смол - удаление жесткости в установках водоподготовки для энергетических предприятий. Ионный обмен основан на удалении из воды, пропускаемой через слой смолы, ионов, которые замещают находящиеся на активных группах смолы катиона натрия, протоны или гидроксильные группы.
Смолы различаются как по принципу действия (катионообменные, анионообменные), так и по своей структуре (гелевые, макропористые). Выбор для конкретного процесса той или иной смолы определяется характером удаляемой из воды примеси.
Классификация ионообменных смол
1. По составу. Различают аниониты и катиониты. Как и следует из названий, катиониты имеют в качестве функциональной группы катионную, аниониты - анионную. Соответственно, катиониты обменивают (и извлекают из воды) катионы, аниониты - анионы.
2. По типу и силе функциональных групп и степени смолы подразделяются на:
Сильнокислотные катионообменные смолы - используются для умягчения воды и ее обессоливания.
Слабокислотные катионообменные смолы - используются для устранения временной жесткости, а также повышенной щелочности воды.
Сильноосновные анионообменные смолы применяются в основном для обессоливания воды с очень высоким содержанием солей и кремния, что обуславливается высокой скоростью обмена сильноосновных анионитов. Этот способ по скорости и затрачиваемой энергии превосходит обратный осмос.
Слабоосновные анионообменные смолы используются чаще всего для обессоливания органических соединений, в числе которых сахароза, молочная сыворотка, глюкоза и другое.
Афолиты имеют в одной смоле сразу несколько типов функциональных групп (анионных и катионных) в разных или одинаковых пропорциях - используются в основном для обессоливания воды в одну ступень. Соотношение тех или иных функциональных групп определяется соотношением в исходной воде удаляемых ионов.
3. По структуре гранул : полистирольные, гелевые и макропористые. Также возможны смешанные структуры такие как полистирольная-гелевая и полистирольная-макропористая. Возможно применение для очистки воды от извести.
Смолы гелевого типа при контакте с водой набухают сильнее, чем другие, в это время их объем увеличивается в полтора-два раза. Ионный обмен в смолах гелевого типа происходит довольно быстро, однако в скорости эти смолы однозначно уступают смолам с макропористой структурой, которые в отличии от гелевых смол не так сильно набухает.
4. По обмениваемому иону в исходной форме : натриевая, водородная и др. Чаще всего в исходной форме смолы обмениваемыми катионами являются для катионообменной смолы натрий или протон, а в анионообменниках - хлор или гидроксильная группа.
5. По степени однородности размеров гранул различают монодисперсные (бОльшая часть гранул имеет одинаковый размер) и полидисперсные (размер гранул распределен в широких пределах).
Для регенерации ионообменных смол используют: регенерационную соль (для смол в натриевой форме), кислоту (для смол в Н-форме), раствор гидроксида натрия (для смол в ОН-форме).
В этой статье мы рассмотрим почему и как применяются ионообменные смолы для умягчения воды. Купить ионообменные смолы можно на нашем сайте, достаточно пройти по ссылке. Теоретически разработаны и применяются практически следующие методы умягчения:
* термический метод. (кипячение, дистилляция или замораживании-размораживании)
* реагентный. (ионы кальция (II) и магния (II) деактивируются и связываются различными химическими реагентами в труднорастворимый осадок
* ионный обмен. (фильтрация водных растворов через ионообменные материалы, при котором происходит замена ионов Na (I) или Н (I) в ионите (катионит, анионит или сульфоуголь) на ионы водного раствора кальция (Са II) и магния (Mg II)
* комбинация различных методов.
Выбор метода умягчения определяется качеством воды, задаваемой степенью очистки, техническим потенциалом установки и технико-экономическим обоснованием выбора методики водоочистки.
История открытия и разработки метода ионного обмена был рассмотрен в .
Ионообменные смолы номализуют жесткость воды
Сразу нужно определиться какой параметр воды в теории водоподготовки в данном случае нас интересует прежде всего. Очевидно это ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ . Жесткость воды как параметр, а также другие - как цветность и нормальность . Здесь мы будем понимать под жесткостью то количество миллиграмм-эквивалентов ионов кальция Са2+ или магния Mg2+, которое содержится в 1 литре воды.
Как определить жесткая вода или мягкая без абстрактных цифр? Скажем так: единица жесткости - 1 мг/экв/л эквивалентна 20,03 мг кальция Са2+ или 12,15 мг магния Mg2+. Количественное содержание солей жесткости в мг в водном растворе теперь можно измерить и посчитать. По количественному содержанию соответственно по жесткости разделяем:
* очень мягкая вода (0–1,5 мг/экв/л)
* мягкая вода (1,5–3 мг/экв/л)
* вода со средней жесткостью (3–6 мг/экв/л)
* жесткая (6–9 мг/экв/л)
* очень жесткая (более 9 мг/экв/л).
Последняя даже не вода, а скорее рассол. Лучшими органолептическими свойствами обладает с показателями жесткости от 1,65 до 2,90 мг/экв/л, но требования СанПиН 2.1.4.1116–02 регламентируют жесткость как полноценной и физиологической с показателями от 1,6 до 6,9 мг/экв/л. Тут нужно пресечь спекуляции, что чем мягче вода, тем она полезнее для организма. Совсем не так. Если употреблять исключетильно деминерализованную воду, например, полученную с помощью , то можно заработать неустранимые проблемы со здоровьем, это связано с дефицитом магния и кальция.
Однако, при существенной минерализации (жесткость от 4,5 мг/экв/л) вода начинает приносить вред не организму человека, а его окружению, так или иначе связанному с водоснабжением. Накипь в чайнике, утюге, стиральной машине, водонагревательных приборах - вот неполный список устройств, подверженных вредному воздействию солей жесткости в водоснабжении.
Нормальным умягчением, на которое настроено подавляющее количество данных водоподготовительных систем - это нормализация жесткости на уровне 1,0–1,6 мг/экв/л. Ну а что с экстримально мягкой водой, с показателем ниже 0,5 мг/экв/л? Британские ученые доказали, что такая вода является активной и способной вымывать отложения в трубах систем водоснабжения, правда это может повлечь появление неприятного цвета и запаха воды.
Принцип умягчения воды ионообменными смолами
Умягчение воды или ее деминерализация с помощью ионообменных материалов основана на ионном обмене . Принцип состоит в возможности ионообменных засыпок для фильтров (катионитов и анионитов) улавливать из воды ионы в обмен на соответствующее количество ионов катионита или анионита. Ионообменная смола будь то катионит или анионит характеризуется показателем обменной емкости. Это характеризуется определенным количеством или положительных или отрицательных ионов, которые ионит может обменять с водным раствором в фильтроцикле. Обменную емкость ионитов измеряют в грамм-эквивалентах задержанных ионов на 1 метр кубический. Ионит при этом находится в набухшем состоянии после отмокания в воде. В этом состоянии ионит засыпан в фильтре. Стоит различать полную и рабочую обменную емкость ионообменной смолы.
Полная обменная емкость - количество ионов солей жесткости, которое может задержать 1 куб. метр ионообменной смолы, находящегося в набухшем - рабочем состоянии, вплоть до того момента, когда жесткость отфильтрованой (исходящей) воды сравнивается с жесткостью входящей в фильтр воды. Рабочей обменной емкостью ионитов называют то количество ионов жесткости, которое задерживает 1 куб. метр ионообменной смолы до момента «проскока» в фильтрованной воде ионов солей жесткости. Обменную емкость, соотнесенную к полному объему ионита в фильтре обычно называют емкостью поглощения.
В объем фильтра засыпается ионообменная смола. Это или . Отличие этих смол заключается в "знаке" обмениваемых ионов при водоподготовке. Катионит обменивается положительными ионами. Анионит обменивается отрицательными ионами. По временном снижении рабочей обменной способности ионита его подвергают процессу регенерации. Этот можно сравнить с аккумулятором телефона. При снижении заряда он требует подзарядки. Эта подзарядка ионообменной смолы и называется регенерацией. Но это проходит не от электрической розетки, а с помощью растворов солей или кислот, которые возвращают иониты в первоначальное состояние. Восстановление обменной емкости катионита как правило происходит пропуском 8% раствора поваренной соли через фильтрующий слой.
Но емкость аккумулятора не бесконечна. Ионит тоже рассчитан на определенное количество циклов регенерации. После этого ионообменная смола подлежит замене в фильтре и процесс водоподготовки - регенерации начинается снова.
*** Вы всегда можете купить ионообменные смолы для умягчения воды.
Рис.Сравнение полной динамической ПДОЕ и динамической обменной емкости ДОЕ. Заштрихованная площадь А соответствует ДОЕ, а вся площадь над кривой с учетом проскока солей - ПДОЕ
Селективность
Под селективностью понимают способность избирательно сорбировать ионы из растворов сложного состава. Селективность определяется типом ионогенных групп, числом поперечных связей матрицы ионита, размером пор и составом раствора. Для большинства ионитов селективность невелика, однако разработаны специальные образцы, имеющие высокую способность к извлечению определенных ионов.
Механическая прочность
Показывает способность ионита противостоять механическим воздействиям. Иониты проверяются на истираемость в специальных мельницах или по весу груза, разрушающего определенное число частиц. Все полимеризационные иониты имеют высокую прочность. У поликонденсационных она существенно ниже. Увеличение степени сшивки полимера повышает его прочность, но ухудшает скорость ионного обмена.
Осмотическая стабильность.
Наибольшее разрушение частиц ионитов происходит при изменении характеристик среды, в которой они находятся. Поскольку все иониты представляют собой структурированные гели, их объем зависит от солесодержания, рН среды и ионной формы ионита. При изменении этих характеристик объем зерна изменяется. Вследствие осмотического эффекта объем зерна в концентрированных растворах меньше, чем в разбавленных. Однако это изменение происходит не одновременно, а по мере выравнивания концентраций «нового» раствора по объему зерна. Поэтому внешний слой сжимается или расширяется быстрее, чем ядро частицы; возникают большие внутренние напряжения и происходит откалывание верхнего слоя или раскалывание всего зерна. Это явление называется «осмотический шок». Каждый ионит способен выдерживать определенное число циклов таких изменений характеристик среды. Это называется его осмотической прочностью или стабильностью.
Наибольшее изменение объема происходит у слабокислотных катионитов. Наличие в структуре зерен ионита макропор увеличивает его рабочую поверхность, ускоряет перенабухание и дает возможность «дышать» отдельным слоям. Поэтому наиболее осмотически стабильны сильнокислотные катиониты макропористой структуры, а наименее - слабокислотные катиониты.
Осмотическая стабильность определяется как количество целых зерен, отнесенное к общему первоначальному их числу, после многократной (150 раз) обработки навески ионита попеременно в растворе кислоты и щелочи с промежуточной отмывкой обессоленной водой.
Химическая стабильность
Все иониты обладают определенной стойкостью к растворам кислот, щелочей и окислителей. Все полимеризационные иониты имеют большую химическую стойкость, чем поликонденсационные. Катиониты более стойки, чем аниониты. Среди анионитов слабоосновные устойчивее к действию кислот, щелочей и окислителей, чем сильноосновные.
Температурная устойчивость
Температурная устойчивость катионитов выше, чем анионитов. Слабокислотные катиониты работоспособны при температуре до 130 ° С, сильнокислотные типа КУ-2-8 - до 100-120 ° С, а большинство анионитов - не выше 60, максимум 80 ° С. При этом, как правило, Н- или ОН-формы ионитов менее стойки, чем солевые.
Применение ионообменной смолы, на сегодняшний день, весьма разнообразно. Но самая важная задача, с которой ионообменная смола способна справиться на отлично, — это смягчение воды. Благодаря своей смягчающей способности, использование ее в бытовых приборах, имеющих контакт с водой, просто необходимость. Давайте разберемся, чем уникальна ионообменная смола, и возможно ли обойтись без нее.
Ионообменная смола
Итак, мы определились, что ионообменная смола необходима для умягчения воды для бытовых нужд. То есть, увлажнитель воздуха, бытовой фильтр для очистки воды, стиральная машина, котлы для отопления. Список можно продолжить, но важно понять, что умягчение воды необходимо там, где она подвержена нагреву, вследствие чего может образовываться накипь, приводящая в негодность бытовые приборы, а также бытовые проточные фильтры.
Основные моменты, с которыми может столкнуться каждый:
Жесткость воды способна не только выводить из строя Ваши бытовые приборы, но и нанести вред Вашему здоровью.
Раздражение, сухость и зуд кожи, вследствие засорения кожных пор солями жирных кислот, которые, при реакции взаимодействии мыла с солями жесткости воды являются нерастворимыми.
Ломкость, сухость волос и повреждение их естественной правильной структуры.
Раздражение и пересушивание кожи головы, что приводит к появлению перхоти и неприятным ощущениям.
Большой расход моющих средств (в среднем, 3 раза выше).
Наличие налета на Вашей сантехнике в ванной комнате и на кухне
Большой расход электроэнергии, так как наличие накипи на нагревательных элементах увеличивает потребляющую мощность приборов.
Что же представляет собой ионообменная смола?
Ионообменная смола – полимерные смоляные шарики, диаметр которых менее
картридж фильтра для воды с ионообменной смолоймиллиметра. Шарики смолы имеют способность к улавливанию из воды ионов различных веществ, и адсорбировать их в себя, обменивая на свои, смоляные, ионы. Таким образом, происходит ионный обмен, соответственно и смола – ионообменной.
Есть иное название ионообменной смолы – ионит. А именно, — нерастворимое высокомолекулярное соединение, которое способно вступать в реакции обмена с ионами загрязненной или жесткой воды. Иониты имеют гелевую основу, в связи с этим, способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Существуют также и макропористые иониты. Существенное отличие их в том, что они имеют поры по всей своей поверхности что означает — ионный обмен возможен как в набухшем, так и в не набухшем. Гелевые иониты обладают большей обменной емкостью, а макропористые, — лидируют в осмотической стабильности, химической и термической стойкости.
Иониты находят применение в пищевой, фармацевтической, медицинской отросли. Выпускаются, как правило, уже готовые смеси ионитов для использования в фильтрах (для увлажнителей, фильтров для воды как питьевых, так и специального назначения для бытовых приборов).
Принцип действия ионообменных смол.
Рабочее состояние ионообменной смолы – это набухание. При производстве смоляным
ионообменная смола для увлажнителей воздуха
шарикам придают воздушно-сухое состояние. Размеры смоляных шариков могут колебаться от 0,5 мм до 4мм. При взаимодействии с водой шарики набухают, напитываясь водой. Набухание шариков приводит, соответственно, к увеличению их в размере.
При прохождении воды сверху вниз через слой ионообменной смолы происходит её смягчение. Процесс прохождения воды через ионообменную смолу проходит в несколько этапов. Это обуславливается наличием нескольких слоев смолы: работающий, истощающий и свежий. Работающим слоем является, собственно зоной смягчения. Далее, вода
колбовый фильтр заправленный ионообменной смолой
проходит сквозь следующий слой, который со временем истощается, теряя обменную способность. Попадая в последний слой, свежий слой. Во всех слоях ионообменной смолы, которые проходит вода, происходит ее смягчение. Но расписывая данные слои, мы хотели обратить Ваше внимание на то, что картриджи, наполненные ионообменной смолой необходимо периодически менять. Необходимо это того, чтобы Вы смогли получить максимальный эффект от использования фильтров на основе ионообменной смолы. Рекомендовано производить замену картриджа не реже одного раза в 3-6 месяцев.
Подводя итог, можно обобщить выше сказанное. Ионообменная смола способна задерживать любой химический элемент и его соединения. При очистке воды ионообменной смолой удаляются соли жесткости, а именно кальций и магний, которые имеют свойство образовывать накипь на водонагревательных элементах. А значит, удаление жесткости воды и называется ее умягчением.
Как правило, фильтры, содержащие ионообменную смолу, устанавливаются перед водонагревательными аппаратами (котел, газовая колонка, проточный водонагреватель, бойлерами, прочее). Также, применяется в бытовых системах очистки воды. Возможна установка фильтра со смолой и на весь дом в комплексе с фильтрами механической угольной очистки. Обычно применяется двухступенчатая или трехступенчатая система колбовых фильтров, установленных последовательно.
Ионообменные смолы не являются токсичными, взрывоопасными и пожароопасными веществами. Ионообменные смолы безопасны, поэтому не могут нанести вред здоровью человека.
" статьёй Способы умягчения воды . Где опишем основные существующие способы и , как можно из жёсткой воды сделать мягкую воду. А также подробнее остановимся на одном из них, наиболее распространённом и надёжном.
Способы умягчения воды можно разделить на три и большие группы:
- химические способы.
- физические.
- экстрасенсорные.
Перед тем, как перейти к описанию способов, давайте для начала определимся с терминами. А именно с термином "умягчение воды ". Ранее, в статье "Жёсткая вода " мы затрагивали вопрос жёсткости воды и причин, которые её вызывают — а также последствий использования жёсткой воды. Соответственно, существует несколько определений термина "умягчение воды ", в зависимости от того, на каком этапе идёт воздействие —
- на этапе борьбы с причинами жёсткости воды или
- на этапе борьбы с последствиями использования жёсткой воды.
Понятное дело, этап воздействия на причину жёсткости воды будет бороться и с последствиями жёсткой воды. Но не наоборот. Соответственно, теперь можно перейти к способам умягчения воды. Химические реагентные способы умягчения воды мы затронем в другой статье, а сейчас поговорим про ионный обмен .
Химический способ борьбы с жёсткой водой основан на обмене. Обменом заведует ионо-обменная смола. Ионо-обменная смола — это длинные молекулы, собранные в полупрозрачные желтоватые шарики.
Из этих молекул торчат многочисленные отростки (очень-очень маленькие), к которым присоединяются частицы соли. Простой поваренной соли (ионы натрия).Один ион натрия на один отросток.
В процессе умягчения вода проходит через смолу, пропитывает её насквозь. Соли жёсткости заменяют натрий, связанный со смолой. То есть, происходит обмен — натрий высвобождается и течёт далее, а соли жёсткости остаются связанными со смолой. Причём важно знать, что вымывается из смолы в два раза больше солей, чем оседает, что связано с разницей в зарядах ионов.
Соответственно, рано или поздно (зависит от ёмкости смолы, количества очищенной воды и количества солей жёсткости) все соли натрия в смоле заменяются на соли жёсткости. И после этого смола перестаёт работать — так как больше нечего обменивать.
Для каждой смолы есть свой предел, который она может достигнуть, после чего перестаёт работать. После чего возможны два варианта обращения со смолой, которые зависят от того, в каком виде вы использовали эту смолу. Так, существует два варианта, в каких ионообменная смола работает.
Первый вариант — простой картридж, который располагается в стандартном корпусе, как для или для . Пример картриджа с ионообменной смолой:
Другой вариант — смола, которая насыпается в большой баллон (или не очень большой, зависит от фантазии инженеров). Поскольку баллон чаще всего похож на колонну (пропорциями), то он называется "ионообменная колонна". Она же называется "умягчитель", "ионообменник". Пример ионообменной колонны:
Отличия этих двух вариантов заключаются в количестве ионообменной смолы:
- Картридж с ионообменной смолой годится только для того, чтобы пить воду и иногда на ней готовить.
- Ионообменная колонна предназначена для очистки воды на всю квартиру, дом, производство.
Второй вариант, помимо большей стоимости при покупке, имеет нюанс: он требует постоянных затрат на покупку соли, которой восстанавливается фильтрующая способность смолы. Здесь мы возвращаемся к тем возможностям, что можно сделать с ионообменной смолой, когда она перестаёт работать. Так, вариант с картриджем таков — выкинуть. Хотя иногда встречаются люди, которые применяют к нему второй вариант, как к ионообменной колонне.
Ионообменная колонна всегда имеет спутника — бак с рассолом.
В этом баке специальная таблетированная соль растворяется и образует рассол.
Периодически (зависит от того, какой тип управления используется и от показателей воды) раствор соли протекает через смолу, вымывает соли жёсткости и меняет их на исходную соль. После промывок смола восстанавливает свои способности к ионному обмену.
Ионообменная смола так же может удалять и железо в небольших количествах. Трёхвалентное железо портит ионообменную смолу, смола необратимо забивается, и её нужно менять. Так что будьте внимательны и вовремя делайте анализ воды .
Какой фильтр лучше покупать? Какой больше нравится. И, естественно, тот, который в наибольшей степени позволяет вам достичь ваших целей (о чём говорилось в статье "Выбор фильтра для воды: сколько тратить? ").
Также следует учитывать особенности, связанные с размером эксплуатационных расходов на использование ионообменного фильтра. Так, для разных установок умягчения воды требуется разное количество соли на одинаковую производительность. И нужно следить, чтобы расходы на соль были минимальными . Так же показатель — количество сброса воды в канализацию при промывках. Чем больше тратится воды, тем дороже выходит обслуживание. Для ориентира — минимальный расход соли, который мне когда-либо встречался, при производительности 1,5 м3/час составлял 1,14 кг соли на регенерацию.
Ионный обмен — способ умягчения воды, который воздействует на причину жёсткости воды, чем делает её мягкой.
Другие способы умягчения воды мы рассмотрим в дальнейшем.
