Как умягчить воду методом ионного обмена

Почему полезно умягчать воду методом ионного обмена

Повальной проблемой, с которой сталкивается большая часть жителей больших городов, является качество питьевой воды.

Да, с кранов не так уж и часто течет грязная, ржавая вода, либо жидкость воняющая сероводородом, но чрезмерная жесткость воды – вопрос актуальный, и без должного уровня водоподготовки использовать такую воду в питьевых и бытовых целях проблематично по целому ряду причин.

Умягчители воды баллонного типа.

Жесткая вода, не прошедшая стадию очистки и умягчения, приносит существенный вред вашим водонагревающим приборам – стиральной машине, посудомойке, электрическому чайнику. Эти устройства при работе с жесткой водой выйдут из строя гораздо раньше, чем предусмотрено производителем при нормальных условиях эксплуатации.

Это объясняется тем, что на нагревающих элементах образовывается слой накипи, который провоцирует ускоренную коррозию металла.

1 Какая технология умягчения воды с помощью ионов?

Наиболее эффективным способом водоподготовки по умягчению воды на сегодняшний день является умягчение воды методом ионного обмена. При водоподготовке методом ионного обмена удается действовать максимально эффективно. Не зря же этот способ водоподготовки так популярен как в быту, так и в промышленности.

Как известно, жесткость воде придают растворенные в ней соли кальция и магния. Суть метода ионного обмена заключается в том, что определенные химические реагенты, которые называются ионообменным материалом, либо просто ионитами, имеют свойство регулировать ионную структуру воды в нужном направлении.

Это позволяет заменить минеральные соли жесткости, на другие химические структуры, которые не придают воде нежелательных свойств.

Чтобы выполнить водоподготовку данным методом используются специальные установки-фильтры, что заполняются ионитами, через которые пропускается вода.

При просачивании сквозь ионообменный материал в жесткой воде происходит замена большей части растворенных в ней ионов электролитов на такое же количество ионов ионитов, вследствие чего происходит изменение химической структуры самой воды, так и химического реагента.

В отличие от метода аэрации, очистка воды ионным обменом не влечет за собой выпадение солей жесткости в виде осадков, что не требует установки дополнительных фильтрующих устройств.

Схема принципа работы ионных умягчителей жесткой воды.

Наиболее распространенным химическим реагентом для проведения водоподготовки ионным умягчением является ионообменная смола. Это твердое на ощупь неорганическое вещество, которое имеет пористую структуру. В составе смолы содержатся всевозможные функциональные добавки, способные выполнять реакцию ионного обмена.

Выпускаются такие смолы в виде гранул произвольного размера, форма которых зависит от метода их производства: если смола изготовлена в процессе полимеризации – она будет иметь шарообразную форму, если посредством поликонденсации – гранулы будут обладать неправильной формой.

Во время взаимодействия с водой смола имеет свойство набухать. Поскольку смола в процессе замены ионов солей жесткости теряет свой изначальный химический состав, во время срока эксплуатации происходит постепенное уменьшение её рабочих характеристик (ресурс зависит от количества обработанной воды и от её жесткости).

Для восстановления работоспособности реагента, в основном, применяется раствор из обычной поваренной соли (реже – лимонная кислота).

Стоит отметить, что восстановление солью не возвращает смоле все её первоначальные свойства на сто процентов, поэтому, после определенного количества отработок, смола полностью вырабатывается и подлежит замене. Однако при правильно выполняемом регулярном восстановлении можно рассчитывать на 3 года её эксплуатации.

В реалиях современного промышленного производства, когда сточные воды крупных предприятий, выбрасывающиеся в землю и водоемы, несут в себе огромное количество тяжелых металлов, таких как цинк, хром, свинец, никель, ртуть — вопрос очистки сточных вод имеет первостепенную важность.

Ведь без очистки сточных вод вас ждут серьезные проблемы. Тем более что из сточных вод можно получать чистую и пригодную для использования жидкость. Просто процесс обработки сточных вод заключает в себе множество циклов обработки.

Крупные промышленные установки для умягчения воды ионным методом.

Благодаря возможности эффективно обрабатывать большое количество воды в кратчайшие сроки, именно умягчение воды методом ионного обмена стало наиболее востребованным способом очистки воды от тяжелых металлов в промышленных условиях.

Установка фильтра работающего по данной технологии позволяет снижать содержание железа в сточных водах до допустимого уровня, после чего обработанная вода может повторно использоваться в разнообразных технологических процессах.

1.1 Плюсы и минусы

К очистке воды ионообменным методом прибегают, как правило, когда жидкость имеет довольно высокие показатели минерализации – в пределах 100-200 мг солей на 1 литр. При этом ионообменные умягчители воды способны эффективно работать с любым, даже самым большим уровнем жесткости.

Данная технология обладает рядом неоспоримых преимуществ, которые обеспечили ей широкую востребованность как в бытовом, так и в промышленном использовании. Однако существует и ряд недостатков, которые, в некоторых случаях, делают её применение неоправданным. Рассмотрим все плюсы и минусы ионной очистки воды подробнее.

• Максимальное качество умягчения и очистки воды: ионообменные фильтры могут эффективно обрабатывать как обычную питьевую воду, так и сильно загрязненные сточные воды промышленных предприятий. Ни один другой метод не гарантирует сопоставимый уровень очистки.
• Ионообменные умягчители воды способны снижать не только уровень концентрации солей жесткости, но и других, способных к ионному обмену, снижающих качество воды веществ.
• Простота эксплуатации: очистная установка проста в использовании, она не имеет таких сложных узлов как форсунки, либо нагнетатели давления, которыми оборудованы аэрационные устройства. Единственная операция, которую вам придется выполнять – регулярная замена картриджей с ионообменной смолой.

Система ионного умягчения с параллельным подключением и панелью управления.

• Затраты на регулярное восстановление химических реагентов – при средних показателях жесткости делать это нужно каждые три месяца, и их периодическую замену после выработки.
• Необходимость утилизации использованных реагентов.
• Если в качестве основного функционального вещества выступает ионообменная смола, то дополнительно стоит учесть недостатки этого материала, главным из которых является низкий показатель гидрофильности, то есть, смола достаточно медленно отдает свои ионы воде, вследствие чего процесс умягчения воды имеет невысокую скорость.

В целом, стоит учесть, что современные фильтры для ионной водоподготовки сводят большую часть минусов к минимуму: они сокращают расход реагентов, а специальные катализаторы ускоряют процесс обработки.

Принимая это во внимание, можно признать, что установка такого устройства для бытового использования является оптимальным вариантом очистки воды, как по эффективности, так и по сопутствующим затратам.
к меню ↑

2 Необходимое для работы оборудование

Технические особенности оборудования, как и его цена, зависят в первую очередь от сферы его применения: фильтры для сточных вод могут иметь огромные размеры, в то время как устройства для бытового использования обладают достаточно компактными габаритами.

Что касается цен, то минимальная стоимость устройства для домашней водоподготовки составляет, по меньшей мере 300 долларов.

На сегодняшний день все фильтры для ионного умягчения выпускаются в двух основных форм-факторах:

• Небольшие стационарные фильтры со сменным картриджем;
• Ионообменные колонны – крупногабаритные подключающиеся к водопроводу устройства, которые, в основном, обладают автоматизированным процессом восстановления смолы.

Бытовая система ионного обмена с несколькими баллонами и насосом.

Фильтры колонного типа имеют следующую комплектацию:

• Рабочая емкость – выполненная в форме герметичного бака, либо баллона, который заполнен ионообменной смолой;
• Клапан с электронным процессором, который управляет подачей воды;
• Емкость для восстановительного материала – в основном имеет форму бака, в который засыпается соль.

Работа таких устройств для умягчения полностью автоматизирована: процессор подает в колонну воду, которая, попадая в ионообменную среду, отдает смоле ионы солей жесткости, после чего вода, уже очищенная, сквозь выводящий шланг подается к водопотребляющим устройствам.

Когда ионообменная смола истощается и требуется её восстановление, устройство выполняет подачу небольшого количества жидкости в бак для реагентов, которая после насыщения соляным раствором возвращается обратно к смоле. Циркуляция происходит до тех пор, пока система не будет полностью восстановлена.

В целом, колонны для водоподготовки бытового применения и промышленные устройства для фильтрации сточных вод, отличаются друг от друга лишь размерами рабочей емкости и видом используемых реагентов.

2.1 Восстановление ионной смолы в картридже

В фильтрах с картриджами восстановление смолы выполняется собственноручно, делается это следующим образом:

1. Перекрывается подача воды в фильтр и сбрасывается внутреннее давление.
2. Извлекаем картридж со смолой.
3. Очищаем его от загрязнений, промывая под струей проточной воды.
4. Если картридж разбирается, то смола высыпается в отдельную посудину и покрывается соляным раствором, если нет – то опускаем в него картридж целиком. Соляной раствор изготавливаем из расчета 100 грамм соли на 1 литр воды. Нам понадобится примерно 2-4 литра жидкости.
5. Оставляем смолу в растворе на 6-8 часов, после чего сливаем его и промываем смолу чистой, предварительно отфильтрованной, водой 2-3 раза.
6. Выполняется установка картриджа в исходное положение.
7. В первых литрах пропущенной через фильтр воды, после восстановления смолы, вы можете почувствовать легкий привкус соли – это нормально, в течении получаса он исчезнет.

Простейший способ подключения системы водоподготовки и ионного обмена.

Эффективность работы ионообменных фильтров будет максимальной при соблюдении определенных правил по качеству подающейся воды:

1. Жидкость не должна быть зараженной микробами.
2. Запрещается умягчать воду с высоким содержанием активного хлора и сероводорода.
3. Оптимальная температура обрабатываемой воды: 5-40 градусов по Цельсию.
4. Давление потока: 2-7 кгс\см2.
5. Концентрация механических загрязнений не должна превышать 1 мг\л.

При очистке сточных вод используются более агрессивные химические реагенты способные работать с практически любой водой, поэтому какие-либо жесткие ограничения в этом случае водоподготовки отсутствуют.

Для обработки сточных вод это не имеет значения, так как после первичной очистки их еще будут несколько раз прогонять через обогатители и другие подобные установки, а потому конечное качество жидкости будет меняться.
к меню ↑

Источник

Что такое ионообменная очистка воды

Ионный обмен воды относится к методам обессоливания водных растворов. В отличие от обычного фильтрования через зернистые материалы, когда состав водного раствора не меняется, фильтрование ионообменным методом очистки воды основано на направленном изменении ионного состава водного раствора путем пропускания его через мелкозернистые ионообменные материалы — иониты, которыми предварительно заполняют специальные резервуары — ионные фильтры. Полезная работа ионных фильтров, заключаемая в возможности осуществлять требуемый ионный обмен между ионитом и фильтруемым водным раствором, называется обменной емкостью ионитового материала.

Опреснение воды ионным обменом применяется для природных вод с величиной минерализации менее 1,5 — 2 г/л и общей концентрацией сульфатов и хлоридов не выше 5 мг/л, взвешенных примесей — до 8 мг/л, цветности воды — не более 30 град, перманганатной окисляемости — до 7 мг/л О₂.

Ионный обмен как метод очистки воды

В основе механизма деминерализации воды ионным обменом лежит способность ионообменных смол избирательно забирать из электролита ионы металлов взамен на эквивалентное количество ионов ионита. На скорость процесса влияет валентность ионов, их заряд, степень гидратации, радиус иона. Реакция ионного обмена в воде:

Na + 4+ + 2+ 2+ 2+ 3+ 3+

В результате прохождения воды сначала через катионитовые, а затем ОН — , СО 3- или НСО 3- анионитовые фильтры подвижные ионы ионитов замещаются растворенными в воде анионами и катионами. Реакция ионного обмена между веществами и водой:

H[Кат] + NaCL ↔ Na[Кат] + HCL;

На рабочую обменную емкость катионитов существенно влияют анионный состав водного раствора и общее солесодержание, выражающееся отношением концентрации ионов НСО 3– в воде к сумме концентраций ионов НСО 3– , SO₄ 2– , CL – , NO 3– .

Попадая в анионитовые фильтры, анионы образующихся кислот и находящиеся в исходном водном растворе обмениваются на подвижные ионы анионитов:

Ионообменная обработка воды

Наиболее часто используют аниониты, в состав которых входят амино- и амониевые функциональные группы. Аниониты с первичными (-NH₂), вторичными (=NH) и третичными (≡N) аминогруппами характеризуются слабоосновными, а четвертичные аммониевые группы (-N + R_a) — сильноосновными свойствами. Слабоосновные аниониты проявляют реакционную способность только в кислой среде, сильноосновные — в растворах с любой реакцией.

Катиониты и аниониты делят на моно- и полифункциональные. Монокатиониты, имеющие в составе сульфогруппу, относятся к сильнокислым, диссоциируют полностью и могут осуществлять ионный обмен в растворе с любым рН. Катиониты с карбоксильной и фенольной группами являются слабокислотными и могут активно работать лишь в щелочной среде. Фосфоросодержащие группы имеют среднее значение кислотности. Слабоосновные аниониты чаще бывают полифункциональными. Полезная обменная емкость анионитов повышается с понижением рН раствора.

В качестве ионитов применяют синтетические смолы, полученные путем полимеризации или поликонденсации. На скорость ионного обмена влияет быстрота диффузии ионов к границе раздела ионит — водный раствор. В компактных по структуре фильтрах процесс идет быстро и преимущественно на внешних слоях — экстрамицеллярный ионообмен, но при этом сорбционная емкость ионита задействована не в полном объеме. В пористых фильтрах величина капилляров больше диаметра гидратированных катионов и анионов, ионообмен проходит на внутренней стороне — интермицеллярный процесс. Он медленнее, но характеризуется большим сорбционным потенциалом.

Ионный обмен для очистки воды

Для деминерализации воды водный раствор, избавленный от основных примесей путем предварительной очистки, поступает последовательно в катионобменные и анионообменные фильтры. В катионите связываются ионы металлов, а в раствор уходят соответствующие кислоты. Образующийся СО₂ удаляют дегазацией. Затем в анионите происходит сорбция сильнокислых анионов.

В зависимости от необходимой глубины очистки реализуются одно-, двух- и трехступенчатые ионообменные аппараты. Во всех установках ионообменной очистки воды для связывания катионов металлов из водного раствора применяют сильнокислотные катиониты с хорошей сорбционной способностью.

При непрерывной работе ионообменной установки независимо от количества ступеней очистки каждый цикл должен включать минимум два фильтра. Через ионитовый аппарат пропускают часть водного раствора, затем смешивают его с оставшейся водой и обеспечивают в деминерализованной воде концентрацию солей, отвечающую требованиям потребителя: для питьевого и хозяйственного использования оно должно составлять 0,5 — 1 г/л, при присутствии хлоридов не более 0,35, сульфатов — до 0,5 г/л.

Для получения водного раствора с общей минерализацией до 0,5 мг/л и одновременным обескремниванием его до 1 мг/л применяют установки с двухступенчатой схемой Н + и ОН — ионирования. Если же содержание солей необходимо довести до 0,1 мг/л, а содержание кремниевой кислоты до 0,05 мг/л, используют трехступенчатое ионирование.

Основные цели применения ионообменного метода обессоливания воды

Наибольшее распространение ионообменный метод получил при умягчении водных растворов: избавлении их от растворенных Сa 2+ и Mg 2+ , вызывающих нарастание накипи на оборудовании. Для этого используют Na-катионирование, H-Na катионовый метод, Na-CL ионирование воды. В результате ионообменной реакции Na замещает накипеобразующие Ca, Mg, образуя отлично растворимые в воде соли. Восстановление ионообменной способности смолы проводят хлоридом натрия.

Ионообменная очистка воды от железа

Обезжелезивание воды катионированием используют при необходимости одновременного удаления Fe и солей, обуславливающих жесткость, и когда обрабатываемый водный раствор на пути к катионитовому фильтру не обогащается кислородом. Вода проходит через фильтры, загруженные Na-катионитом. Регенерируют такой катионит NaCl.

На Na и K катионитовых фильтрах эффективно удаляются из водных растворов ионы Mn 2+ путем перевода их в соединения марганца (IV). Mарганец (II) окисляется KMnO₄ до оксида Mn (IV), который пленкой осаждается на зернах катионита. Марганцевый катионит получают обработкой любого катионита в натриевой форме с дисперсностью 0,5 — 1,2 мм последовательным пропусканием 0,5% растворов MnCL₂ и KMnO₄. Формула ионного обмена в воде:

где Ме + — ион К + или Na + .

Подробнее про обработку воды ионным обменом в частных домах вы можете прочитать здесь!

Другое применение ионного обмена для очистки воды

Кроме комплексного удаления ионов, существуют селективные или монофункциональные иониты, направленные на поглощение определенного вида ионов (B — , F — , NO₃ — , редкоземельных и тяжелых металлов). Комплексообразующие ионообменные смолы преимущественно связывают ионы, способные к образованию координационной связи с определенными элементами, входящими в состав селективных ионитов.

Метод ионного обмена для получения воды очищенной

Соединение в одной установке смешанного действия анионита и катионита позволяет достигнуть высокой чистоты раствора: за один цикл удаляются практически все растворенные ионы. Получаем чистую воду с низкой минерализацией и нейтральным рН. Избирательно подобранные по размеру и плотности зерна монодисперсных ионитов в современных фильтрах обеспечивают качественное связывание и стабильность параметров. Такие установки ионного обмена воды не регенерируются и подлежат замене при выработке ионообменной емкости.

Преимущества очистки воды с помощью ионного обмена

Метод ионного обмена при очистке воды — одна из самых востребованных технологий для деминерализации и смягчения природной воды, поскольку позволяет добиться высокой чистоты, соответствующей нормативам промышленных объектов разного назначения. Разнообразие ионитов по составу и конструкционному исполнению позволяет подобрать фильтр как для селективной очистки от определенного иона, так и для комплексного обессоливания водных растворов, исходя из требований производства.

К минусам ионообменной технологии очистки воды можно отнести:

• значительный расход реагентов;
• необходимость восстановления сорбционной способности ионитов;
• большой объем сточных и промывных вод от регенерации;
• стоимость обессоливания воды методом ионного обмена сильно растет с увеличением концентрации солей в водном растворе;
• уменьшение эффективности ионообменного метода опреснения и обессоливания воды с повышением минерализации воды;
• необходимость утилизировать отработанный ионит;
• невысокая скорость фильтрации.

Как выбрать ионообменную установку для воды

Выбирать ионообменные установки для очистки воды нужно, исходя из технических условий на ионообменные материалы, учитывая требования потребителей очищенной воды и экономические показатели. Общие рекомендации при выборе схемы ионообменной очистки воды:

• учитывать температуру очищаемой воды и раствора для регенерации;
• если присутствуют окислители, лучше выбрать макропористый ионит;
• для противоточных установок с большими скоростями рекомендуется применять моносферные иониты с крупными гранулами;
• для предотвращения быстрого загрязнения анионитов органическими веществами обязательна установка предфильтров с поглотителями органики;
• у малокислотных гелевых катионитов ионообменная емкость в равных условиях выше, чем у слабокислотных с макропорами, но они менее прочные.

Источник