Ионообменная смола: обзор картриджей и засыпок с катионитами

В проточных фильтрах и станциях умягчения воды в качестве основного фильтрующего материала используют ионообменную смолу. Есть несколько ее разновидностей, но чаще всего речь идет про катиониты. Т.е. те смолы, которые обменивают катионы тяжелых металлов из исходной воды на ионы натрия или калия.

Если интерес представляют лишь конкретные картриджи и засыпки <– перейдите по ссылкам.

Состав

За ионный обмен отвечают ионогенные комплексы. В случае с катионитами это кислотные группы. Основой для них служат сферические гранулы из полимеров стирола и акриловой кислоты. Внешне такой материал выглядит как мелкозернистая рыбная икра белого, желтого, янтарного, коричневого или черного цвета.

Ионообменная смола (внешний вид)
Неоднородность цвета в большинстве случаев обусловлена разной влажностью

Характеристики

Важные свойства катионитов, которые учитывают при их выборе
Label 1Label 2
Физическая формаСферические гранулы белого, желтого, черного или другого цвета.
Ионная формаОбычно Na+, но бывает и K+. Показывает то, какими катионами смола будет обмениваться перед первой регенерацией.
Общая обменная емкостьОпределяет максимальный объем воды, который способен умягчить литр смолы. Выражается в эквивалент/литр. Чем выше, тем лучше. Обычно равна 1,9-2 экв/л.
Диапазон pHДопустимое значение pH для нормальной работы материала. Самые популярные катиониты работают во всем диапазоне при pH(0-14).
Максимальная температура водыОбычно равна 120-150°C. Учитывая то, что в быту обычно умягчают холодную воду, этим свойством можно пренебречь.
ВлагосодержаниеСмола всегда должна находиться в увлажненном состоянии. Содержание влаги может составлять от 43 до 50%. Если упаковка вскрыта, то этот параметр будет низким – такой материал непригоден, т.к. его обменная емкость будет ниже паспортной.
Насыпная массаЭтот параметр помогает понять, сколько материала поместится в картридж или фильтрующую колонну.
Средний размер гранулЧем однороднее состав, тем более предсказуемым будет результат. Лучше всего материал с разбежкой 0,2-0,3 мм, например, со средним размером гранул 0,6-0,8 мм.
Содержание мелких гранул (меньше 0,3 мм)Чем меньше, тем лучше – ниже вероятность, что их вымоет в канализацию или в очищенную воду. Нормальным считается значение до 1%.
Содержание крупных гранул (больше 1,2 мм)Чем больше, тем хуже – меньше совокупная поверхность гранул, вступающая в реакцию ионного обмена. Нормальным считается значение до 5%.
Условия применения в станциях водоочистки
Label 1Label 2
Скорость потока в рабочем режимеОпределяет скорость движения воды через фильтрующий материал. Указывается в виде диапазона. В среднем это 10-25 м/c, но бывают и более широкие разбежки для максимальной и минимальной скорости.
Высота слоя материалаМинимальная высота слоя, обеспечивающая качественную водоподготовку при указанных скоростях потока. Определяет то, насколько много засыпки требуется для наполнения колонны. Обычно высота составляет минимум 0,6 м.
РасширениеВ рабочем режиме загрузка находится в состоянии кипящего слоя, т.е. исходный материал парит в потоках воды, что отражается показателем расширения в %. Обычно это 25-50% в зависимости от скорости потока. Исходя из этого рассчитывают размер колонны и количество засыпки.
РегенерантСоль для приготовления регенерирующего раствора. Чаще всего используют таблетированную поваренную соль (NaCl).
Доза регенерантаКоличество соли для восстановления 1 л фильтрующего материала. Чем меньше, тем лучше. Нормальным считается расход в пределах 100-300 г/л.
Скорость потока регенерантаСкорость, с которой происходит промывка смолы раствором соли. Чем выше, тем быстрее процессы. Варьируется в пределах от 1 до 12 м/ч.

Принцип работы

Принцип работы ионообменной смолы (катионита)
Как работает ионный обмен в случае с катионитами и жесткой водой

Вода содержит некоторое количество ионов жесткости, т.е. кальция и магния. При пропускании через смолу они замещают катионы натрия, которые и поступают в умягченную воду. Меньше солей жесткости – больше солей натрия. Всем хорошо!

Реакция обратима, на чем и основана технология регенерации (восстановления) такого фильтрующего материала.

Регенерация

Нужно взять поваренную соль без каких-либо добавок и приготовить 30% раствор. Например, в 1 литр добавить стакан соли. Тут точность особо не важна. Соль должна полностью раствориться, поэтому можно использовать теплую воду, которую потом остудить до комнатной температуры.

А вот сколько выдерживать в такой воде, тут мнения разделяются.

Инструкция Гейзер регенерация смолы
Из инструкции Гейзер
Инструкция Аквафор для регенерации картриджа
Из инструкции Аквафор Трио
Инструкция по регенерации картриджа Аквафор
Из инструкции Аквафор Кристалл

Я рекомендую оставить это дело восстанавливаться с вечера до утра – вся емкость смолы должна вернуться.

Регенерация для самых жадных

Если картридж со смолой используется долго и пережил несколько регенераций солевым раствором. Если вы чувствуете, что как-то он не очень работает, и уже через неделю опять появляется накипь в чайнике. То все это говорит о том, что он хочет на покой. Но мы его так просто не отпустим.

Гипотетически гранулы могут покрыться налетом, препятствующим нормальному протеканию восстановительных процессов. Соответственно его нужно чем-то растворить. Будем использовать слабую кислоту.

В 1,5 литрах теплой воды растворите 50 г лимонной кислоты. Оставьте на время, чтобы температура опустилась до комнатной. Этим раствором необходимо залить смолу на 2-3 часа и оставить в покое. Потом промыть чистой водой и попробовать восстановить солевым раствором, как обычно.

Срок службы

Средний срок службы в зависимости от интенсивности использования фильтрующего материала составляет 3-5 лет. Это объясняется механическим истиранием гранул, постепенным вымыванием мелких частиц ионообменной смолы. При неправильной эксплуатации она может испортиться и на первом году, в идеальных условиях – прослужит до 10 лет.

Вред

Можно ли пить воду после ее очистки ионообменными смолами? Если говорить про обычные бытовые случаи умягчения жесткой воды, то можно, ведь именно для этого эти смолы и производят. Другое дело, что количество натрия в питьевой воде регламентируется тем же СанПиН 2.1.4.1074-01. По этим нормам натрий в воде относится ко 2-му классу опасности, т.е. это высокоопасное вещество.

Выдержка из СанПиН

Какие-то соли натрия есть в исходной воде, а если учесть и те, которые будут поступать из смолы в процессе умягчения воды, то можно предположить следующее:

Если умягчать очень жесткую воду (жесткость от 7 мг*экв/л и выше) таким способом, то натрия там будет реально много. Сколько именно? А давайте посчитаем!

Для упрощения предположим, что жесткость обусловлена только присутствием солей кальция. Обычно их больше, чем соединений магния, так что все нормально.

1 мг-экв/л = 20,04 мг/л Ca2+

У нас жесткость 7 и выше, принимаем равной 7.

Получается, что в этом случае в 1 л. воды будет содержаться около 140 мг солей кальция.

Считаем, сколько это моль: 0,14/40=0,0035 моль

Учитывая валентность, на обмен поступит в 2 раза большее количество натрия или 0,007 моль.

Считаем массу ионов натрия: 0,007*23=0,161 г или 161 мг.

Т.е. при верхнем пороге жесткости по действующему СанПиН количество натрия лишь приблизится к максимально допустимому его содержанию. Здоровые люди могут быть спокойны.

В то же время переизбыток солей натрия способен вызывать отеки вследствие задержки жидкости, вызывает повышение давления, провоцирует заболевания почек, печени, желудка, поджелудочной.

Неспроста есть такое понятие как гиперумягчение воды, с которым борются установкой байпаса, когда часть жидкости идет в обход ионообменного материала и только потом смешивается с умягченной.

Картриджи с ионообменной смолой

Они есть в ассортименте почти каждого производителя бытовых фильтров. Самые популярные приведены в таблице ниже.

Картриджи умягчения для бытовых фильтров
Наименование / ХарактеристикаСтандартРесурс, лСкорость умягчения, л/мин
Гейзер БС10Sl
20Sl
10BB
20BB
500
1000
1500
2000
3
5
5
10
Аквафор В510-0410Sl6000*2,5
Аквафор КНдля Кристалл6000*2
Барьер Эксперт Смягчениедля Эксперт5002
Барьер Профи Смягчение10Sl
10BB
20BB
500
1500
2100
2
10
10
Aquafilter FCCST10Sl
10BB
20BB
200
4000
8000
3
12
18

* Это значения, указанные производителем. На практике ресурс много меньше, 300-500 литров, как и у других картриджей стандарта Slim Line 10″.

Отдельно про ресурс

В идеальных условиях смола будет служить ровно до тех пор, пока количество поврежденных вследствие трения друг о друга гранул не превысит некоторого критического значения. Почему они трутся? Потому что через них проходит поток воды, который  перемешивает материал. Об этом я говорил в части про срок службы.

А как происходит на самом деле? Часто производители указывают ресурс ионообменной смолы в литрах, понимая под этим, что материал будут своевременно восстанавливать раствором поваренной соли. Например, для картриджа Гейзер БС 500 литров – максимальный объем умягченной воды, если по мере необходимости пользователь будет его регенерировать. По факту о необходимости в этой процедуре забывают, частицы смолы засаливаются до такой степени, что их и не восстановить.

Подсказка. При использовании умягчителя с картриджем SL10″ в питьевых целях достаточно регенерировать каждые 2 недели. Тогда он прослужит долго.

Засыпки со смолами для станций водоочистки

Физические свойства умягчающих засыпок для станций водоочистки
Dowex HCR-S/SPuresin PC002Amberlite IRA 120 NaLewatit S 1567Purolite C100E
Физическая формаГранулы янтарного цвета.Светло-желтые гранулы.Гранулы янтарного цвета.Темно-коричневые гранулыСветло-желтые гранулы.
Ионная формаNa+Na+Na+Na+Na+
Общая обменная емкость, экв/л1,91,9221,9
Диапазон pH10-140-140-140-146-10
Максимальная температура воды, °C120150135120120
Влагосодержание,%44-4845-5045-5044-5046-50
Насыпная масса, г/л840770-870770-860840800-840
Средний размер гранул, мм0,6-0,80,315-1,250,6-0,80,55-0,650,3-1,2
Содержание мелких гранул, %112не указ.1
Содержание крупных гранул, %25не указ. коэф. одн. 1,9не указ. коэф. одн. 1,1не указ. коэф. одн. 1,7
Условия применения различных ионообменных смол
Dowex HCR-S/SPuresin PC002Amberlite IRA 120 NaLewatit S 1567Purolite C100E
Скорость потока в рабочем режиме, м/ч5-5010-255-405-608-40
Min высота слоя материала, м0,80,60,70,80,6
Расширение, %15-6025-50не указ.20-24050-75
РегенерантNaClNaClNaClNaClNaCl
Доза регенеранта, г/л60-250112-30080-25070-12060-320
Скорость потока регенеранта, м/ч1-104-122-852-7

* Коэффициент однородности. Чем меньше, тем более однородный гранулометрический состав, тем лучше.

Каждый из этих материалов может быть использован для умягчения воды. Останется только найти наиболее подходящий вариант по цене и учесть характеристики смол для наполнения баллона.

Резюмируя все вышесказанное: катиониты эффективно умягчают воду и делают это долго, если своевременно промывать их раствором поваренной соли.

Возникли вопросы? Задавайте их здесь и я попробую ответить на них.

13 замечаний и предложений на “Ионообменная смола: обзор картриджей и засыпок с катионитами

  1. какая из опубликованных ионообменных смол можно применить для разделения белков,на аминокислоты?

  2. Подскажите как перешли к тому, что в воде может содержатся следующий элемент:
    Ниобий (Nb) – химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,90. Блестящий серебристо-серый металл, относящийся к классу тугоплавких.

    • Хех, это вопрос к тем, кто составлял норматив. Ну и там, наверное, речь не о металлической, а об ионной форме. А для солей указанные вами характеристики не подходят.

  3. Добрый день! Можно ли опираясь на официальный протокол проверки питьевой воды подобрать картриджи для фильтра?

    • Здравствуйте. Да, это всегда лучше, чем подбор, основанный на личной оценке качества.

        • Загрузите куда-нибудь на сторонний сервис типа prnt.sc и скиньте сюда ссылку. А я уже прикручу к вашему комментарию. Пока только так.

          • В нашем небольшом городке два водозабора: один речной, другой артезианский. Специалисты утверждают, что артезианский водозабор работает для жилых домов, а речной – для промышленных предприятий. Вместо хлора используется двуокись хлора и тут и там. Так, что на работе я пью речную воду, а дома артезианскую. По ощущениям вода хорошая, но фильтры народ все-таки устанавливает, приезжие из других городов говорят, что наша вода излишне минерализована. В чайниках домашних – накипь белая, на работе – желтая. На работе у меня гейзеровский кувшин с фильтром для жёсткой воды, дома Гейзер-3 (механика-смола-уголь). Посмотрите протоколы, может быть что-то я делаю не так.

            Из речки:
            Анализ воды

            Из скважины:
            Анализ воды из скважины

          • По воде из речки: вода с железом и марганцем и не очень чистая в целом, судя по перманганатной окисляемости. Но в целом все в пределах ПДК. Надолго хватает картриджа кувшина?

            Вода из скважины хорошая. И фильтр подобран правильно. Можно и вовсе без него, если не смущает накипь.

            Значит не обманывают, раз желтая накипь на работе (железо+марганец+осажденные карбонаты), а дома белая (цвет осажденных карбонатов кальция и магния).

          • Фильтр кувшинный Гейзер меняем примерно 1 раз в 25 дней.
            Кувшином пользуются 5 человек, только для чая, кофе.

  4. катионит ку-2-8 гост 6-07-493-95 Na-формула .Можно его применять в фильтрах для питьевой воды?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.