Фильтры для очистки воды

По структуре полимерного каркаса ионообменные смолы делятся на две группы: гелевые (непористые) и макропористые.

Гелевые иониты проявляют ионообменные свойства только в набухшем состоянии, в этих условиях их объем увеличивается в 1,5–3 раза. При набухании гелевого ионита его гранула как бы раскрывает скрытые в сухом ионите поры. Структура гелевого ионита в двухмерном и внемасштабном изображении показана на рис. 2, а, б. Удельная площадь поверхности пор у гелевых ионитов – не более 5 м² в 1 г ионита, а размер ячеек (условно – пор) – 0,5–2,0 нм.

В последние годы больше производят макропористые иониты, мало набухающие, но, вследствие изначально развитой поверхности пор, очень активные в сорбционных и обменных реакциях. Удельная площадь поверхности пор макропористых ионитов – 20–130 м²/г ионита. Средний диаметр пор – 20–100 нм. Их структура представлена на рис. 2.16, в.

Ионообмен в макропористых ионитах проходит быстрее, чем в гелевых. Путь в порах, который должен пройти ион до встречи с активной группой матрицы, примерно одинаков: в макропористых ионах – до 100 мкм, в гелевых – до 500 мкм.

Поры гелевых ионитов имеют естественное происхождение, а макропористых – образованы введенными при синтезе ионитов спиртами, гептаном и жирными кислотами, которые впоследствии удаляются.

Рис. 2. Схема структуры сеток у различных видов полимерных ионитов (реальный масштаб не учитывается): а – обычный неоднородносетчатый («гетеропористый») ионит; б – однородносетчатый («изопористый») ионит; в – явнопористый («макропористый») ионит

Кроме обменной емкости, каждый ионит характеризуется многими параметрами, отвечающими за физические свойства, его химическую и термическую стабильность. Существует оптимальное соотношение среднего размера гранул и толщины слоя для различного применения. Уменьшение размера зерна-гранулы ионита (в пределе – до порошкообразного состояния, размер частиц – 0,04–0,07 мм) приводит к увеличению гидравлического сопротивления до неприемлемых значений. Например, намывные фильтры формируются из порошкообразного ионита; толщина слоя должна быть ограничена 3–10 мм. Оптимальные размеры зерен катионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3–1,5 мм.

Картриджи на основе ионообменной смолы

В настоящее время на рынке представлены ионообменные смолы российских и иностранных производителей, которые применяются в картриджах для умягчения воды. Конструктивно картриджи изготовлены таким образом, что провести регенерацию ионообменной смолы невозможно. Если используется ионообменная смола на основе гельсополимерстирола или дивинилбензола, то емкость по солям жесткости для 10-дюймового картриджа составляет 1000 мг-экв, а для 20-дюймового – около 2000 мг-экв. Некоторые современные картриджи имеют емкость по солям жесткости 10 000 мг-экв. Однако даже их хватит на очистку только 5000–7000 л воды. Поэтому советуем ставить ионообменные или полифосфатные картриджи только на линию для подготовки горячей воды в индивидуальных системах водоснабжения.

Картриджи для обезжелезивания

Подземная вода, в которой содержится железо, прозрачна и чиста на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,5 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду неприемлемой как для технического применения, так и для питья. Железо не позволяет нормально заварить чай или кофе, делать соки, компоты, квас, а при больших концентрациях – негативно влияет на здоровье. Высокие концентрации железа в воде вызывают аллергические реакции, могут привести к заболеваниям крови. Если железа больше 1 мг/л – желтеет кожа, волосы блекнут и теряют естественный цвет, седые и светлые пряди становятся рыже-коричневыми. При концентрации 10 мг/л волосы можно испортить за две-три недели, и никакие шампуни уже не помогут.

Стирка в «железистой» воде гибельна для белья – если концентрация железа больше 1,0 мг/л, белье желтеет. Добавка стиральных порошков, особенно отбеливателя, приводит к интенсивному образованию хлопьев железа уже при концентрации 0,3 мг/л. «Железистая» вода портит кафельную плитку, эмаль и фаянс сантехнических изделий. Желто-коричневые натеки на их глазурованной поверхности можно удалить только кислотосодержащими моющими средствами. Но кислота разрушает глазурь, которая является защитой для керамики. Как только она разрушается, железо проникает в поры керамики и эмали и откуда его уже никак не извлечь, а белизна ванн, раковин и унитазов навсегда утрачена.

В системе горячего водоснабжения проблемы, обусловленные повышенным содержанием железа, многократно возрастают. Уже при концентрации 0,5 мг/л идет интенсивное появление хлопьев, образующих рыхлый шлам, который забивает теплообменники, радиаторы, трубопроводы, сужает их проходное сечение. Шлам попадает в краны, смесители, приборы автоматики. При концентрации 1,5–3 мг/л шаровые краны и смесители выходят из строя, прослужив всего несколько месяцев. При высоких температурах шлам затвердевает в виде осадка на металлических поверхностях, что приводит к снижению теплоотдачи и коррозии.

Нерастворенное железо, присутствующее в воде в виде ржавчины или окалины, удаляется с помощью 5-микронных картриджей механической очистки. Для удаления растворенного железа необходимо сначала его окислить, а затем отфильтровать выпавший осадок гидроокиси.

При высоком содержании железа рекомендуется применять автоматические установки очистки воды от железа. Картриджи применяют для дач, домов сезонного проживания или при невысоком содержании железа. Конструктивно картридж для обезжелезивания аналогичен засыпным угольным картриджам или картриджам для умягчения воды. Наиболее часто применяется фильтрующий материал Birm. Средний срок службы фильтрующего элемента зависит от концентрации железа. Для увеличения срока службы перед фильтром обезжелезивания часто устанавливают фильтр с картриджем для удаления механических примесей.

Картриджи для удаления нитратов

Нитраты – это соли азотной кислоты. В воде эти соли легко распадаются на катионы металлов и отрицательно заряженные (анионы) нитрат-ионы NO^3-. Специально разработанные для удаления нитратов нитратселективные (избирающие нитраты) анионообменные смолы обменивают ассоциированные на смолах анионы на нитрат-ионы, растворенные в воде.

Анионообменная смола – это длинная органическая молекула, на которую подвешены активные центры с положительным зарядом, защищенным слабо держащимся отрицательно заряженным анионом, чаще всего хлоридом. Вода проходит через смолу, нитраты заменяют хлориды и задерживаются на смоле. Хлориды попадают в воду вместо нитратов.

Что происходит, когда заканчиваются свободные активные центры с хлоридами? Нитраты перестают задерживаться, т. к. им не к чему прилипать. Главное, это не происходит сразу – количество активных центров снижается постепенно, по мере блокировки активных центров.

Точно так же возрастает степень загрязненности воды нитратами, которые не задерживаются, а проскакивают. Что делать, чтобы этого не происходило? Это зависит от того, как используется ионообменная смола. Если она используется в виде простого картриджа, то нужно чаще менять картридж. Если она используется в виде колонны – бака со смолой, то необходима частая регенерация смолы солью. Для удаления нитрат-ионов используются стандартные или селективные анионообменные смолы сильного основания (strong base anion – SBA), как правило, в Cl-форме. В качестве регенеранта используется раствор соли NaCl. При необходимости удаления нитратов из всей используемой в доме воды наилучшим выбором является ионообмен, а если необходима очистка только питьевой воды, лучшим решением является обратный осмос.