Co to jest wymiana jonowa, co to są jonity i technologie wymiany jonowej?

Wymiana jonowa pozwala zmniejszyć zasolenie wody do poziomu wymaganego w danym procesie technologicznym lub przemysłowym. Techniki jonitowe na ogół są używane do obniżania twardości wody, czyli zamieniania jonów wapnia. Na czym polega technologia i gdzie znajduje zastosowanie?

Mówiąc o zasoleniu wody – nie zawsze mamy na myśli to, że taka (zasolona) woda musi być słona w smaku! Solami nazywamy bardzo dużą grupę substancji, które po rozpuszczeniu w wodzie, rozpadają się na poszczególne jony: kationy i aniony. Na przykład: sól kuchenna, NaCl, dobrze nam wszystkim znany chlorek sodu, rozpuszcza się w wodzie w postaci kationów sodu (Na+) oraz anionów chlorkowych (Cl-).

Różne sole, mają różną rozpuszczalność w wodzie i mogą występować w niej w różnych stężeniach. Dlatego też, jeśli odparujemy całkowicie wodę z garnka – pozostanie w nim nalot, albo pojedyncze krople wody zostawiają ślady na okularach, bądź ściankach prysznicowych. To właśnie są sole, które pierwotnie były w wodzie rozpuszczone. Głównymi kationami w zwykłej (naturalnej) wodzie są: jony wapnia, magnezu, sodu, potasu, żelaza lub manganu. Najczęściej występującymi anionami są z kolei: węglany, siarczany, chlorki i azotany. Ponadto w wodzie obecne są śladowe ilości wielu innych związków, na ogół w stężeniach niemających negatywnego wpływu na ludzkie zdrowie.

Wymiana jonowa

Wymiana jonowa jest procesem, pozwalającym zmniejszyć zasolenie wody do wymaganego w danym procesie poziomu. W praktyce najczęściej stosuje się ją do uzdatniania wód używanych w przemyśle energetycznym oraz wód chłodniczych. Techniki jonitowe na ogół są używane do zmiękczania wody (obniżania twardości), czyli zamieniania jonów wapnia (Ca2+) i magnezu (Mg2+) na – “nieszkodliwe” z punktu widzenia zastosowań przemysłowych – jony sodu (Na+). Wymiana ta odbywa się na specjalnym nośniku, który jest substancją o dużej powierzchni czynnej i jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie. Historycznie rzecz biorąc, kiedyś do celów wymiany jonowej używano zeolity i krystaliczne glinokrzemiany.

Aktualnie stosuje się przede wszystkim różne rodzaje żywic lub inne polimery, charakteryzujące się dużą pojemnością jonowymienną i odpowiednio długą żywotnością. Materiały te nazywa się: jonitami lub wymieniaczami jonowymi. Ze względu na charakter procesów zachodzących na ich powierzchni dzielimy je na: anionity (reagują jak zasady) lub kationity, które mają charakter kwasowy. W praktyce: kationity wymieniają (wiążą) kationy, a anionity – aniony. Nośniki jonowymienne przenoszą na swojej powierzchni ładunki aktywne (dodatnie lub ujemne), na których wychwytywane są wybrane jony z wody na podstawie powinowactwa ładunków.

Zasada działania i zastosowania wymiany jonowej

Sama wymiana jonowa działa na zasadzie transportu dyfuzyjnego. Proces ten polega na: transporcie jonów z roztworu w pobliże ziaren jonitu, reakcji wzajemnej wymiany jonów na powierzchni żywicy z udziałem odpowiednich grup funkcyjnych oraz transporcie wymienionych jonów do roztworu.

Przykładowo: zmiękczacze jonitowe wody działają na zasadzie wymiany kationów wapnia i magnezu na kationy sodu. Innym zastosowaniem może być usuwanie azotanów z wody, czyli wymiana anionów NO3-, na aniony chlorkowe Cl–. Dla prawidłowego funkcjonowania złóż jonowymiennych konieczna jest ich regularna regeneracja roztworem odpowiednich soli regenerujących. Polega ona na przywróceniu zużytemu złożu jego pierwotnej zdolności wymiennej poprzez przepuszczanie przez złoże czynnika regenerującego w ilości większej niż teoretyczne zapotrzebowanie na ten czynnik. Oprócz zmiękczania wody i usuwania z niej azotanów, proces wymiany jonowej znalazł jeszcze szereg innych zastosowań.

Zasada działania wymiany jonowej.

Dalsze wykorzystanie technologii wymiany jonowej

• Odsalanie wody
• Dejonizacja wody
• Usuwanie pestycydów i metali ciężkich
• Usuwanie azotu amonowego i fosforanów
• Przygotowanie wody zdemineralizowanej i ultraczystej
• Pozbywanie się zanieczyszczeń organicznych, a nawet radionuklidów

Dlaczego stosujemy wymianę jonową?

W każdej wodzie znajdziemy różne zanieczyszczenia i domieszki. Mogą one występować w formie nierozpuszczonej i rozpuszczonej. Nierozpuszczone cząstki można wyeliminować z wody (roztworu) poprzez zastosowanie filtracji. Natomiast substancje rozpuszczone, w większości przypadków występują właśnie w formie jonów, które trudno jest usunąć za pomocą prostych procesów technologicznych.

Na ogół mamy do wyboru: dozowanie chemii w celu wytrącania i usuwania zanieczyszczeń lub zastosowanie wymiany jonowej, która jest dobrą alternatywą do usuwania z wody przeszkadzających jonów. Jak już wspomniano wyżej – odpowiednio dobrane złoża jonitowe poradzą sobie zarówno z przyczynami powstawania i osadzania się kamienia kotłowego (CaCO3) na powierzchniach urządzeń, instalacji i rur jak również z szeregiem innych problematycznych zanieczyszczeń.

Jak dobierać urządzenia do oczyszczania wody za pomocą wymiany jonowej?

W wodzie w sposób naturalny występują różne minerały i inne substancje rozpuszczone w postaci różnorodnych jonów. Nierzadko ze względów zdrowotnych, czy walorów smakowych wody, pożądane jest aby znajdowały się one w wodzie w odpowiednich ilościach. Jednakże ich pozytywny wymiar, w kontekście wody do spożycia, często stoi w opozycji pod katem zastosowana takiej wody w różnych gałęziach przemysłu.

Zawartość jonów (rozpuszczonych soli) w wodzie różni się także w zależności od jej pochodzenia. Woda deszczowa ma ich najmniej. W miarę przemieszczania się wody w środowisku, coraz więcej substancji rozpuszcza się w niej (aż w końcu dociera do morza, gdzie te substancje się gromadzą). Większość soli zwykle dostaje się do wody poprzez przejście przez podziemne złoża mineralne i działalność człowieka. Oprócz tych naturalnie zawartych jonów do wody dostają się również jony różnych preparatów dozowanych do wodny (głównie chloru) lub np. żelaza z rurociągu. Dodatkowo woda gruntowa jest naturalnie twarda, przez co nie nadaje się do wielu urządzeń (kotły, pralki, czajniki, zmywarki, ekspresy do kawy), a od pewnych wartości nie nadaje się do długotrwałego spożycia.

Dlatego też dobór odpowiednich urządzeń i złóż jonitów nie jest sprawą prostą i wymaga fachowej wiedzy oraz dużego doświadczenia. Po pierwsze należy dobrze orientować się w przeznaczeniu wody pod kątem jej zastosowania, ponieważ ta wiedza determinuje bezpośrednio w sposób bardzo precyzyjny jakie wymagania jakościowe musi spełniać uzdatniana woda – czyli mówiąc krótko jakie substancje i w jakim stopniu muszą być z niej usunięte.

Dobór metody, a skład wody

To jednak to jest dopiero początek działań. Należy dobrze oszacować skład chemiczny wody przed uzdatnieniem, łącznie ze zmiennością jej temperatury. Znając te parametry należy dobrać rodzaj jonitu. Do tego potrzeba orientować się jakim obciążeniom hydraulicznym będzie to złoże poddane, jaka będzie prędkość filtracji oraz jak dobrać parametry jego płukania i regeneracji. Niejednokrotnie do osiągnięcia zadanych celów konieczne może się okazać, że należy zastosować więcej rodzajów żywic jonowymiennych, a cały proces technologiczny będzie musiał być dobrany w postaci osobnych reaktorów połączonych szeregowo i oddzielnie płukanych jak również regenerowanych z różną częstotliwością.

Podsumowanie:

Wymiana jonowa jest jedną z podstawowych technik uzdatniania wody, często niezbędną do osiągnięcia założonych celów jakości wody i jako taka często stanowi kluczowy element całego procesu. Wymiana jonowa znalazła zastosowanie w naprawdę wielu gałęziach przemysłu. Również coraz częściej i chętniej jest stosowana w urządzeniach pracujących w naszych domach, ułatwiając i uprzyjemniając nasze codzienne obowiązki. Odpowiednie zastosowanie procesów wymiany jonowej wymaga dużej wiedzy i doświadczenia. Dobór najkorzystniejszego rozwiązania, najlepiej skonsultować z fachowcem. Zapraszamy do kontaktu.