Катионит - что это и как используется в водоподготовке

Что такое катионит? Это вид ионообменной смолы. Она также называется ионитом и содержит ионы с положительными зарядами. Такой материал используется в качестве загрузки для фильтров, которые работают по технологии ионного обмена: замещают одни частицы другими для изменения, улучшения состава обрабатываемой воды и удаления из неё определённых примесей.

Катиониты применяются для водоподготовки. Их функция, в зависимости от типа материала, – это умягчение. Такие процессы обеспечивают частичное либо полное устранение солей некоторых металлов – сульфатов, хлоридов, карбонатов.

Умягчение необходимо при высокой степени жёсткости, которую нужно снизить до нормальных значений, чтобы сделать воду питьевой или пригодной для бытовых целей.

Умягчённая вода безопасна для здоровья человека и безвредна для бытовой техники, отопительного и нагревательного оборудования типа котлов и бойлеров. При высоком содержании солей магния (Mg) и кальция (Ca) на трубах и ТЭНах может формироваться налёт, снижающий производительность работы и провоцирующий поломки. Также жёсткая вода вызывает образование камней в почках и отложений в суставах. Фильтры-умягчители обычно используются для хозяйственно-бытовых нужд.

Полезная информация! Для умягчения воды используют и другие варианты фильтрации, например, обратный осмос. Но обратноосмотические установки удаляют практически все минералы и другие вещества, включая бактерии, вирусы. А при очистке катионообменными фильтрами вода очищается только от солей жёсткости. Обеззараживание не обеспечивается, как и удаление органических, большинства химических соединений. Катиониты действуют целенаправленно и замещают только соли металлов.

Катиониты имеют вид маленьких гранул или зерён сферической формы. На фото они напоминают икру рыб. Размер варьируется от 0,3-0,5 мм до 1-1,3. Зёрна довольно твёрдые, в воде не растворяются. Их поверхность гладкая, ровная.

Гранулы полупрозрачные на воздухе, но в водных растворах темнеют. Их цвет, в зависимости от компании-производителя и основных характеристик, варьируется от светло-жёлтого до коричневого.

В структуре всех катионитов есть функциональные группы с химической активностью. В них содержатся положительно заряженные частицы – катионы натрия (Na+), водорода (H+), сразу двух этих элементов или аммония с химической формулой NH4. Если функциональные группы однотипные, то ионит считается монофункциональным. Если же количество типов – от двух и более, то катионит является полифункциональным.

Рассмотрим главные характеристики катионитов, оказывающие влияние на качество очистки, условия эксплуатации фильтрующих материалов:

• Обменная ёмкость. Это число ионов, которое способен поглощать определённый объём катионита, к примеру, кубический метр или дециметр.
• Осмотическая стабильность. Это противостояние катионита изменениям в составе обрабатываемой воды.
• Гранулометрический состав. Это содержание в материале частиц, имеющих разные размеры. Такой параметр определяет степень однородности гранул и влияет на эффективность очистки.
• Механическая прочность. Это стойкость к раздавливанию, износу, истиранию. Она зависит от формы гранул, их матрицы, а также от условий среды, например, её температуры.
• Селективность. Это способность забирать из обрабатываемых растворов конкретные катионы либо их группы.
• Термическая стойкость. Под нею понимается противостояние утрате функциональных групп и разложению из-за повышенных температур.
• Химическая стойкость. Она характеризует стойкость материала к разрушающему влиянию кислот, щелочей, окислителей, различных реагентов. Такие вещества способны нарушать структуру катионитов. И чем материал устойчивее химически, тем дольше он проявляет свои свойства в водных растворах с многочисленными примесями.
• Насыпная масса в сухом состоянии и в набухшем, влажном. Это отношение массового значения, то есть веса к занимаемому объёму. Такой параметр измеряется в т/м ³ либо в кг/дм ³.

Ионы магния и кальция фиксируются на функциональных группах, выбивая из них положительно заряженные частицы натрия либо водорода. Это и называется ионным обменом. И такой процесс обратим. Пока смола сохраняет свой рабочий ресурс, на ней оказываются все поступающие с водой катионы.

Катиониты делятся на:

• Сильнокислые. В них содержатся кислотные группы, относящиеся к сильнодиссоциирующим. Пример – сульфоновая кислота. Такие катиониты эффективно работают в щелочных, нейтральных и кислых средах при значениях pH от 0 единиц до 14. Эти смолы предоставляют возможность нейтрализации сильных оснований, а также превращения солей в кислоты.
• Слабокислые. Они демонстрируют свои свойства при уровне pH от 6 единиц до 14, то есть только при щелочной среде и нейтральной. Подобные катиониты обладают значительной ионообменной ёмкостью, а также химической устойчивостью, прочностью. Слабокислые ионообменные смолы подходят даже для обработки воды, содержащей окислители типа хлора, водорода.

По виду обменных ионов выделяют такие технологии:

• H. Тут обмен происходит на частицы водорода.
• Na. Здесь работают катионы натрия.
• H-Na. Это комбинированное водородно-натриевое катионирование.
• NH В таких смолах обмен осуществляют ионы аммония.

По структуре катиониты могут быть непористыми гелевыми, макропористыми и промежуточными. По происхождению катионообменные смолы бывают органическими и минеральными. Каждый тип, в свою очередь, делятся на искусственные и естественные иониты. Минеральные синтетические – это алюмосиликаты, естественные – алюмосиликатные соединения хрома, натрия, магния, железа, а также глаукониты. Органические натуральные катиониты – торф, бурые и гумусовые угли, а искусственные – сульфоугли. Естественные материалы практически не применяются.

Катиониты искусственного происхождения изготавливают разными способами. Например, алюмосиликаты получают посредством соединения сульфата алюминия (соли серной кислоты и алюминия) с жидким стеклом и раствором соды. В результате реакции взаимодействия элементов осаждается алюмосиликагель, который с помощью фильтр-пресса и дальнейшей просушки горячей воздушной массой подвергают обезвоживанию. В итоге получается высушенный гель, и он измельчается до диаметра от 0,5 миллиметров до 1,5.

Также используется метод получения катионитов из сшитого стирола, который содержит винильную группу и бензольное кольцо. Стирольный мономер имеет форму жидкости, не растворяющейся в воде. Его приводят во взвешенное состояние и размешивают, после чего образуются небольшие сферы, округлые капли. Мономерный стирол подвергается полимеризации с нагревом и участием катализатора, после чего он становится пластичным, твердым.

В качестве сшивающего агента применяет дивинилбензол (ДВБ). Он формирует с полистиролом поперечную связь с трёхмерной структурой. От доли ДВБ, вступившей во взаимодействие в полимерной цепи, зависят прочность каждой гранулы, её плотность. Чем содержание дивинилбензола больше, тем меньше влаги при превращении шарика в смолу.

Далее внедряются функциональные группы, придающие сферам свойства ионита. Они добавляются к основной стирольной цепи, наделяя смолу реакционной способностью. В итоге полимерные звенья начинают действовать подобно отдельным взвешенным в воде ионам. При этом дивинилбензол связывает единицы, поэтому гранула становится нерастворимой, но при этом в воде разбухает.

Области применения современных катионитов:

• водоподготовка в квартире, на даче, в частном доме;
• промышленность: пищевая, химическая, фармацевтическая, косметическая – производство напитков, продуктов питания, косметики, медикаментозных препаратов;
• обработка сточных вод;
• органический синтез – использование катионитов в качестве катализаторов;
• гальванические, гидрометаллургические, металлообрабатывающие производственные промышленные процессы – выделение и разделение металлов, регенерация продуктов отходов;
• теплоэнергетика – подготовка теплоносителей и технических жидкостей на ТЭС, АЭС, ТЭЦ.

Для достижения эффекта ионного обмена должны соблюдаться некоторые условия. Первое – подходящий состав подготавливаемой жидкости. Она не должна содержать большое количество нерастворённых частиц и примесей органического происхождения.

Второе условие – уровень кислотности, то есть pH. Рекомендуемые и допустимые значения указываются в инструкции, прилагаемой к смоле. Третье требование – определённые температуры. При соблюдении всех условий катионит служит минимум 2-3 года, а в некоторых случаях срок эксплуатации достигает 5-8 лет.

Важно! Высокие температурные значения, повышенная щёлочность или кислотность – всё это способно запускать пептизацию ионитов, то есть разрушать их, нейтрализовать обменные свойства и переводить из нерастворимой формы в растворимую коллоидную.

Любой катионит имеет определённый ресурс, то есть обменную ёмкость. И по мере её истощения смола теряет свои свойства, перестаёт работать. Но способность можно восстановить посредством регенерации. Для неё используют растворы кислот (серной соляной), а также гидроксида или хлорида натрия. Они при промывке вытесняют осевшие на катионите ионы магния и кальция, при этом насыщая материал нужными катионами, которые будут дальше осуществлять обмен.

Регенерация в современных фильтрах обычно выполняется автоматически, включает следующие этапы:

1. Разрыхление. Для него запускается обратный, направленный снизу вверх ток воды под определённым давлением. На это уходит до получаса.
2. Непосредственно регенерация, восстановление. В модуль со смолой поступает регенерирующий раствор.
3. Промывка. Для удаления излишков восстанавливающего раствора прямым током сверху вниз направляется вода, которая смывает частицы Mg и Ca в дренаж, в канализацию. На промывку затрачивается примерно 6 кубометров воды на каждый м ³ смолы. Процесс длится от 30 минут до часа.
4. Переход в рабочий режим. Катионит заряжен ионами, готов к работе.

Какой очищающий катионообменный продукт использовать? Есть разные марки водородных, натриевых и комбинированных смол, например, КУ-2-8. Все представленные в продаже средства различаются по форме (водород, натрий, комбинация водород-натрий, аммоний), размерам зёрен, функциональным группам и другим показателям.

При выборе катионита следует учитывать исходный состав и качество воды, концентрацию в ней солей магния и кальция, желаемую конечную степень очистки, цели обработки. Например, для пищевой промышленности, для питьевой водоподготовки в домашних условиях применяют материалы, которые обеспечивают эффективное умягчение. А для теплоэнергетики требуется обессоливание, то есть полное удаление солей жёсткости.

Опасен ли катионит для экологии или для человеческого организма? Нет, применение такого способа обработки воды не вредит окружающей среде. Жидкость, очищенная смолой, становится мягче. При натрий-катионировании вода фактически подвергается минерализации. Такой химический элемент нормализует и стабилизирует кислотно-щелочной баланс, водно-солевой обмен, синтез участвующего в пищеварении желудочного сока, осмотическую концентрацию крови, функционирование мышц и нервной системы, работу некоторых ферментов.

Катиониты взрывобезопасные, нетоксичные. Но из-за синтетической природы они крайне медленно разлагаются. Поэтому отработанные, использованные ионообменные смолы требуют правильной утилизации либо вторичной переработки, которой занимаются специализированные предприятия.

Важно! При эксплуатации ионообменных фильтров нужно соблюдать несколько несложных правил безопасности: исключать попадание гранул в ротовую полость и пищеварительный тракт, в глаза, нос. При замене засыпки очистной колонны следует проводить такую операцию в одноразовых перчатках. Натрий при высоких концентрациях после прямых контактов с кожей способен оказывать раздражающее воздействие.

Теперь вы знаете, что такое катионит. Это фильтрующий материал, который, как показывают отзывы, эффективно умягчает воду, делает её пригодной для питья, для бытовых нужд. Но ионообменная смола достаточно требовательна к составу жидкости. Так, в ней не должны содержаться механические, некоторые агрессивные химические примеси. Они способны разрушать структуру катионитов, а также быстро засорять смолу.

Чтобы продлить срок службы ионита и обеспечить высокое качество водоподготовки, можно предусмотреть комплексную, многоступенчатую технологию. В такую систему могут входить механический фильтр грубой очистки для предварительной обработки, основной этап (модуль со смолой), дезинфекция (например, ультрафиолетовой установкой), а также тонкая постфильтрация.