Емкость ионообменной смолы. Ионообменные смолы

Purex C150 Lewatit C 249 NS

Смола для умягчения воды. Общие понятия

Одной из главных задач водоподготовки является умягчение воды в коттедже и в промышленности. Умягчать воду можно различными методами, но наиболее широко в промышленной водоподготовке и водоподготовке для коттеджей используется метод, основанный на применении синтетических ионообменных смол для умягчения воды на производстве и в коттеджах. Снижение жесткости методом ионного обмена может быть 3х видов:

• Na - катионирование,
• H-Na - катионирование,
• H - катионирование.

Методы H-Na - катионирования и H - катионирования применяются тогда, когда помимо жесткости требуется снизить или удалить щелочность воды и уменьшить общее солесодержание. Сложность процесса заключается в использовании кислот для регенерации и использовании установок для отдувки образующегося углекислого газа. Практическое применение в промышленности нашло сочетание H-Na - катионирования. В этом случае можно регулировать требуемую щелочность и кислотность воды, что требуется в ряде производственных циклов. В случае если требуется только снизить жесткость, применяется метод Na - катионирования на синтетических ионообменных смолах. Ионообменное свойство синтезированных ионитов объясняется наличием активных групп, прикрепленных к каркасу молекулярных соединений. В каркасе так же находятся подвижные противоположно заряженные ионы, которые и участвуют в обмене, в данном случае Na. По силе ионизации активные группы делятся на сильно кислотные, среднекислотные и слабокислотные. Синтетические ионообменные смолы для умягчения воды являются сильнокислотными катионитами. Резюмируя вышесказанное, катионообменную смолу для умягчения можно охарактеризовать следующим образом: это полимер, содержащий карбоксильные, фосфиновые и сульфоксильные ионные группы, постоянно закрепленные в каркас, и одинаковое количество противоположно заряженных ионов.

Существует 2 метода производства ионообменных смол для умягчения питьевой воды и для других задач водоочистки, например, очистка воды из скважины от железа. Первый метод заключается в том, что активные вводят в структуру каркаса в момент процесса его создания (процесс полимеризации или конденсации). Второй метод: сначала синтезируют полимер, после чего в него вводят активные группы. Первый метод имеет ряд преимуществ: ионообменные получаются высокопрочные и монодисперсные. Само создание высокомолекулярных полимеров происходит по известным химическим процессам полимеризации и конденсации. Реакция конденсации - это реакция, в которой при синтезе полимера образуется вода, например, взаимодействие формальдегида и фенола. При химических реакциях полимеризации побочные продукты не образуются, например, стирол полимеризуется в полистирол. Нерастворимый сополимер синтезируется при связывании молекул полистирола с помощью дивинилбензола.

Отправить заявку на поставку смолы для умягчения воды:

Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но особенное распространение получили в конце 80-х - в 90-х годах. Ионообменная смола представляет собой скопление достаточно мелких (меньше миллиметра в диаметре) шариков, изготовленные из специальных полимерных материалов, именуемых для простоты "смолой". Для неискушенного человека внешне такая смола может напомнить щучью или минтаевую икру. Однако, эта "икра" обладает уникальными свойствами. "Икринки", т.е. шарики смолы, способны улавливать из воды ионы различных веществ и "впитывать" их в себя, отдавая в замен "запасенные" ранее ионы. Таким образом осуществляется ион-ный обмен - отсюда и обобщающее название этих смол - "ионообманные" или более по научному "иониты".

Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.

Иониты имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуру.

Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии.

Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии.

Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Иониты представлены анионитами - материалами, способными к обмену анионов, и катионитами - материалами, обменивающими катионы.

АНИОНИТЫ подразделяются на:

• сильноосновные, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;
• слабоосновные, способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6;
• промежуточной и смешанной активности.

КАТИОНИТЫ подразделяются на:

• сильнокислотные, обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;
• слабокислотные, способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

Как правило, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно-хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Эти материалы используются в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и для глубокой очистки конденсата на атомных электростанциях. Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия.

Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является "химически связанной". Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. "Внешняя" же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой или с помощью центрофугирования или фильтрования.

Для удобства транспортировки, ионообменные смолы упаковывают по стандартному весу, и продают их определенными объемами - уже для удобства потребителя. Для каждого продукта определяется и постоянно корректируется насыпной вес влажного продукта, основанный на отношении веса к объему (кг/м3).

Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость - весовая, объемная и рабочая.

Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.

Регенерация ионообменной смолы

В то же время, рабочая ионообменная емкость не может быть измерена в лабораторных условиях, так как зависит от геометрических размеров слоя смолы и от конкретных характеристик обрабатываемых растворов (уровня регенерации, скорости потоков, концентрации растворенных веществ, требуемых показателей качества обрабатываемого раствора, точного размера частиц).

Изготовители ионообменных смол с помощью дополнительных исследований определяют данные, на основании которых можно рекомендовать оптимальные технологии сорбции-десорбции.

Таблица. Подбор аналогов различным ионообменным смолам.

Для снижения концентрации солей тяжелых металлов и предотвращения появления накипи на посуде и бытовой технике применяют умягчители воды, из которых самыми распространенными умягчителями являются . В статье мы разберем принципы их работы, разновидности и предназначение в очистительной системе.

Из этой статьи вы узнаете:

Для чего нужны ионообменные смолы для воды

Можно ли пить воду после применения ионообменной смолы для очистки воды

Как заменить ионообменную смолу для очистки воды в умягчителе

Как выглядят ионообменные смолы для очистки воды

Применение ионообменных смол в фильтрующих системах частного жилого сектора давно считается необходимым условием для получения качественной питьевой воды. Пик популярности этого способа очистки приходится на конец ХХ века.

С виду, ионообменная смола – это скопление мелких шариков (до 1 мм в диаметре), которые производят из полимерных материалов.

Тот, кто никогда не сталкивался с этим материалом, с легкостью может перепутать смолу с рыбьей икрой. Пользу и его уникальные характеристики нельзя игнорировать. Использование ионообменных смол для умягчения воды позволяет задерживать ионы примесей металлов и солей жесткости. Но такой фильтр не просто накапливает в себе все эти вещества, а заменяет ионы вредных веществ на абсолютно безопасные. Эта процедура замены ионов и закрепила существующее название фильтрующей среды (ионообменные смолы).

В химии ионообменные смолы относят к ионитам (высокомолекулярное соединение, имеющее функциональные группы, которые, в свою очередь, способны вступать в реакцию обмена с ионами какой-либо жидкости). Отдельные группы ионитов способны также вступать в окислительные реакции, процессы восстановления и физической сорбции.

По своей структуре ионообменные смолы бывают пористыми, гелевыми или промежуточными.

Смолы с гелевой структурой не содержат пор. Обмен ионами в такой структуре возможен лишь в тот момент, когда смола набухает и становится похожей (по консистенции) на гель.

Пористая структура получила свое название благодаря огромному количеству пор на поверхности смолы. Эти поры как раз и позволяют произвести ионный обмен.

В промежуточной структуре ионообменных смол соединены свойства как пористой, так и гелевой структуры.

Все эти разновидности смол имеют принципиальные различия. У гелевых – наибольшая обменная емкость, тогда как смолы с пористой структурой обладают высокой стойкостью к химическим и термическим воздействиям. Такая стойкость позволяет смолам с пористой структурой поглощать больше примесей независимо от температуры воды.

Кроме этого, ионообменные смолы для очистки воды разделяют по заряду ионов. При обмене катионов (положительно заряженных ионов) смолу называют катионитом. В случае обмена анионами (отрицательно заряженными ионами) – анионитами. На практике суть различия по этому признаку сводится к способности обмена ионов в водной среде с разным уровнем pH. У анионитов «рабочей» считается среда с рН от 1 до 6, в то время как у катионитов процессы протекают в среде с рН от 7 и более. Конечно же, пользователям необязательно разбираться в таких тонкостях работы фильтров. В выборе необходимого типа фильтрующего устройства вам должны помогать специалисты в этой области.

В большинстве случаев ионообменная смола, находящаяся в фильтрующих системах, содержит большое количество ионов солей хлора или натрия. В некоторых случаях такая смола состоит из смеси солей с другими элементами (натрий-водород, гидроксил-хлорид и др.).

В зависимости от параметров, ионообменные смолы для умягчения воды могут отличаться друг от друга. Одним из таких показателей является влажность. Оптимально, когда влажность сведена к минимуму. Поэтому производители стараются извлечь влагу из смолы еще до момента ее упаковки. Для этого используют специальные центрифуги.

Ионообменные смолы оценивают также по уровню их емкости. Эта характеристика показывает, сколько ионов в исходной среде приходится на единицу массы (объема смолы). Сравнивая смолы по этому признаку, выделяют три вида емкости: рабочую, объемную и весовую. Объемная, как и весовая, являются стандартными величинами, то есть их параметры определяют в лаборатории, а полученные данные записывают в характеристики готовых продуктов.

В отличие от двух предыдущих, рабочая емкость не подлежит измерениям, поскольку имеет много условностей (степень чистоты воды, толщина слоя смолы, сила потока воды и др.). Со временем ионы рабочей среды полностью заменяются ионами примесей, содержащихся в воде. В таком случае рабочая емкость подлежит восстановлению.

Для чего нужны ионообменные смолы

По поводу основной цели использования ионообменных смол для воды существует много мифов. Согласитесь, применять эти смолы в составе бытовых фильтров лишь для улучшения вкуса жидкости – достаточно затратное решение. Сомнения вызывает и необходимость в изменении ионного состава воды, так как некоторые вредные примеси в ней все равно остаются.

Тем не менее целей, которые достигаются путем использования ионообменных смол для воды, немало. И, пожалуй, главной из них является смягчение воды. Эта способность ионообменных смол позволяет рекомендовать их для применения с приборами бытовой техники и других домашних устройств, имеющих непосредственный контакт с водой.

Кроме прямой пользы для здоровья (использование воды для питья или приготовления пищи), смягченная жидкость позволяет продлить срок использования бытовой техники, имеющей непосредственный контакт с водой. Это стиральные и посудомоечные машины, водонагреватели, утюги, отопительные котлы, водоочистительные фильтры, увлажнители, очистители воздуха и другие приборы. Особенно важно использование смягченной воды с приборами, которые нагревают саму жидкость. Жесткая вода – самая главная причина появления накипи и последующего выхода прибора из строя.

Можно ли пить воду после ионообменной смолы

Важно понимать, что основное назначение ионообменных смол – это смягчение воды. В процессе фильтрации происходит замена ионов кальция и магния, способных создавать нерастворимые соединения, на ионы хлора, натрия и другие элементы, которые создают легкорастворимые соединения.

На протяжении всей своей истории человечество вполне успешно училось приспосабливаться к новым природным источникам воды. Различия химического состава жидкости и большое количество этих источников покрывались отличной адаптацией организма человека ко всем внешним факторам.

Организм сам выводил все «лишнее». Несмотря на большое количество информации о накоплении нерастворимых солей магния и калия в нашем организме и причиняемом ими вреде, каких-либо реальных доказательств этих данных не существует. Это подтверждается еще и тем фактом, что для людей с нарушенными обменными процессами в организме полностью очищенная вода критически опасна. Все необходимые нам элементы относительно здоровый организм способен был извлечь из потребляемой нами воды и пищи.

Но это правило было актуально до всеобщей индустриализации общества, до появления так называемой техногенной среды. Даже природные источники воды в большинстве своем имеют повышенное содержание ионов тяжелых металлов, различные нежелательные органические примеси и даже изотопы радиоактивных элементов. Было бы здорово иметь такой фильтр, который смог бы заменять подобные примеси на ионы естественного происхождения. Но, к сожалению, ионообменные фильтры на такое неспособны.

В большинстве случаев изготовители ионообменных фильтров за счет рекламных слоганов предлагают заменить одни ненужные нам микроэлементы на другие.

Определить, насколько действительно важно менять ионный состав воды с помощью ионообменных фильтров, не так уж и просто. Посмотрите на ситуацию с посудомоечными и стиральными машинами. Для длительной эксплуатации этих приборов очень важна степень жесткости воды. Чем она меньше, тем меньше и вероятность появления накипи на тэне, и, соответственно, выхода прибора из строя. Но производители этих бытовых приборов давно уже нашли простой выход – применение химического способа смягчения воды путем добавления умягчителей в состав моющих средств.

Можно вспомнить о чайниках и кастрюлях, в которых кипятится вода, благополучно нами потребляемая. Но степень воздействия «жесткой» воды на наш организм досконально не изучена, чтобы говорить о каких-либо выгодах применения фильтров с ионообменными смолами.

Но давайте обсудим, на что же способны фильтры, содержащие ионообменные смолы для очистки воды. Не будем останавливаться на химических процессах, происходящих в этой жидкости, после прохождения через такой фильтр. То, что реально беспокоит потребителей, – это присутствие в воде ионов тяжелых металлов. Большинство трубопроводов в настоящее время состоит не из пластиковых труб (о которых лет 30–40 назад у нас мало кто слышал), а из металлических. Раньше при поломке одного из участков такой трубы или целой секции производили замену трубы на стальную оцинкованную.

Эти трубы до сих пор являются основным «поставщиком» ионов цинка и свинца в наш дом. Если проанализировать степень очистки воды бытовыми ионообменными фильтрами от ионов этих металлов, то окажется, что эта степень близка к нулю. По-настоящему действенные элементы, задерживающие эти вредоносные ионы, существуют, но они устанавливаются на крупных промышленных предприятиях, цель которых уловить дорогостоящие химические соединения. Из-за большой дороговизны подобного оборудования вероятность его применения в бытовых фильтрах очень низка.

Замена ионообменной смолы в умягчителе воды

Не стоит забывать, что любая система очистки воды со временем для обеспечения безотказной работы нуждается в активном вмешательстве человека. Мы говорим не о систематических сменах малоэффективных картриджей или постоянной подсыпке регенерационной соли. Такие меры нельзя назвать трудозатратными, но и их эффективность не так высока. Речь идет о процедуре полной смены фильтрующей массы в обезжелезивателе или смягчителе воды. Такой процесс может потребовать много усилий.

Использование различных засыпных фильтров для собственного коттеджа предполагает процедуру периодической дозасыпки фильтрующего элемента и полной его замены по истечении нескольких лет эксплуатации. О необходимости такой замены вы узнаете по ухудшению органолептических показателей поступаемой воды.

Это выражается в увеличении количества двухвалентного железа, когда регенеративные способности засыпки исчерпываются (нет должного эффекта). Похожая ситуация наблюдается и со смягчителями воды. Через определенный период система очистки начинает давать сбои, и вода снова становится жесткой, со всеми вытекающими последствиями.

В этом случае пользователи стоят перед выбором: сделать все самостоятельно или вызвать компанию, которая на этом специализируется.

Конечно, просто засыпать подложку из гравия и фильтрующую загрузку не так уж и сложно, но выгрузить отработанный наполнитель – занятие не из простых.

Многие популярные засыпные фильтры, используемые владельцами загородных коттеджей, основаны на использовании емкостей из стеклопластика. И это неудивительно, поскольку этот материал не гниет, не ржавеет, он легок и прочен. Но в то же время в таких емкостях не предусмотрены ни система слива, ни какие-либо транспортировочные отверстия для ее переноски. Отключив эту емкость от трубопровода и сняв управляющий клапан, нужно будет приложить невероятные усилия по переносу отяжеленного фильтра из дома во двор.

Если эта задача вам удалась, то можно приступать к выгрузке:

Изъятый фильтр боком укладывают на ровную, возвышенную поверхность.

К горловине водоподъемной трубки хомутом присоединяют крепкий шланг, через который под определенным напором подается вода.

Вместе с взрыхленной засыпкой вода вытекает из емкости фильтра.

После того как емкость будет освобождена, из смягчителя или фильтра достается водоподъемная трубка.

Затем проводят повторную промывку емкости и заносят ее обратно в дом.

Но если вы не хотите тратить свое время и силы, то на российском рынке присутствует немало компаний, которые занимаются разработкой и обслуживанием систем водоочистки. Самостоятельно, без помощи профессионала, выбрать тот или иной вид фильтра воды довольно сложно. И уж тем более не стоит пытаться смонтировать систему водоочистки самостоятельно, даже если вы прочитали несколько статей в Интернете и вам кажется, что вы во всем разобрались.

Надежнее обратиться в компанию по установке фильтров, которая предоставляет полный спектр услуг – консультацию специалиста, анализ воды из скважины или колодца, подбор подходящего оборудования, доставку и подключение системы. Кроме того, важно, чтобы компания предоставляла и сервисное обслуживание фильтров.

Наша компания Biokit предлагает широкий выбор систем обратного осмоса, фильтры для воды и другое оборудование, способное вернуть воде из-под крана ее естественные характеристики.

Специалисты нашей компании готовы помочь вам:

подключить систему фильтрации самостоятельно;

разобраться с процессом выбора фильтров для воды;

подобрать сменные материалы;

устранить неполадки или решить проблемы с привлечением специалистов-монтажников;

найти ответы на интересующие вопросы в телефонном режиме.

Доверьте очистку воды системам от Biokit – пусть ваша семья будет здоровой!

Так как качество питьевой воды с каждым десятилетием становится все хуже, ученые еще в 60-х годах прошлого века изобрели ионообменную смолу или аниониты. Это вещество представляет собой полимеры, имеющие очень маленький размер. Они производятся в виде шариков, с диаметром до 1 мм. На внешний вид этот материал напоминает белужью икру.

По своей природе это вещество является нерастворимым, оно способно легко вступать в обменные реакции с ионами других растворов. Также некоторые виды ионообменных смол могут провоцировать процесс окисления и сорбции.

Основным документом, который регламентирует качество этих веществ, является ГОСТ 20301-74 «Смолы ионообменные. Аниониты. Технические условия».

Принцип работы вещества

Принцип основного действия фильтров с ионообменной смолой направлен на очистку и смягчение жесткой воды, то есть, воды, где увеличено количество тяжелых металлов. Шарики специальных полимеров этой смолы изначально имеют в своем составе «свободные» ионы. Эти частицы имеют способность улавливать ионы других веществ.

Во время взаимодействия ионообменной смолы с другой жидкостью, ее частицы начинают набухать. Шарики могут увеличиваться в размере до 4 мм.

В производстве очистка воды играет одну из самых важных ролей. Поэтому раньше использовались большие фильтры с ионообменными смолами для воды. Вода должна проходить в несколько этапов, так как фильтр состоит из нескольких слоев: основного, истощающего и свежего. На каждом их слоев фильтра вода отдает ионы тяжелых металлов и вредных веществ. Для постоянной очистки и эффективности фильтров их рекомендуется менять не реже 1 раза за 4-6 месяцев.

Основные свойства ионообменной смолы

Когда происходит очистка ионообменной смолой, то вода теряет:

• . вредные химические элементы и их соединения,
• . частицы калия и магния, веществ, которые способны образовывать накипь,
• . тяжелые металлы и т.д.

Ионообменная смола умягчения воды способна значительно снизить ее жесткость. Поэтому применение такого фильтра в бытовых условиях поможет:

• . убрать накипь на сантехнике и нагревательных элементов в чайнике, котле или газовой колонке,
• . уменьшить ломкость волос, сухость кожи, шелушение,
• . снять или уменьшить раздражение кожи головы, убрать перхоть,
• . снятие накипи с электрических тэнов поможет снизить потребление электроэнергии,
• . уменьшить применение моющих средств до трех раз,
• . убрать сизый налет со смесителей и кранов в быту.

Применение ионообменных смол в быту вполне безопасное, так как эти вещества не имеют токсичности. Они не способны к самовозгоранию или взрыву. Картриджи с этими смолами устанавливают перед нагревательными приборами, например, перед водонагревательным котлом, бойлером или проточным водонагревателем.

Чтобы отфильтрованная вода поступала на весь дом, установку фильтра проводят вместе с угольными фильтрами. В этом случае используют трехступенчатую степень очистки.

Производство ионообменных смол

Ионообменная смола для умягчения воды получается в результате двух химических реакций. Она поддается влиянию полимераналогичных превращений и процессу полимеризации.

Чтобы получить это вещество методом полимеризации используют специальные мономеры, которые имеют в своем составе ионогенные группы. А для полимераналогичных превращений эти частицы непосредственно вводят в инертные полимеры. Производители ионообменных смол также изготавливают этот материал с помощью процесса поликонденсации. Но такая ионообменная смола имеет более низкие качественные характеристики.

Для производства картриджей с ионообменными смолами используют полимеризацию трех веществ:

• . стирола,
• . производные акриловой кислоты,
• . винилпиридин.

Применение

Как уже стало ясно, ионообменная смола - вещество, которое способно значительно повысить качественные характеристики воды. Очищенная вода стает полностью безопасной для здоровья человека, она не оставляет накипи на приборах, что позволяет экономить на электроэнергии и покупке новой бытовой техники.

Характеристики ионообменной смолы позволяют ее применять как в быту, так и в больших производственных компаниях. Их используют в:

• . пищевой промышленности,
• . фармакологии,
• . медицинской отрасли,
• . химической промышленности,
• . тяжелой промышленности,
• . быту.

Фильтры с таким очистительными материалами используют:

• . в котельных,
• . во время производства бутилированных вод, слабоалкогольных напитков, пиво-водочных изделий,
• . на сахарных заводах,
• . на атомных электростанциях.

Особенности упаковки и хранения

Согласно ГОСТу 20301-74 ионообменные смолы должны упаковываться в полиэтиленовые мешки, предварительно пройдя упаковку в пакеты из винилискожи. Допустимая масса одного запечатанного мешка может составлять 50 кг. Также эти вещества допустимо фасовать в пропиленовые бидоны или контейнеры.

Стоит отметить, что во время транспортировки или хранения, не допускается соседство катионитов ионообменной смолы с анионитами, а также любыми окислителями или растворителями. Хранить эту продукции можно только в сухих и хорошо проветриваемых помещениях, где температура воздуха не будет ниже +2°С. Складировать мешки с ионообменными смолами можно на расстоянии 1 метр от отопительных приборов. Срок хранения составляет 12 месяцев со дня производства.

Цена на ионообменную смолу в России достаточно отличается, но средняя стоимость такого очистителя составляет 120-150 рублей за литр.

Каждый производитель устанавливает свою цену. Например, одними из самых востребованных торговых марок считаются:

• . Рurolite,
• . Lewatit.

Цена 25 кг мешка ионообменной смолы Рurolite составляет 6500 рублей, 25 кг ионообменной смолы Lewatit будет стоить чуть дешевле - 4640 рублей.

Ионообменные смолы (иониты) - это твердые зернистые материалы, практически нерастворимые в воде и обычных растворителях, содержащие активные (ионогенные) группы кислотного или основного характера с подвижными ионами.

Ионообменные смолы в основном применяют:

для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;

для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;

при очистке возвратных и сточных вод;

для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;

для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;

в качестве катализатора для органического синтеза.

Ионообменные смолы используются в котельных, теплоэлектростанциях, атомных станциях, пищевой промышленности (при производстве сахара, алкогольных, слабоалкогольных и других напитков, пива, бутилированной воды), фармацевтической промышленности и других отраслях, а также для хозяйственно-питьевого водоснабжения (в системах водоочистки загородных домов, коттеджей, дач для удаления солей жесткости, или умягчения воды).

Смола для фильтра может задерживать ионы различных примесей (начиная от металлов и заканчивая солями жесткости), меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ.

Обмен ионами позволяет изменять ионный состав обрабатываемой жидкости, не изменяя суммарного числа зарядов, находившихся в этой жидкости до процесса обмена.

Существует ряд параметров, по которым различают ионообменные смолы (ИОС), а именно:

1. По заряду иона

I. Катиониты - иониты с положительно заряженными ионами (Na+, Н+ и др.).

По степени ионизации (способность к ионному обмену) катиониты делят на сильно- и слабокислотные.

Сильнокислотные катиониты в качестве функциональной (ионогенной) группы содержат сульфогруппы SO3H или фосфорнокислые РО(ОН) 2 группы, слабокислотные - карбоксильныеCOOH и фенольные C6H5OH группы.

Cильнокислотные катиониты способны обмениваться ионами (диссоциировать) при любом значении рН (0-14). Слабокислотные катиониты диссоциируют при pH>7.

II. Аниониты - иониты с отрицательно заряженными ионами (ОН-, Сl- и др.).

Аниониты делят на сильноосновные и слабоосновные.

Сильноосновные аниониты в качестве функциональной группы содержат четвертичные аммониевые основания R3NOH, слабоосновные - первичные NH2 и вторичные NH аминогруппы.

Сильноосновные аниониты диссоциируют при любом значении рН (0-14), слабоосновные - при pH<7.

2. По структуре матрицы

I. Гелевая структура

ИОС с гелевой структурой лишены истинных пор и способны обмениваться ионами только в набухшем (гелеобразном) состоянии. Для достижения данного состояния смолу помещают на некоторое время в воду. Размер пор в таком типе смол составляет 1 нм.

II. Пористая (макропористая) структура

Данная структура называется так потому, что на поверхности ионита (ионообменной смолы) находится большое количество пор, которые способствуют ионообменному процессу. Размер пор в смоле с макропористой структурой составляет 100 нм.

III. Промежуточная структура

Среднее по свойствам между гелевой и пористой структурами.

Отличительной особенностью ионообменных смол с различной структурой является то, что иониты с гелевой структурой обладают большей обменной емкостью, чем смолы с макропористой структурой. В свою очередь ионообменные смолы с пористой структурой превосходят гелевые по осмотической стабильности, химической и термической стойкости, т.е. они могут задерживать большее количество примесей практически при любой температуре воды.

3. По типу матрицы

Промышленные ионообменные материалы (ионообменные смолы), которые применяют для очистки воды, относятся к типу полимерных синтетических смол, отличающихся размерами и структурой их молекул.

Приблизительно 90% товарных синтетических ионообменных смол получено на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола.

Таким образом, различают ионообменные смолы с полистирольной или с полиакриловой матрицей.

Получение полистирольной матрицы ионитов. Мономер стирол при нагреве полимеризуется в твердый полистирол. Этот продукт растворим в органических растворителях, а после введения в него гидрофильной функциональной группы, растворим в воде. Чтобы предотвратить такого рода растворимость и для усиления межмолекулярных связей в стирол вводят второй мономер для поперечной сшивки (структурирования). Наиболее часто используется мономер дивинилбензол (ДВБ). При увеличении доли дивинилбензола в смеси мономеров пропорционально нарастает количество сшивок, что приводит к меньшей подвижности полимерных цепочек за счет усиления межмолекулярных связей. В результате полимер приобретает большую устойчивость к воздействию окислителей, т.е. к деструктуризации, и вместе с тем снижается его способность к активизации, т.е. к процессу прививки функциональных групп, а в процессе работы уменьшается способность к сорбции-десорбции ионов. Поэтому при производстве ионообменных смол используется оптимальное количество дивинилбензола - 7-12% по весу. Сферическая форма частиц, характерная для большинства ионообменных смол - результат проведения процесса в условиях суспензионной полимеризации. Этот метод основан на том, что стирол практически нерастворим в воде, а смесь мономеров (стирол, дивинилбензол и инициатор) при перемешивании распадаются на мелкие мономерные капельки и образуют взвесь в воде - так называемую суспензию. В воду добавляют суспендирующие агенты, которые способствуют образованию капелек мономерной фазы и одновременно стабилизируют эти капельки в процессе полимеризации. В результате, после окончания реакции полимеризации весь полимер представляет собой твердые сферические частицы. Размер этих частиц зависит от геометрии реактора, природы стабилизатора и скорости перемешивания. После проведения реакции твердые полимерные шарики отмывают от суспендирующих агентов и сушат. Необработанный продукт из полимеризатора содержит некоторое количество нежелательных крупных и очень мелких частиц. Поэтому после сушки необработанные полимерные частицы проходят стадию разделения на необходимые фракции по размерам и после активации получаются зерна ионообменных смол необходимых размеров.

Получение акриловой матрицы ионитов. Несмотря на различие в химизме процессов, основные принципы производства смол с акриловой матрицей идентичны производству полистирольных смол. Полиакриловая матрица ионообменных смол может быть по-лучена полимеризацией акрилата, метакрилата или акрилнитрила. Образование межмолекулярных связей (структурирование) производится также с помощью дивинилбензола.

4. По размеру частиц

Форма и размер частиц ионита должны обеспечить эффективный контакт с обрабатываемой водой при отсутствии избыточного перепада давления.

Различают полидисперсные (рис.1) гранулы (размер частиц колеблется в диапазоне 0,3-1,2 мм) и м онодисперсные (рис.2) гранулы (размер частиц, как правило, составляет 0,5-0,6 мм ± 0,05 мм).

Кроме параметров, показывающих многообразие форм ИОС, существуют числовые показатели, которые играют не менее важную роль в характеристике ионообменных смол, такие как:

Массовая доля влаги. Подвижный и фиксированный ионы в твердой фазе смолы всегда окружены молекулами воды. Вода обеспечивает движение ионов внутри смолы: чем больше воды находится между полимерными цепочками, тем больше подвижность ионов и, следовательно, выше скорость реакции ионного обмена. С другой стороны, объем, занятый водой, уменьшает объем, занятый активными центрами и ионообменными группами в полимерной матрице. Таким образом, оптимальное содержание влаги является компромиссом между этими взаимоисключающими факторами, что учитывается и варьируется в определенных пределах при производстве смол. Значение массовой доли влаги для большинства смол, используемых в процессах водоподготовки, составляет 40-60%.

Ионообменная емкость. В общих словах, под емкостью ионообменной смолы понимается количество ионов, которое может быть поглощено определенным объемом смолы.Различают полную и рабочую обменные емкости. Полная ионообменная емкость - это то количество ионов (катионы, анионы), которое может задержать ионит (смола), находящийся в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата (в случае умягчения) сравнивается с жесткостью исходной воды. Полная статическая обменная емкость может быть определена как массовая в г-экв/кг сухого ионита или объемная в г-экв/м3 влажного уплотненного ионита. Данная величина является стандартной, ее определяют в лабораториях и указывают в характеристике готового продукта.

Рабочая ионообменная емкость - это то количество ионов, которое задерживает ионит до момента «проскока» в фильтрат ионов солей жесткости. Данная величина не является стандартной, и ее невозможно определить в лабораторных условиях, т.к. рабочая ионообменная емкость зависит от многих «рабочих» факторов: размеров слоя смолы, уровня загрязненности очищаемой воды, скорости потока, температуры фильтрования и т.д. Значения этих факторов приводятся в технических бюллетенях производителей ионообменных смол и в проектной документации. По исчерпании рабочей обменной способности ионита ее подвергают регенерации (восстановлению) путем пропуска поваренной соли NaCl для катионитов, либо каустической содой NaOH для анионитов.

Оптимальные условия, обеспечивающие максимальную величину рабочей обменной емкости ионообменной смолы, в каждом конкретном случае определяют при проведении наладочных работ.

Механическая прочность (истираемость) и осмотическая стабильность.

В процессе ионного обмена зерна ионита подвергаются разнообразным физико-механическим воздействиям: физического давления и трения при фильтровании, взрыхляющей промывке, гидро- и пневмовыгрузке, а также осмотического давления при ионном обмене, регенерации и отмывке. Механическая прочность показывает способность ионита противостоять данным механическим воздействиям.

Осмотическая стабильность. Наибольшее разрушение частиц ионитов происходит при изменении характеристик среды, в которой они находятся. Поскольку все иониты представляют собой структурированные гели, их объем зависит от солесодержания, рН среды и ионной формы ионита. При изменении этих характеристик объем зерна изменяется. Вследствие осмотического эффекта объем зерна в концентрированных растворах меньше, чем в разбавленных. Однако это изменение происходит не одновременно, а по мере выравнивания концентраций «нового» раствора по объему зерна. Поэтому внешний слой сжимается или расширяется быстрее, чем ядро частицы; возникают большие внутренние напряжения, и происходит откалывание верхнего слоя или раскалывание всего зерна. Это явление называется «осмотический шок» . Каждый ионит способен выдерживать определенное число циклов таких изменений характеристик среды. Это называется его осмотической прочностью или стабильностью . Наибольшее изменение объема происходит у слабокислотных катионитов. Наличие в структуре зерен ионита макропор увеличивает его рабочую поверхность, ускоряет перенабухание и дает возможность «дышать» отдельным слоям.

Поэтому наиболее осмотически стабильны сильнокислотные катиониты макропористой структуры, а наименее - слабокислотные катиониты.

Химическая стойкость. Химическая устойчивость ионообменных смол определяется степенью межмолекулярных связей матрицы, достаточной для обеспечения их нерастворимости. Присутствие в обрабатываемой воде окислителей (хлора, азотной кислоты и др.) и ионов металлов железа и алюминия, а также рН воды могут спровоцировать разрушение межмолекулярных связей ионита, а, следовательно, и возникновение растворимой фазы, что приводит к загрязнению фильтрата (воды) продуктами разложения ионита и уменьшению способности ионита обмениваться ионами. Постоянное наличие в воде вышеперечисленных факторов ограничивает срок службы ионообменной смолы, который при нормальных условиях может достигать 10 и более лет без ухудшения их химических свойств.

Термическая устойчивость ионитов обуславливает их противодействие процессам деструкции (разрушение матрицы ионита) и деградации (отщепление функциональных групп от каркаса ионита).

Для каждого типа ионообменной смолы установлен температурный предел их длительного использования. Катиониты наиболее термически устойчивы, чем аниониты. Так рабочая температура для катионитов достигает 150 0С, для анионитов - не выше 60 0С, максимум 80 0С, особенно низкая термическая стойкость у акриловых анионообменных смол - не более 35 0С.

Первым признаком температурной деградации смолы служит увеличение длительности отмывки, а затем и уменьшение рабочей обменной емкости, связанной с потерей функциональных групп.

Таким образом, можно выделить основные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе той или иной ионообменной смолы:

Ионная форма поставки

Функциональная группа

Тип матрицы

Тип структуры

Ионообменная емкость

Размер частиц

Теоретические знания характеристик используемых ионообменных смол очень важны при их эксплуатации.

В настоящее время на рынке ИОС представлено большое число производителей ионитов. Основными марками являются такие смолы, как Lewatit (Германия), Purolite (Англия), Dowex (США), Tulsion (Индия), Granion (Китай), а также некоторые смолы российского и украинского производства.

Специалисты ООО «ГК Химические Системы» окажут Вам профессиональную консультацию и помогут сделать правильный выбор!