Ионообменная смола
Для водоподготовки используются современные технологии очистки, например, оборудование обратного осмоса, картриджные механические и сорбционные фильтры, ультрафиолетовые установки. Один из вариантов получения качественной питьевой воды – фильтрация ионно-обменным способом, которая осуществляется благодаря особым свойствам специальных ионообменных смол. В данной статье рассмотрим все их виды, основные характеристики и правила выбора.
Что представляет собой смола
Ионообменная смола – что это такое? Несмотря на название, она имеет не смолянистую структуру, а твёрдую. Это полупрозрачные светло-коричневые, белые или желтоватые шарики маленьких размеров – от 0,3-0,5 до 1,5 мм в диаметре. На фото и в реальности такие полимерные гранулы сферической правильной формы напоминают мелкозернистую рыбью икру.
Ионообменные смолы для воды изготавливаются из синтетических полимеров и их комбинаций с другими веществами. Популярные варианты сочетаний компонентов – стирол с дивинилбензолом, фенолформальдегидные полимерные соединения, дивинилбензол с метакриловой кислотой.
Ионообменные смолы для умягчения питьевой воды или для других целей производят способами полимеризации или полимераналогичных превращений инертных полимеров либо мономеров с ионогенными группами. В качестве исходного сырья обычно используются полимеры с сетчатой структурой. Это акриловая кислота и её производные, стирол, диены и винилпиридины.
Смолы – нерастворимые в обычных растворителях гранулы. Растворимость в воде также отсутствует. Зато полимеры способны умеренно набухать в органических растворителях, электролитных растворах.
Зачем нужны ионообменные смолы
Ионообменная смола может применяться в следующих сферах:
- Очистка воды из центрального водопровода или скважины в частном доме, на даче, квартире. Многими производителями выпускается смола для фильтров бытового типа – умягчителей, обезжелезивателей. Загрузки выводят из состава воды растворённые соли магния и кальция, повышающие жёсткость, а также железо и другие металлы, например, марганец.
- Органический синтез. Ионообменные смолы используются в качестве катализаторов.
- Гидрометаллургия. В данной отрасли смолы для ионного обмена применяются для процессов разделения, выделения цветных или редких металлов.
- Обработка сточных вод и возвратных. Ионные фильтрующие смолы используются в специальных очистных сооружениях.
- Химическая промышленность. Ионообменные смолы позволяют качественно очищать, разделять различные элементы и соединения.
- Металлообработка. Смолы используют в целях регенерации отходов гальваники.
- Теплоэнергетика. Ионная технология очистки теплоносителей активно используется на АЭС, ГЭС, в котельных. Смола обеспечивает удаление из воды солевых соединений, которые обладают свойством формировать налёт накипи на рабочих поверхностях, провоцировать поломки нагревательного оборудования и даже полностью выводить его из строя.
- Производство продуктов питания, напитков. На промышленных предприятиях смола для фильтров используется при изготовлении пива и иных алкогольных напитков, сахара, бутилированной чистой воды, кондитерских и других изделий.
Смолы для очистки воды – не химические реагенты, не реактивы. Они не запускают реакции, не формируют новые соединения в воде. Это физическая особая среда, в которой проходит процесс ионного обмена.
Как работает ионообменная смола для фильтров
В основе принципа работы всех станций ионного обмена – обменные обратимые процессы, которые происходят в смоле. Вода, попадая в колонну с загрузкой, проникает в шарики ионитов, где притягивается к функциональным группам и прикрепляется к ним. Нежелательные ионы, которые нужно удалять из воды, замещаются безопасными частицами с таким же зарядом. Обычно это ионы натрия или водорода.
Ионный состав обрабатываемой жидкости меняется. Но сумма числа зарядов сохраняется. Ионообменная смола имеет определённый ресурс. Когда она истощается, эффективная фильтрация становится невозможной. Но в системах очистки предусматривается цикл регенерации для восстановления свойств.
Какими бывают смолы для очистки воды
Смола для фильтров, работающих по принципу ионного обмена, бывает разной. Ниже рассмотрены основные существующие классификации фильтрующих материалов и их разновидности.
Заряд ионов, состав
По заряду ионов все используемые для очистки воды зернистые материалы подразделяются на катиониты и аниониты. Катионитовая смола в своём составе имеет сильно- и слабокислотные группы. Это элементы с ионами, обладающими положительными зарядами, – H+, Na+ или иные. Сильнокислый катионит для умягчения воды – самый популярный вариант. Такая смола может эффективно работать при широком диапазоне pH (от 0 до 14): в щелочных средах, нейтральных и кислых. Возможно полное удаление солей жёсткости. Слабокислый катионит имеет большую ионообменную ёмкость, очень прочен, устойчив к окислению, а также выдерживает контакты с хлором, перекисью водорода. Но диапазон водородного показателя меньше – от 6 единиц до 14.
Аниониты работают с ионами, заряженными отрицательно. Бывают низко- и высокоосновными. Первые демонстрируют хорошие результаты в нейтральных и кислых средах, при уровне кислотности от 1 до 7. Они максимально эффективно нейтрализуют сильные кислоты, удаляют сульфаты, хлориды, нитраты. Высокоосновные анионные фильтрующие гранулы могут работать при значениях pH от 0 единиц до 14. Аниониты подходят для обессоливания, эффективной деминерализации, выведения из состава органического общего углерода.
Существуют и другие иониты:
- Амфотерные. Отличаются одновременным содержанием и оснований, и кислот. Свойства проявляются в зависимости от условий.
- Окислительно-восстановительные. Функциональные группы, которые содержат такие смолы, могут менять ионные заряды в разных средах.
- Хелатные, они же селективные. В их составе – комплексообразующие группы, которые возможно «настраивать» на избирательное замещение одной либо двух разновидностей ионов.
Перечисленные виды смол не получили повсеместного распространения. Их применяют не для очистки воды, а для экспериментальных, исследовательских целей.
Структура
По структуре смолы бывают:
- Гелевыми. Истинные поры отсутствуют, поэтому обмен ионами проходит исключительно при гелеобразном, то есть набухшем состоянии гранул. Для активации фильтрующих свойств загрузка должна некоторое время находиться в воде. Ионы распределяются равномерно по всему объёму полимеров. Обменная ёмкость гелевых ионитов высокая, но скорость обмена низкая.
- Макропористыми, которые также называются пористыми. Размеры пор таких ионитов достигают нескольких десятков нанометров. Система каналов и пор фиксирована. Скорость обменного процесса значительна, а вот ёмкость меньше, чем у гелевых ионитов.
Матрица
Ионообменные смолы для умягчения или обезжелезивания воды имеют полиакриловую или полистирольную матрицу. В последнем случае мономер стирола подвергается нагреванию, при котором трансформируется в отвердевший полистирол. Акриловую матрицу получают схожим методом. Акрилат, акрилнитрил или метакрилат полимеризуют.
Величина частиц
Смола для фильтров по величинам частиц бывает монодисперсной или полидисперсной. В последнем случае размеры разные, варьируются от минимальных 0,3-0,4 до 1,2-1,5 миллиметров. Монодисперсные загрузки имеют одинаковую, небольшую величину частиц – около 0,5 мм.
Подбор подходящей смолы
Какая смола для фильтров лучше? Для выбора оптимального варианта следует изучать такие параметры:
- Форма выпуска. Смолы выпускаются в виде гранулированных засыпок или готовых сменных картриджей с загрузками для магистральных фильтров.
- Ионная форма. Самый распространённый вариант – Na (натрий). Но также используются водород и калий – H или K.
- Диапазон водородного показателя. Это значения pH, при которых аниониты и катиониты нормально функционируют.
- Обменная ёмкость. Простыми словами это количество фильтруемой воды, которое способен умягчить один литр ионита. Единица измерения – эквивалент-литр. Чем значение выше, тем лучше. Стандартные показатели составляют от 1,9 экв/л до 2.
- Влагосодержание, то есть доля влаги, которая в норме должна находиться в диапазоне от 40% до 60. Чем процент больше, тем значительнее скорость протекания процесса ионного обмена.
- Насыпная масса. Указывает, какой объём засыпки уместится в колонну либо съёмный картридж.
- Размеры гранул, а также содержание мелких и крупных зёрен. Маленьких гранул должно быть не более 1% всего объёма. Чем меньше количество, тем ниже риски попадания шариков в фильтруемую воду или их смывания в канализацию. Больших зёрен в идеале не больше 5%. При более высоком содержании общая поверхность, которая участвует в ионном обмене, будет сниженной.
- Химическая устойчивость. Она зависит напрямую от степени матричных межмолекулярных связей. При наличии в очищаемой жидкости ионов металлов или агрессивных окислителей типа азотной кислоты или хлора связи ионита могут разрываться. Это вызывает загрязнение фильтрата (обрабатываемой жидкости) продуктами разложения смол, а также сокращает очистную способность. Чем связи прочнее, тем лучше химическая устойчивость, тем больше времени служит загрузка – в некоторых случаях до 10 лет.
- Термостойкость. Это температурные пределы, при которых работают ионообменные смолы для умягчения. Катиониты эффективно функционируют при значениях до 150 градусов. Аниониты менее устойчивы к термическим воздействиям. Они выдерживают температуры до 60-80℃. Анионообменные акриловые загрузки – самые чувствительные, так как способны работать максимум при 35 градусах. Но если нужна фильтрация холодной воды, то термостойкость фактически не имеет значения.
Все характеристики ионообменных смол для умягчения воды указываются в инструкции, прилагаемой производителем.
Условия эксплуатации
При поиске в каталоге компании-производителя, заказе и покупке ионообменной смолы нужно обязательно изучить условия использования. Это:
- Рабочая скорость водного потока при режиме очистки. Время, за которое вода движется через очищающую засыпку. Обычно производители указывают диапазон, который составляет от 10 м 3/ч< до 25.
- Высота слоя. Минимальная толщина зернистой засыпки, при которой водоочистка будет качественной. Показатель составляет от 60-70 см. Именно на столько колонна должна быть заполненной загрузкой.
- Расширение. Ионообменные смолы для умягчения в рабочем режиме пребывают в состоянии кипения. Исходные гранулы витают в водных потоках, подвергаются расширению, которое может составлять от 25% до максимальных 50%, в зависимости от скорости перемещения жидкости.
- Регенерант. Это соль, которая применяется для подготовки регенерирующего, восстанавливающего очистную способность раствора. Оптимальный вариант – таблетированная форма NaCl, то есть поваренной соли, реагентом у смолы может быть не только соль.
- Дозирование соли. Количество регенеранта, требуемое для восстановления литра засыпки. Чем доза меньше, тем экономичнее эксплуатация фильтра. Средние значения – от 100 граммов на литр до 300.
- Скорость прохождения восстанавливающего раствора через ионообменную смолу для умягчения. Это время, за которое осуществляется промывка загрузки регенерантом.
Регенерация смол
Важная составляющая обслуживания и эксплуатации всех систем ионного обмена – регенерация смол. Для неё используют соль: обычную или специальную, выпускаемую в таблетках. Допустимые виды регенерантов и их дозировки указываются в инструкции, прилагаемой к смоле.
В многоступенчатых современных системах дозирование и использование соли осуществляется автоматически, с определёнными интервалами. Нужно лишь своевременно и регулярно добавлять регенерант в соответствующий резервуар.
Но в некоторых фильтрах требуется снимать с корпуса картриджи, открывать их крышки и заливать содержимое подготовленным солевым раствором. Для восстановления ионообменных свойств требуется время, поэтому смола должна оставаться в регенеранте несколько часов. Далее требуется несколько раз промывать загрузку чистой водой для удаления излишков ионов.
Сколько служит ионообменная смола
Срок эксплуатации ионообменной зернистой загрузки зависит от активности эксплуатации фильтра, загрязнённости воды, показателя её жёсткости. Обычно смолу требуется менять раз в три-пять лет. При неправильном применении вероятна потеря свойств уже через год. Зато при грамотном обращении с фильтром смола может служить до 8-10 лет.
Вредны ли смолы и очищаемая ими вода
Вредна ли вода, очищаемая ионообменной смолой? В большинстве случаев нет, ведь фильтры данного типа предназначены именно для получения умягчённой питьевой жидкости. Но если вода очень жёсткая, то соли кальция и магния в ней будут замещаться соответствующим большим количеством ионов натрия. А чрезмерно высокая натриевая концентрация вредна для здоровья человека. Максимальные нормы этого элемента регламентируются требованиями СанПиН и составляют 120000 мкг/дм3. Понять, что Na слишком много, можно по солоноватому вкусу.
Отработанная ионообменная смола должна утилизироваться особым способом. Если просто выбрасывать её в мусорное ведро, материал может загрязнять окружающую среду, вредить экологии. Услуги уничтожения фильтрующего материала оказывают специализированные организации.
Ионообменные смолы для умягчения или обезжелезивания воды – эффективный вариант очистки. Такая технология подходит для скважины, централизованного водоснабжения, промышленности, различных производств. Чтобы фильтр работал бесперебойно и демонстрировал высокое качество очищенной воды, необходимо в первую очередь выбрать современную, эффективную систему. Также важно найти для неё оптимальный вариант ионообменной смолы.
Теги в статье:
