Wymiana jonowa w zmiękczaczach wody

Wymiana jonowa - jak to działa w zmiękczaczach wody?

Magda Lewicka
07/05/2019
11

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:

  1. Związek podlegający sorpcji musi znajdować się w roztworze wodnym w postaci zdysocjowanej
  2. Sorbent musi znajdować się w fazie stałej, nie może rozpuszczać się w wodzie
  3. 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:

  1. Przemieszczanie się jonu z głębi roztworu do powierzchni jonitu
  2. Przemieszczanie się jonu wewnątrz ziarna jonitu do grupy jonowymiennej
  3. Chemiczna reakcja podwójnej wymiany
  4. Przemieszczanie się wymienionego jonu z głębi ziarna w kierunku jego powierzchni
  5. Przejście wymienionego jonu z powierzchni ziarna do roztworu

Cykle wymiany jonowej

Wymienniki jonowe pracują w bardzo charakterystycznym, powtarzalnym cyklu składającym się z trzech faz.

  1. Przygotowanie złoża do pracy
  2. Czas pracy użytecznej jonitu - zachodzenie procesu wymiany jonowej (na przykład zmiękczanie surowej wody) do momentu tak zwanego punktu przebicia
  3. 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!

Komentarze

Ciekawy jestem jaki wpływ na zdrowie ma taką zmiękczona woda. Wapń i magnez są potrzebne do prawidłowego funkcjonowania organizmu a sodu, głównie w postaci soli kuchennej spożywa się więcej niż w zaleceniach WHO. Do tego sód ze zmiękczacza wody pity w wodzie, zupie czy herbacie podejrzewam, że nie wyjdzie na zdrowie...
Fajnie wytłumaczone, w końcu potrafię wytłumaczyć żonie dlaczego jej też się spodoba to urządzenie w domu :)
Świetny blog, naprawdę można znaleźć wszystkie informacje, których potrzebuję!
Zmiękczanie wody w niektórych rejonach Polski to konieczność. Oczywiście nie wszędzie, ale może to być uciążliwe jeśli ma się nowe mieszkanie i chce się je utrzymać w należytym porządku.
Słyszałem o różnych sposobach na zmiękczanie, ale wymiana jonowa to jest jednak chemiczny, sprawdzony i nieszkodliwy sposób.
Z tego co widzę, jest dużo fałszywych informacji w internecie na ten temat. Ludzie ktorzy się nie znają piszą, ze w zmiękczonej wodzie jest sam sód i woda jest słona, gdzie tak naprawdę tego sodu jest bardzo niewielka ilość, a sol jest wypłukiwania do kanalizacji... A to jest głupota.
Bardzo fajnie wytłumaczyliście cały proces, nawet ja, nie-chemiczka wszystko zrozumiałam :)
Całkiem dobrze to wytłumaczyliście. Wiedziałam, że to dość prosty system to całe zmiękczanie, ale nie sądziłam, że aż tak. Bardzo jasno przedstawione.
Bardzo prosta sprawa, wiele osób myśli, że to dużo bardziej skomplikowane. Od paru lat mam już zmiękczacz i filtr kuchenny dla dobrego smaku. Uważam, że zmiękczacz to jedno z tych urządzeń, które po prostu warto posiadać.
Dużo prostsze niż mogłoby się wydawać. W sumie warto wiedzieć, jak działają nasze urządzenia w domu, bo możemy dobrze o nie dbać i pilnować, żeby działały poprawnie.
Logiczne, dobrze wytłumaczone :)
Bardzo fajny wpis, rozjaśnia temat takim laikom jak ja.

Teraz pytanie: czy czuć różnicę w płaceniu rachunków za prąd i wodę przy zmiękczaczu wody? :)
A ja myślałam, że te tabletki zmiękczają wodę. Całe życie w kłamstwie.
Dopiero zamawiając zmiękczacz dowiedziałam się, jak on właściwie działa. Kiedyś myślałam, że jest to dość skomplikowany proces. Cieszę się, że koszty eksploatacji nie będą mnie dużo wynosić! Pozdrawiam!
W niedalekiej przyszłości planuję zakup zmiękczacza Ecoperla Hero. Właściwie nie czytałem zbyt dużo na temat procesu wymiany jonowej. Wydawało mi się, że jest to bardziej skomplikowany proces, a nawet bardziej złożony chemicznie w tym przypadku. Wyjaśnienie spadło mi z nieba i dało zupełnie inne spojrzenie na całą budowę oraz działanie zmiękczacza.