Ионообменная смола катионит для чего применяется

Ионообменные смолы

Виды ионообменных смол

В технологии умягчения воды наибольшее применение находят синтетические полимерные ионообменные смолы, содержащие в своей структуре кислотные группы – SO₃Na. Эти иониты относятся к сильнокислотным катионитам.

По структурному строению синтетические иониты разделяют на:

Гетеропористые катиониты на основе дивинилбензола (ДВБ) имеют гелевую структуру гетерогенного вида с порами небольшого размера.

Макропористые иониты имеют губчатую структуру с размерами пор больше размера молекул.

Изопористые ионообменные смолы характеризуются однородной структурой и имеют наивысшую обменную способность по сравнению с другими видами смол.

При подборе катионитов с учетом размера зерен наблюдается следующая закономерность: мелкопористый катионит с большей рабочей поверхностью обладает и большей обменной способностью, по сравнению с крупнопористым. Однако дальнейшее уменьшение зерен вызывает рост гидравлического сопротивления и увеличение энергетических затрат на фильтрование воды.

Оптимальные параметры. Рекомендуемые размеры зерен ионита с учетом всех приведенных факторов: 0,3- 1,5 мм. Рекомендуемый коэффициент неоднородности катионита Кн=2.

Характеристики некоторых ионообменных смол

На рынке присутствуют ионообменные смолы как отечественного, так и зарубежного производства. Название и маркировка отечественной ионообменной смолы отражает требования ГОСТа и дает представление о химическом составе ионита. Общепринятой системы обозначения для марок катионитов и анионитов не существует.

Названия зарубежных ионообменных смол чаще всего являются зарегистрированной торговой маркой и не дают представления о свойствах материала.

На современном рынке водоподготовки представлены около 15 производителей ионообменных смол, поставляющих около 100 марок катионита и 90 марок анионита.

Катионит КУ-2-8чС

Среди отечественных катионитов в водоподготовке широко используется КУ-2-8чС (сульфокатионит сильнокислотный). Цифра 2 обозначает порядковый номер марки, 8— процентное содержание сшивающего агента (ДВБ). Катионит с маркировкой чС разрешен к применению для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

КУ–2–8чС по структуре и свойствам близок к зарубежным сульфокатионитам особой степени чистоты: амберлайту IRN-77 (США), зеролиту 325 NG (Англия), дауэксу HCR-S-Н (США), дуолайту ARC-351 (Франция), вофатиту RH (Германия) [4].

По внешнему виду смола КУ–2–8 представляет собой сферические гранулы желто-коричневого цвета размером 0,4–1,25 мм.

Катионит Пьюролайт

Также широко применяются ионообменные смолы Purolite (Пьюролайт), относящиеся к сильнокислотным катионитам. Марки Пьюролайт C100, С100Е, С120Е могут служить аналогами отечественных смол КУ-2–8, КУ–2–8чС.

Отдельная разработка этой марки — смола Пьюролайт С100Е Аg, представляющая собой катионит для умягчения воды с бактерицидными свойствами, обусловленными содержанием серебра. Отечественным аналогом катионита с бактерицидным действием может служить макропористый катионит КУ-23С.

Для бытового и промышленного умягчения воды подходит Пьюрофайн С100ЕF. Этот вид ионообменной смолы отличается повышенной рабочей ёмкостью при обычных, повышенных и меняющихся скоростях водного потока. Еще одно отличительное свойство катионита Пьюрофайн С100ЕF — уменьшенная потребность в объеме и количестве регенерационного раствора NaCl.

Катионит Леватит

Катионит марки Lewatit (Леватит) Ionac С-249 (натриевая катионообменная смола) может применяться для умягчения воды в бытовом, промышленном и общественном использовании, а также для умягчения растворов органических продуктов (сахара, пектина, глицерина и т.д.).

Анионит АВ-17-8чС

Среди анионитов отечественного производства широко распространена марка АВ-17-8чС. Цифры в маркировке обозначают: 17-я разработка, 8% сшивающего агента (ДВБ); буквы чС – особую чистоту ионита. Особо чистые ионообменные смолы разрешены для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Анионит АВ-17-8чС используется в фильтрах ФСД на атомных станциях, приборостроительных и микробиологических предприятиях. Для извлечения металлов и обогащения руд применяются аниониты марок АМ-2Б, АMп и АМП.

Источник

Среди методов и способов очистки воды применение ионообменных смол является одним из самых эффективных способов подготовки, очистки и умягчения воды.

Ионообменные смолы, сокращенное название иониты — нерастворимые высокомолекулярные соединения из синтетических полимеров сферической формы, диаметром до 1,5 мм, с отрицательно или положительно заряженными центрами, способные к ионному обмену в водных растворах.

По структуре полимерного каркаса гелевые иониты проявляют ионообменные свойства только при набухании в воде как бы раскрывая свои свойства. Также иониты бывают гелевые (непористые), макропористые и промежуточные.

Ионообменные смолы применяют в качестве загрузки в водоподготовительных фильтрах для очистки воды от ионов примесей в процессах водоподготовки на промышленных и энергетических объектах, пищевой промышленности.

По заряду ионов ионообменные смолы подразделяются на катиониты (катионообменные смолы) и аниониты (анионообменные смолы).

В нашей статье мы поговорим о катионитах.

Катиониты — это иониты, способные замещать в водном растворе положительно заряженные ионы.

Внешний вид катионита.

Твердые прочные сферические зерна диаметром 0,3-1,3 мм, имеют ровную поверхность, от белого и светло-желтого до темно-коричневого цвета различных цветовых оттенков. Катиониты российского производства чаще всего имеют полупрозрачную структуру светло-желтого или желтого цвета. Гранулы полупрозрачные в воздухе, а вводе становятся темными.

Физико-химические свойства катионитов:

Катиониты состоят из функциональных химических групп и могут иметь их сразу несколько.

Катиониты, имеющие функциональные группы одного типа, называются многофункциональными, если 2 и более групп — полифункциональными.

Область применения катионитов:

Катиониты в ионной натрий-форме умягчают воду и часто применяются в хозяйственно-бытовых целях, катиониты в водородной форме используют для обессоливания воды и применяются в производственных целях.

Процесс очистки питьевой и технической воды от примесей с использованием катионитов, называется катионированием.

Технологии с применением катионообменной смолы не требуют вложения больших средств и приобретения специального оборудования. На предприятиях применяют стандартное оборудование, которое легко обслуживать. Ионообменные установки недорогие в эксплуатации и имеют большой срок службы. Метод ионного обмена для очистки воды давно изучен и освоен специалистами предприятий.

Катиониты выпускают по ГОСТам или Техническим условиям. Они взрывобезопасные, невоспламеняющиеся продукты, не токсичны по воздействию на организм человека.

На рынке представлено много производителей катионитов, как отечественных, так и зарубежных.

Наиболее востребованные марки катионитов:

Его аналоги можно встретить под маркой Purolite (Великобритания), Lewatit (Германия), Amberlite (США), Dowex (Италия), Resinex (Швеция).

ООО «ТЭХ-Групп» поставляет ионообменные смолы (катиониты и аниониты) компании «Purolite» (Великобритания) представителем которой является.

Источник

Для удаления из воды солей жесткости, растворенных металлов и органических соединений уже более 50 лет используют иониты:

Иониты — это вещества (материалы), способные при определенных условиях заменять определенные ионы в растворах на другие. В бытовой водоочистке используются иониты:

требующие регенерации поваренной солью NaCl, соляной кислотой HCl или гидроксидом натрия NaOH — в зависимости от типа материала.

Процесс удаления растворенных солей и металлов на ионообменных смолах называется умягчением (ионным обменом, катионированием, применяют также вводящие в заблуждения определения: «комплексная очистка», «универсальная очистка»)

Изначально в бытовых условиях этот метод применялся в основном для удаления солей жесткости (соли кальция, магния) путем натрий-катионирования. Однако, сейчас есть большой выбор ионообменных смол и для удаления железа, марганца, а также органики с помощью МИКСОВ (смесей) катионитов и анионитов.

Пример марок таких смол: АПТ-2, Ecomix, Ecotar, Ferosoft, Promix, Ionofer и прочие.

Также надо понимать, что выбор ионообменных смол сейчас огромный. Есть селективные смолы (которые удаляют в первую очередь конкретные элементы: нитраты, бор, кремний и т.д.) — они очень дорогие и в бытовых условиях применяются редко. В основном используются катиониты, антониты и миксы для удаления широкого спектра загрязнений.

Ионообменные смолы — это очень обширная тема. Мы говорим здесь исключительно о бытовой водоочистке и я буду сообщать только то, что следует знать о смолах в ключе нашей задачи — очистить воду в частом доме, либо на малом производстве от растворенных солей и металлов.

Что представляет из себя ионообменная смола?

Ионообменные смолы к смоле в прямом смысле слова отношения не имеют. Они изготавливаются из твердых нерастворимых в воде синтетических полимеров. Гранулы смолы — шарики правильной формы размером от 0,2 до 1,2 мм диаметром. Гелевой или макропористой структуры.

Шарики смолы похожи на мелкую икру щуки или на «тобико» — икру летучей рыбы. Монтажники водоочистки, даже называют смолу «икрой» на профессиональном сленге.

Смолы бывают монодисперсные — где все «икринки» одинакового размера — это позволяет обрабатывать воду быстро с малым сопротивлением и высокой степенью «очистки». А бывают смолы полидисперсные с различным размером гранул, например, ионообменные «миксы» для удаления широкого спектра загрязнений имеют в своем составе частицы разного размера.

Суть процесса умягчения

суть процесса принципиально отличается от обезжелезивания.

Смолы не окисляют и не переводят растворенные вещества в твердую форму для последующего фильтрования, а, наоборот — забирают из раствора ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т.д. и замещают их на катионы натрия, который не придает воде такого свойства оставлять следы и накипь, как жесткость.

Есть ионообменные смолы для глубокой деминерализации воды. Они регенерируются не солью, а кислотой, щелочью в зависимости от типа и выделяют при ионном обмене ионы H+ и OH- в зависимости от типа смолы, тем самым смещают pH воды в ту или иную сторону. Также есть смолы для глубокой очистки воды, которые работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую.

В данной статье мы будем говорить только о натриевых смолах, которые работают за счет регенерации солью NaCl, так как они наиболее применимы в бытовых условиях. Остальные смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют в основном на производствах.

В процессе работы Na-катионита (на стадии насыщения) — ионообменной смолой поглощаются из воды положительно заряженные ионы кальция, магния, железа, марганца и выделяется в воду натрий. Общая солевая насыщенность воды (TDS) при этом остается неизменной или даже возрастает. Это зависит от типа растворенных веществ, которые забирает смола и их концентраций, конечно.

Исходя из вышесказанного возникает важный параметр ионообменных смол — ионообменная емкость смолы.

Ионообменая емкость

Емкость смолы для простоты объяснения сути процесс — подобна емкости электрической батарейки.

Есть запас натрия на стенках пор частиц смолы, который в процессе ионного обмена постепенно покидает смолу, замещаясь кальцием, железом и т.д., тем самым снижается способность смолы забирать из воды растворенные вещества.

Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и очистка, вода проходит через толщу смолы не изменяя своих свойств.

Чтобы очистка воды от солей не прекращалась рассчитывают так называемый фильтроцикл смолы, исходя из общей ионообменной емкости загрузки умягчителя поделенной на сумму количества загрязнений воды по формуле:

Железо*1,37+Марганец*2+Жесткость = Общее количество загрязнений мг экв/л

Емкость смолы обозначается разных странах различными единицами:

В Росси жесткость обозначается в градусах = граммам экв. на литр смолы. Вот такими емкостями обладают некоторые смолы :

приведены ориентировочные данные, есть нюансы, читайте инструкции производителей смол!

На практике емкость смолы рассчитывают с уменьшенным значением исходя из соображения, что смола работает в не идеальных условиях + учитывается погрешность в анализе воды. Для катионитов принимаем значение емкости 1.5 гр/л, для миксов 1 и 0,6 — примерно так.

По факту точное значение емкости смолы определяется только наблюдением за работой умягчителя. Когда ионный обмен прекращается — смотрим сколько воды прошло очистку и выставляем значение на автоматике с небольшим запасом.

Кроме того, емкость ионообменной смолы может постепенно снижаться из-за засорения смолы окисленным железом и взвешенными веществами.

В таком случае помогает промывка смолы кислотой или специальным средством очистки ионообменных смол:
БОС, Ферронет, ProRustOut

Загадочное понятие эквивалента

Когда мы говорим о емкости ионита в численном выражении, мы используем единицы миллиграмм эквивалент на литр смолы (мг.экв/л). Что же такое эквивалент?

Эквивалент вещества — это реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в кислотно-основных (ионообменных) химических реакциях или электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Определение выше взято из Википедии. Более подробное объяснение понятия эквивалент здесь (ВИДЕО).

Простыми словами эквивалент не прямо указывает на массу вещества, а сообщает об его относительной молярной массе его ионов равной массе ионов с противоположным знаком, которые требуются для того, чтобы образовать молекулярную связь и привести ионы в равновесие. Сложно, да?

Но есть хорошая новость — разбираться в этом совершенно нет никакой необходимости. Выбросьте это из головы. Для успешного подбора, расчета, монтажа и эксплуатации умягчителя вникать в понятие эквивалента не нужно.

Я больше не буду возвращаться к этой теме, мы будем игнорировать «экв.» и говорить о жесткости «мг/л» для простоты, хотя это и не совсем верно. Для наших целей понятие эквивалента не актуально.

Фильтроцикл — последовательность стадий насыщения и регенерации

Мы заранее рассчитываем работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенрацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки.

Этот цикл называется в водоочистке фильтроциклом.

Проще говоря — фильтоцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями.

Желательно, чтобы работы бытового умягчителя без промывки хватало примерно на 1 неделю или примерно равно необходимому недельному расходу воды. Это мое сугубо личное профессиональное представление о бытовом расходе воды, у Вас могут быть другие требования. Например, раз в 3 дня или раз в 3 недели — дело Ваше. Смысл в том, чтобы умягчителем было удобно пользоваться. Раз в неделю ночью происходит промывка умягчителя автоматически. Нужно только следить за уровне соли в солевом баке. И вода всегда будет мягкая.

Если речь идет об очистке воды на производстве — там фильтроцикл может быть и 12 часов, главное рассчитать все так, чтобы фильтр не требовал промывки во время активной фазы водоразбора.

Производительность умягчителя

Благодаря сферической форме и одинаковому размеру гранул у ионообменной смолы очень хорошие дренажные свойства. Через умягчитель можно пропустить довольно большой объем воды в час без существенной потери давления на выходе.

Однако! Ионный обмен не происходит моментально. Реакция ионного обмена занимает некоторое время, поэтому важным параметром работы умягчителя является СКОРОСТЬ движения воды внутри колонны.

Скорость помноженная на площадь сечения (поле фильтрации) баллона дает нам представление об объеме очищаемой воды в час, иначе говоря — о ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.

Итак, у нас есть два новых параметра — скорость и производительность!

Скорость фильтрации

И наоборот, чем медленнее движется вода через толщу смолы — тем дольше контакт ионообменного материала с водой и, соответственно, более полноценно происходит реакция обмена, на выходе вода будет чище.

Чем грязнее вода — тем медленнее надо прогонять воду через смолу для хорошей очистки.

Глядя на смолу мы видим гладкие шарики, но на самом деле они пористые и стенки этих пор тоже представляют собой рабочую поверхность, на которой закреплен натрий, готовый к обмену с кальцием и другими катионами. Тем не менее, поверхность крупиц тоже работает и чем мельче фракция смолы — тем больше ее рабочая поверхность и, соответственно, скорость обмена больше. Но при этом чем смола мельче, тем хуже ее дренажные свойства.

Баланс между площадью рабочей поверхности и дренажными свойствами, видимо, был найден производителями в размере частиц 0,3-0,5 мм, но некоторые смолы выпускаются и более мелкой фракции.

Как бы там ни было — каждый ионообменный материал имеет максимально допустимую скорость фильтрации. Нужно смотреть мануал от производителя на фильтрующий материал, чтобы получить эту информацию из первоисточника.

Например, скорость фильтрации для Lewatit S 1567 рекомендуется производителем не более 60 метров в час, правда, не уточняется при каких именно условиях. Но для большинства ионообменных смол скорость фильтрации принимается за 15-20 метров в час. Особенно это касается смол для удаления из воды железа и марганца.

Условия эксплуатации ионообменных смол

Иониты прекрасно удаляют растворенные вещества, однако, они легко загрязняются взвесями — особенно трехвалентным железом. Поэтому в воде, которая проходит очистку ионообменной смолой не должно быть взвешенных веществ, а если вода железиста, то не должно быть и кислорода, ведь железо окисляется и образует частицы гидроокиси, которая губительно влияет на смолу. Присутствие сероводорода не желательно и может негативно сказываться на работе некоторых ионообменных загрузок. Об этом говорится в инструкциях производителей, которые следует лично читать прежде, чем выбрать тот или иной продукт для своей системы водоочистки. Воду, которой предстоит очистка в умягчителе желательно предварительно осветлять с помощью магистральных фильтров с полипропиленовыми картриджами, либо на специальных загрузках с помощью обезжелезивателя.

Вода входит в колонну по трубе от 16 до 32 мм диаметром, расширяется на весь диаметр колонны и продолжает движение вниз через толщу смолу с заметно меньшей скоростью, чем она шла по трубе. Затем у дна колонны вода проникает в центральную трубку, поднимается по ней и, проходя через клапан управления, по трубам поступает к потребителю. Потребитель открывает краны в доме — иногда 1 кран, а иногда и несколько.

Типичная картина: вечер, вся семья в сборе, вода хлещет из всех кранов: стирает машинка, моется посуда на кухне, на втором этаже наполняют ванну, сливаются унитазы… одновременно.

Чтобы в доме не ощущалось перепадов давления при открытии нескольких кранов сразу нужна хорошая производительность системы.

Мы считаем максимальное количество потенциально открытых кранов — это и будет необходимая производительность умягчителя.

Как рассчитывать фильтроцикл и производительность?

Дома разные и в них живут разные люди. Кто-то приезжает на выходные вдвоем, другой живет постоянно с большой семьей.

Кто-то любит принимать ванну утром и вечером, а другой работает тренером в спортзале и ему хватает душа на работе. Ему вода нужна только, чтобы посуду мыть.

У третьего автомойка или фермерское хозяйство и ему воды надо в день по 10 кубов! Как бы там ни было — вопрос расчета не представляет больших трудностей.

Для расчета фильтроцикла будущего спасителя умягчителя будем действовать по шагам:

Этап 1. Необходимый фильтроцикл

Подумайте, каков желаемый фильтроцикл? Для бытовых нужд — одна-две недели — оптимально. Чаще, чем раз в неделю не нужно, а реже 1 раза в 2-3 недели не очень хорошо, все-таки смола накапливает в себе всякие загрязнения механического характера и их надо смывать прежде, чем в смоле заведутся бактерии.

Предстоящий объем потребления воды просто прикиньте, посмотрите на счетчик. Поставьте счетчик в конце-концов и замерьте объем воды. Учитывайте сезонность и тот объем воды, который используется без предварительной очистки — вода в саду, например.

Допустим, в среднем Ваша семья потребляет 13 м3 воды в месяц. В нашем примере мы принимаем желаемый фильтроцикл 1 промывка через каждые 10 дней. Значит: нам нужна промывка через каждые 4,5 куба.

Этап 2. Максимальная (пиковая) производительность

Прикиньте соотношение максимального количества потенциально открытых кранов в доме, когда вся семья дома.

Вам поможет эта таблица производительности:

Допустим, у нас в доме 2 санузла:

1) СУ 1: Унитаз и раковина

2) СУ 2: Душ, унитаз, раковина

+ кухня и стиральная машинка

А в доме живет всего 3 человека. Мама, папа и взрослая дочь. Итак, одновременно может быть открыто по 1 крану в каждом СУ, на кухне моется посуда + стирает машинка. И судя по таблице максимальная производительность будет: 12+5+7+4 = 28 литров в минуту. Умножим на 60 мин — получаем 1,7 куба в час. Это именно максимальная производительность и она будет достигаться в очень редких случаях. Наиболее вероятно, что обычно скорость разбора воды не будет превышать 1,5 куба в час. Поэтому, глядя на картинку более реалистично берем в расчет 1,5 куба воды в час

Этап 3. Расчет количества удаляемых веществ

Это очень просто! Если требуется только умягчение, то мы просто берем жесткость воды из анализа, смотрим сколько там мг/л солей жесткости. Если помимо солей жесткости требуется удаление железа/марганца — то мы считаем сумму загрязнений по формуле:

Железо*1,37 + Марганец*2 + Жесткость = Общее количество загрязнений мг экв/л

таким пересчетом мы приводим все загрязнения к общему знаменателю так сказать… к эквиваленту жесткости.

Для удобства расчета я придумал КАЛЬКУЛЯТОР УМЯГЧИТЕЛЯ — пользуйтесь, но смотрите только не ломайте :))

Калькулятор показывает какую надо взять колонну, сколько смолы и главное — какую смолу сыпать!

Вам останется только прислать мне свой заказ на ватсап. Я вышлю Вам оборудование транспортной компанией за пару дней в любой город России.

Сам калькулятор доступен по ссылке в виде гугл-таблицы — пользуйтесь. (ЛИСТ — «расходы воды»)

Допустим, в нашей воде 0,7 мг растворенного двухвалентного железа, 0,18 мг марганца и 6,4 мг/л солей жесткости. В таком случае расчет следующий: 0,7*1,37+0,18*2+6,4 = 7,74 общее количество удаляемых веществ

Этап 4. Подбор размера колонны и количества смолы

Для умягчителей используются колонны (корпуса фильтров) для водоподготовки стандартных типоразмеров. Они примерно одинаковы для всех производителей, делаются по неким мировым стандартам и взаимозаменяемы. Однако, могут быть небольшие отличия в размерах на пару сантиметров по высоте.

Колонну желательно брать неокрашенную, чтобы видеть на просвет, что там внутри происходит во время промывки. А чтобы свет не проникал внутрь колонны и там не развивались водоросли (как это происходит в аквариуме) следует надевать на колонну термоизоляционный чехол.

Как происходит фильтрация?
Как происходит регенерация?
Скорости умягчения

Умягчение. Как это работает?

На этом ВИДЕО очень классно показано общее устройство умягчителя. Четко,профессионально точно, коротко и ясно:

Метод посчета расхода соли:

2. Обменная емкость смолы = 1.2г*экв/литр смолы
Расход соли на регенерацию одного литра смолы возьмем = 120г/литр смолы
Жесткость = 32мг*экв/литр
Тогда на умягчение 1 литра воды будет затраченно следующее количество соли:
(120г/лсмолы)*(32мг*экв/л)/(1200мг*экв/л.смолы)=3,2г/л

Источник