Технологии

Начнем с того, что у вас возникла необходимость в умягчении воды. По косвенным признакам или путем проведения химического анализа, что является более правильным, вы определили, что у вас жёсткая вода, которая требует умягчения.

Изучая фильтры для жесткой воды, вы обнаружили, что в большинстве своем они умягчают воду за счет использования ионообменных смол.

Что же это такое - ионообменная смола?

Первый секрет, который мы откроем, это то, что собственно к смоле ионообменные смолы никакого отношения не имеют. Ионообменные смолы изготавливаются из твердых, нерастворимых в воде синтетических полимеров. Внешне ионообменная смола очень похожа на икру щуки, так как состоит из гранул-"шариков" диаметром от 0,2 до 1,2 мм.

Ионообменная смола может быть монодисперсной, то есть "шарики" в ней будут одного размера и полидисперсной с различным размером гранул. Этот фактор влияет на скорость и степень очистки воды, а так же спектр удаляемых загрязнений.

Ионообменные смолы применяются для удаления из воды солей жесткости, растворенных металлов и органических соединений с 60-х годов XX века, но наиболее широкое распространение получили в конце 80-х - в 90-х годов.

Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Проще говоря, смола способна задерживать ионы различных примесей, меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом осуществляется ионный обмен - отсюда и обобщающее название этих смол - "ионообменные" или же "иониты"*.
*Свойства ионитов задерживать и заменять ионы так же использованы в ионитном субстрате ЦИОН.

Виды ионообменных смол

Видов ионообменных смол огромное множество: для удаления железа, марганца, для удаления органики с помощью МИКСОВ (смесей), селективные смолы (которые удаляют в первую очередь конкретные элементы: нитраты, бор, кремний и т.д.).

В бытовых условиях ионообменные смолы в основном применяются для удаления солей жесткости (соли кальция, магния) путем натрий-катионирования. Этот процесс называется умягчением воды или ионным обменом, катионированием.

Именно на этих смолах мы остановимся подробнее, так как они работают за счет регенерации солью NaCl, что возможно сделать в бытовых условиях. Другие смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют в основном на производствах. Есть смолы для глубокой очистки воды. Они работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую.

Суть процесса умягчения

В первую очередь нужно понять, что умягчение принципиально отличается от обезжелезивания. При обезжелезивании происходит окисление и перевод растворенных веществ в твердую форму для последующего фильтрования. При умягчении ионообменная смола (Na-катионит) забирает из раствора положительно заряженные ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т.д. и замещает их на катионы натрия.

Таким образом мы избавляемся от проблем, которые возникают при использовании жёсткой воды:

• Белые следы от высохших капель и белый налет на сантехнике.
• Сухость, ощущение стягивания кожи после мытья, ломкость волос, ногтей.
• Накипь на нагреваемых поверхностях — известковый осадок в виде песка, известковые наросты, камни различной степени прочности, от которых страдает бытовая техника: чайники, стиральные машины, паровые приспособления, душевые лейки.
• Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Хотя правильнее будет говорить не жёсткость, а концентрация жёсткости. Потому что в природной воде и в воде из-под крана (в любой воде, не прошедшей через специальные фильтры или специальную обработку) всегда есть какой-либо уровень жёсткости. Концентрацию жёсткости дают растворенные в ней соли. Накипь на чайнике — это отложения именно тех самых растворенных солей.

Как работает ионообменная смола?

1. На поверхности каждой гранулы сосредотачивают электрический заряд с отрицательным и положительным знаком. Катионит имеет на поверхности большое количество отрицательно заряженных точек.
2. Согласно уравнению равновесия ионообмена, эти отрицательно заряженные точки уравновешиваются положительно заряженными ионами раствора воды.
3. При прохождении раствора воды через ионообменные смолы соли кальция и магния улавливаются ионитом и задерживаются на нём.
4. Положительно заряженные ионы отсоединяются и уступают им место. Этот процесс лимитируется количеством удержанных ионов.
5. Далее происходит перезарядка ионов- регенерация, основанная на обратимости ионообменного процесса. Теперь через ионообменную смолу пропускается регенерирующий раствор, который снимает ионы с гранулы и уносит их.
6. Ионообменная смола вновь готова к работе. Ионообменный процесс на анионите отличается только знаками заряда ионов и химическими соединениями.

Емкость ионообменной смолы

По своей сути, емкость ионообменной смолы сродни емкости аккумуляторной батарейки.

Ионообменная смола имеет некий запас натрия, который в процессе ионообменного обмена замещается ионами растворенных солей, тем самым снижая способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и очистка, вода проходит через толщу смолы, не изменяя своих свойств.

Собственно этот запас натрия и определяет емкость смолы. Кроме того, емкость ионообменной смолы может постепенно снижаться из-за засорения смолы окисленным железом и взвешенными веществами.

Скорость фильтрации и производительность

На то, чтобы произошел ионообменный процесс необходимо время. Чем грязнее вода, чем больше в ней растворенных веществ, тем медленнее она должна проходить через смолу для хорошей очистки.

Казалось бы, гранулы ионообменной смолы - это гладкие шарики, но на самом деле их поверхность пористая. Стенки этих пор тоже являются рабочей поверхностью, на которой закреплен натрий, способный к обмену с кальцием и другими катионами. Чем мельче фракция смолы — тем больше ее рабочая поверхность и, соответственно, скорость обмена больше. А значит большее количество ненужных нам растворенных веществ задержится в смоле. Но при этом, чем смола мельче, тем хуже ее дренажные свойства, а значит скорость фильтрации воды будет ниже.

Фильтроцикл

Выбирая фильтр для очистки жесткой воды, нужно обязательно обратить внимание на ресурс умягчающего фильтроэлемента. Производители фильтров рассчитывают работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенерацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки.

Последовательность стадий насыщения и регенерации ионообменной смолы называется фильтроциклом. Проще говоря — фильтоцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями.
Например, фильтроэлементы Барьер Эксперт Смягчение и Барьер Профи Смягчение имеют ресурс 500 литров и производительность 2л/мин.

Производитель предупреждает о необходимости полной замены фильтроэлемента не реже, чем 1 раз в год и обязательном учёте жёсткость исходной воды.

Так, например при исходной жёсткости воды 5 мк-экв/л и среднесуточном потреблении питьевой воды 5 литров, вам нужно будет регенерировать фильтроэлемент 1 раз в два месяца. Если же исходная жесткость воды 10 мк-экв/л, то 1 раз в месяц.

Вот почему так важно перед покупкой фильтра сделать анализ воды, которую необходимо очищать. Информация о составе воды позволит вам подобрать оптимальный вариант очистки и избавит от ненужных трат.

Регенерация ионообменной смолы

В процессе эксплуатации фильтров для жёсткой воды, ионообменная смола начинает терять свои свойства, и чтобы вернуть её в первоначальное состояние, необходимо периодически её восстанавливать – запускать процесс регенерации.

При данной процедуре, взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl). Фильтр промывается водой, чтобы удалить раствор регенерации. Одно из достоинств фильтров на основе ионообменных смол состоит в том, что регенерация катионитов производится раствором обычной поваренной соли (хлористый натрий, NaCl). То есть на здоровье человека и состоянии экологии не оказывается никакого отрицательного воздействия.

Восстановление свойств фильтрующего реагента позволяет многократно использовать один фильтроэлемент. Однако, способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает ионообменной смоле все ее свойства на 100%.

Средний срок службы фильтроэлементов, содержащих ионообменную смолу, определяется производителем. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.