Смола для умягчения воды: назначение и применение

Из содержание этой статьи вы узнаете:

1. Ионообменные смолы. Определение
2. Классификация ионообменных смол
3. Назначение и применение
4. Принцип действия умягчающих смол
5. Достоинства и недостатки

Жесткая вода – проблема, с которой сталкивался почти каждый. Накипь на стенках чайника, известковый налет в стиральной машине, внезапная поломка бойлера, скопление большого количества солей на лопастях паровых турбин на крупных производствах. Все это признаки влияния повышенной жесткости воды, которые приводят не только к отказу техники, но и, при длительном воздействии на организм человека, могут негативно сказаться на общем состоянии  его здоровья. В настоящее время одним из основных методов решения данной проблемы является применение специальных умягчителей воды, среди которых наиболее известны ионообменные смолы.

1. Ионообменные смолы. Определение

Активное применение в области водоподготовки умягчающие смолы приобрели благодаря своей способности не растворяться в воде, имея при этом возможность вступать в реакции обмена с ионами других жидкостей.

Ионообменные смолы – вещества неорганического происхождения, имеющие множество пор и выпускающиеся в виде гранул. Это класс специальных материалов, для удаления из водных растворов примесей и вредных солей на молекулярном уровне. Представляют собой синтетические однородные светло-желтые и желтые пластиковые шарики размерами около 1 мм, которые обычно называют ионитами. Применяются в водоподготовке для извлечения соединений, образующих жесткость воды, а также нитратов, сульфатов и гидроокислов.

Рис. 1 Вид ионообменной смолы

Основной принцип их работы заключается в том, что молекулы ионитов связаны между собой в единую прочную сеть, которая улавливает из растворов различные соли и примеси. Одни смолы имеют кислотные остатки с отрицательными зарядами, другие – щелочные группы с положительными зарядами. В умягчаемой воде также содержатся положительно и отрицательно заряженные ионы. Когда вода проходит через ионитовый фильтр, начинают действовать электрические силы. Положительные группы ионитов притягивают отрицательные ионы, а отрицательные группы ионитов присоединяют положительные ионы.

Умягчающая смола заряжена ионами натрия, в то время как в воде с временной карбонатной жесткостью присутствуют кальций и магний. При кипячении они выпадают в осадок и приводят к появлению известкового налета или как еще говорят – кальциту, известкового шпата.

Жесткая вода, пропускаемая через установку умягчения, насыщается ионами натрия, а ионы кальция и магния поглощаются смолой.  После этого вода становится натриевой, т.е. мягкой. Появившиеся в процессе ионного обмена соли натрия не остаются в виде накипи на стенках нагревательных и сантехнических приборов, а также безопасны для человека.

Рис. 1 Установка умягчения воды 

Важно понимать, что данная смола нуждается в периодической промывке, регулярность которой зависит от показателя загрязненности пропускаемой воды и от интенсивности эксплуатации фильтра.

Умягчающую смолу можно подвергнуть регенерации. Когда ресурс фильтрующего элемента установки умягчения подошел к концу, для восстановления его можно просто поместить в раствор соли. Умягчающая смола будет насыщаться ионами натрия, а вредные ионы кальция и магния будут поглощаться раствором. В установках по умягчению воды данный процесс происходит посредством попадания определенного количества жидкости в бак с реагентами, после чего, уже насыщенный солью раствор проходит через гранулированную смолу. После данного контакта с солью иониты смолы восстанавливаются и вновь готовы для ионообменного умягчения воды.

Стандартизация ионообменных смол проводится в соответствии государственным стандартам – ГОСТ 20298-74, ГОСТ 20301-74 «Смолы ионообменные. Катиониты», «Смолы ионообменные. Аниониты». Согласно этим документам, транспортировка и хранение мешков или контейнеров со смолами (25 – 50 кг) обязательно должны производиться раздельно для катионитов и анионитов. Срок службы умягчающей смолы при условии регулярной регенерации составляет не менее трех лет.

2.  Классификация ионообменных смол

Смолы для умягчения воды подразделяются:

В зависимости от заряда иона:

а. Катиониты, извлекаемые ионы из воды положительные (+): кальций, марганец, магний, водород, железо, натрий;

б. Аниониты, извлекаемые ионы из воды отрицательные (-): хлориды, сульфаты, нитраты, силикаты, гидроокислы;

В зависимости от структуры матрицы:

а. Гелевая, где смолы не содержат пор, из-за чего они могут обмениваться ионами только в гелеобразном состоянии. Достоинство заключается в том, что смолы с такой структурой могут проводить большее число обменных процессов;

б. Пористая (макропористая), где на поверхности ионообменных смол находится большое количество пор, что способствует процессу умягчения. Достоинство заключается в высокой химической стойкости и в возможности проведения ионного обмена практически при любой температуре воды;

в. Промежуточная – среднее между двумя предыдущими типами.

В зависимости от типа матрицы:

а. Полистирольная, получается в процессе сополимеризации полистирола и дивинилбензола (ДВБ);

б. Полиакриловая, получается в процессе сополимеризации полиакрилата и ДВБ.

В зависимости от размера частиц:

а. Полидисперсные – частицы размерами от 0,3 до 1,2 мм;

б. Монодисперсные – частицы размерами около 0,5 мм.

Кроме вышеперечисленной классификации, к важным показателям, характеризующим основные свойства ионообменных смол, относятся:

- Селективность. Данная характеристика позволяет выборочно подвергать сорбции определенные ионы из растворов сложного состава. Обычно ионообменные смолы обладают незначительно развитой селективностью, однако, разработаны некоторые образцы, которые обладают этой характеристикой в высокой степени, что позволяет им извлекать только определенные ионы из раствора;

- Влажность. Чем меньше ее содержание в ионообменной смоле, тем лучше. Для этого производители перед упаковкой прогоняют гранулы смолы через специальную центрифугу для удаления остатков влаги;

- Емкость. Данная характеристика позволяет определить какое количество ионов в первоначальной среде приходится на единицу общего объема. Таким образом, смолу относят к одному из трех видов емкостей: рабочей, объемной или весовой;

- Механическая прочность или истираемость. Способность ионитов противостоять различным механическим воздействиям. Для оценки данной характеристики ионообменные смолы проходят проверку в специальной мельнице, после чего определяется число разрушенных или деформированных гранул;

- Осмотическая стабильность. Способность ионита выдерживать строго отведенное число циклов перемены характеристик окружающей его среды. Такую характеристику определяют соотношением числа уцелевших зерен к их первоначальному числу, после многократной смены кислой и щелочной среды (150 раз) с промывкой водой в перерывах между сменами циклов;

- Химическая стойкость. Устойчивость ионообменных смол к различным агрессивным растворам: кислым, щелочным и окислителей. Большей химической стойкостью в отличие от поликонденсационных обладают полимеризационные иониты. Также эта характеристика сильнее проявляется у катионитов, чем у анионитов;

- Термическая устойчивость. Катиониты обладают наибольшей работоспособностью при повышенных температурах (до 130 ˚С), в отличие от анионитов, для которых предельная температура раствора составляет 60-80 ˚С.

3. Назначение и применение

Фильтр для умягчения является лучшим способом смягчения жесткой воды и эффективно используется для избавления от солей жесткости, удаления вредных химических элементов и их соединений, тяжелых металлов, и для получения дистиллированной воды. Поэтому спектр применения умягчающих смол достаточно широк. Они незаменимы в процессах водоочистки и водоподготовке, связанных с использованием воды в промышленных, коммерческих или бытовых целях.

В ежедневном бытовом отношении, после умягчения специальными смолами, воду можно применять в процессе приготовления пищи и даже пить, так как данные смолы безопасны и не токсичны. Благодаря активному действию смол, продляется срок службы бытовой техники: стиральных и посудомоечных машин, сантехники, утюгов, чайников, водонагревателей, увлажнителей, отопительных котлов, очистителей воздуха и многих других устройств, имеющий непосредственный контакт с водой.

Умягченная вода положительно влияет на кожные покровы человека, не вызывая раздражений, сухости, шелушений и стягивания.

Умягчающие воду смолы обеспечивают достаточно высокую степень эффективности деминерализации в различных установках, а также в фильтрах  на крупных и небольших производствах. Умягчающую смолу применяют при: очистке и умягчении воды для химической, металлургической и тяжелой промышленностей, очистке водопроводной и с последующим умягчением, удалением железа, марганца, аммония и вредных соединений органики.

Фильтры с умягчающими смолами для удаления солей жесткости из водопроводных систем устанавливают на магистрали холодной воды, где они занимают место сразу после первичного фильтра грубой механической очистки. После действия фильтра жесткость воды уменьшается, что снижает или полностью предотвращает процесс образования накипи.

4. Принцип действия умягчающих смол

Умягчающая смола является основным действующим компонентом фильтра установки смягчения воды. Вредные соли жесткости удерживаются специальными смолами, при этом заменяясь на безопасные соединения натрия.

Умягчающие смолы засыпаются в фильтры различных размеров – от бытовых до промышленных. Сделав анализ воды на входе и выходе фильтра с ионообменными смолами, можно сравнить и убедиться, что ионный состав изменился и вода, как химическое соединение, стала чище. Как же это происходит?

Ионообменные смолы на поверхности каждой гранулы сосредотачивают электрический заряд с отрицательным (-) или положительным (+) знаком. К примеру, катионит имеет на поверхности большое количество отрицательно заряженных точек. Согласно уравнению равновесия ионного обмена, эти отрицательно заряженные точки уравновешиваются положительными ионами раствора воды.

При прохождении воды через гранулы ионообменных смол соли кальция и магния улавливаются ионитом и задерживаются на нем. Положительные ионы на катионите отсоединяются и уступают им место. Этот процесс лимитируется количеством удержанных ионов.

Далее происходит перезарядка ионита – регенерация, основанная на принципе обратимости ионообменного процесса. Вместо воды через ионообменную смолу пропускается регенерирующий насыщенный солевой раствор (NaCl), который снимает ионы с гранул и уносит их. После проведенной процедуры ионообменная смола вновь готова к применению.

5. Достоинства и недостатки