Najwyżej oceniane
Wymiana jonowa - jak to działa w zmiękczaczach wody?
Na popularności cały czas zyskują centralne zmiękczacze wody. Cieszą się coraz większym zainteresowaniem i są montowane w coraz większej ilości gospodarstw domowych. Przy ich opisach często wspomina się, że działają na zasadzie wymiany jonowej. Co to dokładnie oznacza? Gdzie jeszcze stosuje się ten proces? Jak on przebiega w zmiękczaczach wody?
Zmiękczacze wody działające na zasadzie wymiany jonowej są bardzo cenione za swoją skuteczność i wydajność. Ten proces pozwala na całkowitą redukcję stopnia twardości wody, zapewniając tym samym wodę miękką, idealną do codziennego użytku.
O tym, dlaczego warto walczyć z twardą wodą przeczytasz w artykule: Czy twarda woda szkodzi? Wszystko o wodzie z kamieniem Teraz czas dowiedzieć się więcej o wymianie jonowej.
Wymiana jonowa - naukowa definicja
Należy zacząć od samej definicji wymiany jonowej. Naukowcy tłumaczą to zjawisko jako proces fizykochemiczny, w którym jony roztworu elektrolitu są wymieniane na jony tego samego znaku, stanowiące część składową nierozpuszczalnych substancji zwanych jonitami.
Wymiana jonowa jest procesem odwracalnym. Biorą w nim udział takie same ilości jonów dodatnich lub ujemnych. Jeśli mamy do czynienia z jonami dodatnimi, możemy mówić o wymianie kationowej, natomiast w przypadku jonów ujemnych o wymianie anionowej.
Do rozdzielenia roztworów ciekłych na skutek wymiany jonowej stosuje się procesy jonowymienne oparte o technikę sorpcyjną. Aby reakcja zakończyła się sukcesem, muszą zaistnieć trzy warunki:
- Związek podlegający sorpcji musi znajdować się w roztworze wodnym w postaci zdysocjowanej
- Sorbent musi znajdować się w fazie stałej, nie może rozpuszczać się w wodzie
- Sorbent musi zawierać w sobie grupy jonowe zdolne do wymiany jonów
Najczęściej wymiana jonowa stosowana jest w procesach takich jak:
- Zmiękczanie wody
- Odsalanie wody morskiej
- Otrzymywanie wody cechującej się szczególną czystością
- W przemyśle biotechnologicznym do oczyszczania produktów z zanieczyszczeń pochodzenia nieorganicznego
- W hydrometalurgii do odzyskiwania, zatężania i rozdzielania różnych metali
Klasyfikacja wymienników jonowych
Wymienniki jonowe są zwane inaczej sorbentami jonowymiennymi. To związki wielocząsteczkowe o budowie usieciowionej, najczęściej bezpostaciowe. Klasyfikowane są do dwóch grup:
- Jonowymienników pochodzenia organicznego - żywice jonitowe
- Jonowymienników pochodzenia nieorganicznego - naturalne glinokrzemiany, bentonity, związki syntetyczne (np. wodorotlenek glinu, fosforan,
Inny podział został stworzony ze względu na rodzaj wymienianych jonów.
- Sorbenty wymieniające kationy
- Jonity wymieniające aniony
Jak przebiega proces wymiany jonowej?
Niezależnie od rodzaju stosowanego wymiennika jonowego, proces wymiany jonowej zawsze jest dzielony na pięć etapów:
- Przemieszczanie się jonu z głębi roztworu do powierzchni jonitu
- Przemieszczanie się jonu wewnątrz ziarna jonitu do grupy jonowymiennej
- Chemiczna reakcja podwójnej wymiany
- Przemieszczanie się wymienionego jonu z głębi ziarna w kierunku jego powierzchni
- Przejście wymienionego jonu z powierzchni ziarna do roztworu
Cykle wymiany jonowej
Wymienniki jonowe pracują w bardzo charakterystycznym, powtarzalnym cyklu składającym się z trzech faz.
- Przygotowanie złoża do pracy
- Czas pracy użytecznej jonitu - zachodzenie procesu wymiany jonowej (na przykład zmiękczanie surowej wody) do momentu tak zwanego punktu przebicia
- Regeneracja złoża - w tym procesie zachodzi spulchnianie złoża, regeneracja właściwa i płukanie złoża
Jakie urządzenia wykorzystują wymianę jonową?
Na drodze wymiany jonowej może zachodzić: zmiękczanie, demineralizacja, odsalanie, usuwanie fosforanów, azotanów, azotu amonowego, metali, a nawet niektórych związków organicznych.
Urządzenia wykorzystujące do działania wymianę jonową są wyposażone w specjalną butlę ciśnieniową, w której zachodzi ten proces. Musi być wykonana z trwałych materiałów. W dolnej części zbiornika znajduje się układ drenażowy, natomiast w górnej układ rozdzielczo-odbiorczy wody oraz elementy służące dozowaniu roztworu regenerującego złoże.
Do najpopularniejszych systemów uzdatniania wody, w których wykorzystuje się złoża jonowymienne, należą nie tylko zmiękczacze wody, ale również urządzenia do usuwania azotanów. Mieszanki są wykorzystywane w stacjach wielofunkcyjnych.
Wymiana jonowa a zmiękczanie wody
W zmiękczaczach wody do zastosowań domowych zazwyczaj wykorzystywane są silnie kwaśne żywice jonowymienne działające w cyklu sodowym.
To oznacza, że jony wapnia i magnezu powodujące twardość wody są wymieniane na neutralne jony sodu.
Poniższa grafika prezentuje jak to wygląda w trybie normalnej pracy zmiękczacza wody oraz podczas regeneracji.
Podczas trybu pracy surowa woda bogata w jony wapnia i magnezu wpływa na żywicę jonowymienną. Tam dochodzi do wymiany wapnia i magnezu na jony sodu (obecne w żywicy jonowymiennej). Jony wapnia i magnezu pozostają na złożu, a miękka woda z jonami sodu jest podawana do odbiorcy.
Po pewnym czasie jonów wapnia i magnezu na złożu zmiękczającym jest tak dużo, że nie ma już szans na wydajną wymianę jonową. Wtedy następuje proces regeneracji. Jest on odwrotny do procesu zmiękczania.
To oznacza, że w cyklu regeneracji do butli ze złożem wprowadzany jest roztwór solanki bogaty w jony sodu. Są one wymieniane z jonami wapnia i magnezu zalegającymi na złożu. W ten sposób żywica jonowymienna odzyskuje swoje zdolności, a roztwór solanki z wymienionymi jonami jest odprowadzany do kanalizacji.
Po zakończeniu procesu regeneracji złoże znowu przechodzi w tryb pracy i cały cykl zaczyna się od początku.
Po co sól tabletkowana?
Wielu przyszłych właścicieli zmiękczaczy wody zastanawia się, po co stosować sól tabletkowaną w zmiękczaczach wody i to w dodatku regularnie.
Jej obecność jest niezbędna, by mógł zaistnieć proces regeneracji. Z soli tabletkowanej i wody wytwarzany jest roztwór solanki tak bardzo potrzebny do odnowy właściwości żywicy jonowymiennej.
Jeśli zabraknie soli w zbiorniku i nie dojdzie do prawidłowej regeneracji, zmiękczacz wody przestanie spełniać swoją funkcję, a z kranu popłynie twarda woda.
Wymiana jonowa nie jest już tajemnicą!
Wymiana jonowa nie jest tak skomplikowanym procesem, jak wielu mogłoby się wydawać. Poznanie bliżej tego procesu i jego zrozumienie daje całkowitą pewność, że jest skuteczny. W dodatku wyjaśnienie metody pozwala dobrze zrozumieć, czemu służy sól tabletkowana. Teraz już działanie domowych zmiękczaczy wody na pewno nie będzie tajemnicą!