Іонний обмін як один з методів пом’якшення води, РусВатер

Якість води з природних джерел не завжди дозволяє використовувати її у різних технологічних процесах без попередньої водопідготовки. Наприклад, можуть не відповідати технічним умовам показники прозорості через зважені речовини, високу кольоровість і каламутність. Присутність різних хімічних домішок, включаючи солі жорсткості, надають воді небажаних органолептичних властивостей, і сприяють утворенню щільного вапняного осаду, який відкладається на внутрішніх поверхнях трубопроводів, нагрівальних приладів і пристроїв. З метою видалення солей жорсткості застосовують різні способи пом'якшення.

Способи зниження жорсткості

В арсеналі засобів водопідготовки виділяють ряд фізичних та фізико-хімічних методів пом'якшення води, що включають:

температурна дія (нагрівання, виморожування або аквадистиляція);
обробка спеціальними хімічними реактивами;
іонообмінне пом'якшення води;
електромагнітний спосіб;
Зворотній осмос;
поєднання кількох зазначених способів.

Вибір методики та установки визначається вихідними показниками якості води (для цього необхідно провести дослідження у спеціальній лабораторії), її подальшим використанням, необхідним ступенем водоочищення, а також технічними можливостями та економічною доцільністю. Найбільш універсальним єметод іонного обміну, що дозволяє досить глибоко обробляти воду, очищуючи її від солей жорсткості, але при цьому, не видаляючи необхідні мінеральні речовини.

Установки для пом'якшення методом іонного обміну

Основним компонентом такого пристрою є іонообмінні смоли (іоніти). Це так звані сорбентидля іонного обміну, які мають вигляд дуже щільного, водонерозчинного каркаса з позитивним (+) або негативним (-) зарядом, а також зарядженим його протилежно зарядженим рухомим протиіоном, який «захоплює» і обмінюється з іонами однойменного заряду, розчиненими у воді.

Каркас або матриця трохи набухає у водному середовищі. Іонообмінні смоли поділяють на кілька видів:

За походженням:
природні (целюлозні, дерев'яні, торф'яні)
синтетичні (з силікагелю, алюмогелю чи сульфовугілля).
Залежно від хімічної природи – іоніти, виконані з:
неорганічних речовин – цеолітів (лужних та лужноземельних алюмосилікатів),
органічних синтетичних смол (стирол, акриламід та ін.)
мінерально-органічних речовин.
По знаку заряду:
Катіоніти – це смоли, здатні поглинати та замінювати позитивні іони небажаних домішок із водного розчину. Залежно від «поглинача» розрізняють слабокислотні (містять залишок карбоксильних кислот) та сильнокислотні (сульфокислотні групи);
Аніоніти – забезпечують іонний обмін між негативно зарядженими частинками розчину та іоніту. Поділяються на слабо-, середньо-і сильноосновні;
Амфоліти (амфотерні іоніти) – одночасно виконують роль і катіоніту, і аніоніту.

Експлуатаційні властивості катіонітів визначаються фракційним складом, тобто. розміром зерен, а також здатністю до набухання та механічною міцністю.

Механізм процесу пом'якшення води методом іонного обміну

Видалення солей жорсткості методом іонного обміну базується на фізико-хімічних особливостях іонітів, в результатічого вони здатні поглинати з води іони, замінюючи їх еквівалентною кількістю іонів катіоніту такого ж заряду. Проходячи через шар іонообмінника, процес пом'якшення води триває до певної глибини катіоніту, закінчуючись лише на рівні працюючого шару, званого зоною пом'якшення.

При багаторазовому використанні катіоніту верхній шар виснажується і в ньому утворюється 3 зони: виснаження, робоча та свіжого катіоніту. Причому розмір неробочих шарів поступово збільшується, а зона пом'якшення скорочується і в момент досягнення її нижнього шару катіоніту відбувається проскок іонів жорсткості - пом'якшення методом іонного обміну стає неефективним.

Способи іонообмінного пом'якшення

Залежно від того виду іона, яким «заряджений» катіоніт розрізняють процеси:

натрій-катіонування (Nа + ) здійснюється за допомогою проходження через шар глауконіту, сульфовугілля або ін. Nа + )і утворюючи еквівалентну кількість водорозчинних натрієвих солей.
водень-катіонування (Н + ) - частіше застосовують у поєднанні з натрій-катіонуванням за однією з наступних схем:

Послідовне катіонування шляхом пропускання води спочатку через водневий катіоніт. Після перемішування відфільтрованої та необробленої води та проходження її через дегазатор (у ньому видаляється вуглекислота) – вона пропускається через натрієвий катіоніт.
Паралельний обмін з іонами Н+ (частина води пропускається через водень-катіонітний) Nа+ катіонітного фільтра, через який проходить інша частина водного потоку. Після цього обидві порції відфільтрованого водного середовища змішуються. В результаті такогопом'якшення методом іонного обміну отримують воду, що характеризується низькою жорсткістю та невисокою лужністю.
Спільне катіонування – обробка здійснюється в одному фільтрі-пом'якшувачі, який містить обидва типи катіонітів у різних шарах: верхній шар «працює» як водневий, а нижній – як натрієвий катіоніт. При необхідності додаткового пом'якшення обробленої води методом іонного обміну використовують натрій-катіонітний фільтр другого ступеня.

Експлуатація іонообмінного пом'якшувача

Апарати, що використовуються для пом'якшення води методом іонного обміну мають конструкцію вертикального циліндра. Його заповнюють смолою-іонітом. Для усунення солей жорсткості вода подається у верхню зону пристрою, де вона омиває шари смоли та поступово звільняється від іонів жорсткості. Так, у міру проходження «згори донизу» через іонообмінну смолу концентрація Са 2+ та Mg 2+ поступово зменшується та знижується рН.

Для ефективної роботи установки контролюють ці показники і, якщо концентрація іонів жорсткості та рН не знижуються – необхідна регенерація смоли. Вона включає розпушування, власне регенерацію відповідним розчином та відмивання катіоніту від продуктів регенерації.