Вы заметили, что вам необходимо умягчить воду. Косвенные признаки или химический анализ подтвердили, что у вас жёсткая вода, которую нужно сделать мягче.
Исследуя фильтры для жёсткой воды, вы выяснили, что большинство из них используют ионообменные смолы для умягчения воды.
Что представляет из себя ионообменная смола?
Первый секрет, который мы раскроем, заключается в том, что ионообменные смолы на самом деле не имеют прямого отношения к обычной смоле. Они создаются из твёрдых синтетических полимеров, которые не растворяются в воде. Внешне ионообменная смола напоминает икру щуки, поскольку состоит из гранул в форме шариков диаметром от 0,2 до 1,2 мм.
Ионообменная смола может быть либо монодисперсной (с гранулами одинакового размера), либо полидисперсной (с разными размерами гранул). Это влияет на скорость и эффективность очистки воды, а также на спектр удаляемых загрязнений.
С 60-х годов XX века ионообменные смолы используются для удаления из воды солей жёсткости, растворённых металлов и органических соединений. Однако наибольшее распространение они получили в конце 80-х — 90-е годы.
Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, которые могут вступать в реакции обмена с ионами раствора. Проще говоря, смола способна задерживать ионы различных примесей, заменяя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом происходит ионный обмен — отсюда и обобщающее название этих смол: «ионообменные» или «иониты»
Какие существуют виды ионообменных смол?
Существует множество видов ионообменных смол: одни предназначены для удаления железа и марганца, другие — для удаления органических веществ с помощью специальных смесей, третьи называются селективными и удаляют определённые элементы, такие как нитраты, бор, кремний и т.д.
В быту ионообменные смолы чаще всего используются для удаления солей жёсткости (солей кальция и магния) методом натрий-катионирования. Этот процесс также называют умягчением воды или ионным обменом, катионированием.
Мы подробнее рассмотрим именно эти смолы, поскольку они работают за счёт регенерации солью NaCl, что можно осуществить в домашних условиях. Другие виды смол необходимо регенерировать агрессивными веществами, поэтому их в основном используют на производстве. Существуют также смолы для глубокой очистки воды, которые работают до полного истощения. Их не регенерируют, а просто заменяют новыми.
Как происходит процесс умягчения?
Прежде всего, следует понимать, что умягчение принципиально отличается отобезжелезивания.
При обезжелезивании происходит окисление и перевод растворённых веществ в твёрдую форму для последующего фильтрования. При умягчении ионообменная смола (Na-катионит) извлекает из раствора положительно заряженные ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т. д. и заменяет их на катионы натрия.
Благодаря этому мы можем избавиться от проблем, связанных с использованиемжёсткой воды:
- белые следы от высохших капель и белый налёт 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 о жёсткости, а о концентрации жёсткости. Потому что в природной воде и в воде из-под крана (в любой воде, не прошедшей черезспециальные фильтры или специальную обработку) всегда есть какой-либо уровень жёсткости. Концентрацию жёсткости создают соли, растворённые в воде. Накипь на чайнике — это отложения именно тех самых растворённых солей.
Принцип работы ионообменной смолы
- Каждая гранула ионообменной смолы имеет электрический заряд с отрицательным и положительным знаком. Катионит, например, имеет на поверхности множество отрицательно заряженных точек.
- Согласно принципу равновесия ионообмена, эти отрицательно заряженные точки притягивают положительно заряженные ионы из водного раствора.
- Когда водный раствор проходит через ионообменные смолы, соли кальция и магния задерживаются на смоле. При этом положительно заряженные ионы отделяются и замещаются на ионы кальция и магния. Этот процесс ограничен количеством удерживаемых ионов.
- Затем происходит регенерация ионов, основанная на обратимости ионообменного процесса. Через ионообменную смолу пропускают регенерирующий раствор, который удаляет ионы с гранул и уносит их.
- После этого ионообменная смола снова готова к использованию. Процесс ионообмена на анионите отличается только знаками заряда ионов и химическими соединениями.
Емкость ионообменной смолы
По своему принципу действия ёмкость ионообменной смолы схожа с ёмкостью аккумулятора.
Ионообменная смола содержит определённый запас ионов натрия, которые в процессе обмена замещаются ионами растворённых солей. Это снижает способность смолы удалять из воды растворённые вещества. Когда в смоле заканчивается натрий, очистка прекращается, и вода проходит через неё, не изменяя своих свойств.
Запас натрия определяет ёмкость смолы. Также ёмкость ионообменной смолы может постепенно уменьшаться из-за загрязнения окисленным железом и взвешенными веществами.
Производительность смолы и скорость фильтрации
Чтобы ионообменный процесс был эффективным, требуется время. Чем больше загрязнена вода и чем больше в ней растворённых веществ, тем медленнее она должна протекать через смолу для качественной очистки.
Гранулы ионообменной смолы кажутся гладкими шариками, но на самом деле их поверхность пористая. Стенки этих пор также являются рабочей поверхностью, на которой закреплён натрий, способный обмениваться с кальцием и другими катионами. Чем мельче фракция смолы, тем больше её рабочая поверхность и тем выше скорость обмена. Следовательно, в смоле задерживается больше ненужных растворённых веществ. Однако чем мельче смола, тем хуже её дренажные свойства и тем ниже скорость фильтрации воды.
Регенерация ионообменной смолы
Во время использования фильтров для жёсткой воды ионообменная смола теряет свои свойства. Чтобы восстановить её, необходимо регулярно проводить процесс регенерации.
При регенерации из фильтра вымываются взвешенные соли. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются с помощью раствора для регенерации (NaCl). Затем фильтр промывают водой, чтобы удалить раствор регенерации.
Преимущество фильтров на основе ионообменных смол в том, что регенерацию катионитов проводят с помощью раствора обычной поваренной соли (хлористого натрия, NaCl). Это никак не влияет на здоровье человека и состояние окружающей среды.
Восстановление свойств фильтрующего материала позволяет повторно использовать один фильтроэлемент. Однако способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает все свойства смолы на 100 %.
Срок службы фильтроэлементов с ионообменной смолой определяет производитель. Отработавшие свой ресурс катиониты необходимо утилизировать.