Картриджи специального назначения. Умягчение воды. С жесткой водой сталкивается каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. Жесткость пресных природных водоемов меняется в течение года, имея минимум в период паводка. Например, в Москве, которую обслуживают четыре станции водоочистки, забор воды производится из Москвы-реки и из Волги (через канал им. Москвы), поэтому жесткость воды различна в разных районах и варьируется от 2,3 до 4,6 мг-экв/л. Артезианская вода, как правило, более жесткая, чем вода из поверхностных источников. В Подмосковье, например, жесткость артезианских вод меняется от 3 до 15–20 мг-экв/л в зависимости от места и глубины скважины. Распространено мнение, что жесткая вода – это плохая вода, но в действительности ситуация с солями жесткости не так однозначна. Начнем с бытовой техники. Высокая гидрокарбонатная (временная) жесткость воды делает ее непригодной для работы в системах с газовыми и электрическими паровыми котлами и бойлерами. Стенки котлов постепенно покрываются слоем накипи. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15 %, слой толщиной 10 мм – уже на 50 %. Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива и электроэнергии, что, в свою очередь, ведет к образованию прогаров, трещин, вздутий в трубах и на стенках котлов, преждевременно выводя из строя как системы отопления, так и системы горячего водоснабжения. В жесткой воде хуже пенится стиральный порошок и мыло. Жесткая вода снижает эффективность моющих средств. Соли жесткости могут выпадать в виде нерастворимых белых кристаллов, сокращая срок службы стиральных и посудомоечных машин, гидромассажных форсунок и душевых насадок. Они откладываются по краям бассейнов и на стенках унитазов. Частицы накипи наносят вред смесителям и шаровым кранам. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, недопустима в пивоварении и производстве водки, негативно влияет на стабильность майонезов и соусов. Чай и кофе также необходимо заваривать мягкой водой, это улучшает их вкус. С другой стороны, чрезмерная мягкость воды является одним из основных факторов, влияющих на ее коррозионную активность. Коррозия ведет не только к утечкам в металлических трубопроводах, разрушению и поломке оборудования, но и к ухудшению химического и микробиологического состава воды в водопроводе. На коррозионную активность воды, кроме жесткости, оказывает влияние водородный показатель рН, а также количество растворенного в воде кислорода. В неблагоприятных случаях, в результате коррозии в воде увеличивается содержание железа, цинка, меди, количество сульфатредуцирующих бактерий и железобактерий. Подытоживая вышесказанное, рекомендуется для замкнутых систем отопления использовать воду с жесткостью 0,1–0,2 мг-экв/л, а для систем горячего водоснабжения – 0,5–1 мг-экв/л. Жесткость холодной воды, используемой, в том числе, для питья, согласно СанПиН 2.1.4.1074, не должна находиться в пределах от 1,5 до 7 мг-экв/л, при этом кальция должно быть не более 140 мг/л, а магния – не более 85 мг/л. Самый распространенный метод умягчения воды (уменьшения в воде содержания ионов жесткости – кальция и магния) – натрий-катионирование; основано на способности ионообменных материалов обменивать на ионы кальция и магния ионы других веществ, не образующих накипь на теплонапряженной поверхности (трубные экраны котлов, теплообменники, поверхности жаротрубных котлов). Таких веществ немало, но в связи с доступностью и относительной дешевизной хлорида натрия именно он был выбран в качестве реагента для регенерации катионита. При пропуске воды через слой катионита происходит ее умягчение. Слой катионита, умягчающий воду, называют работающим слоем или зоной умягчения. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита, и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны: работающего, истощенного и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са⁺² и Мg⁺² и увеличение остаточной жесткости до тех пор, пока она не станет равной жесткости исходной воды (что свидетельствует о полном истощении катионита). Тогда его следует регенерировать – пропустить через слой катионита раствор хлорида натрия, при этом обменная способность катионита восстановится. Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью. Обменная емкость ионитов может быть представлена такими показателями: полная и рабочая. Полная (общая) обменная емкость (ПОЕ) – общее количество ионообменных групп в единице объема влажного или массы сухого ионита. ПОЕ не зависит от концентрации и природы обменивающихся ионов, она постоянна для данного ионита, но изменяется под термическим, химическим и ионизирующим воздействиями. Эта величина имеет, скорее, теоретическое значение. ПОЕ «сухих» катионитов – около 5,0 ммоль/г. Рабочая обменная емкость (РОЕ) – основная технологическая характеристика ионита, емкость, восстанавливаемая в процессе регенерации. Эту величину можно измерять до проскока сорбируемого иона в фильтрат. Обычно РОЕ = РОЕ_пр. ПОЕ учитывается для нового («свежего») ионита, РОЕ – для прошедшего регенерацию. Рабочая обменная емкость ионита зависит от многих факторов: природы ионита; его гранулометрической характеристики; качества исходной воды. Причем зависимость определяется не только общим количеством улавливаемых ионов, но и их соотношением, наличием в исходной воде железа, марганца, органических примесей, значения рН исходной воды, удельного расхода регенеранта и т. д. Обменная емкость измеряется в молях ионов, обмениваемых в 1 м³ ионита в его влажном (набухшем) состоянии: моль/м³ или ммоль/л. Так, например, если обменная емкость ионита равна 800 моль/м³, это означает: 1 м³ такого ионита может извлечь 800 моль ионов. Иногда обменную емкость выражают в молях ионов на 1 кг воздушно-сухого ионита – моль/кг. Ионообменные смолы представляют собой специально синтезированные полимерные вещества, нерастворимые в воде, чаще всего – получаемые сополимеризацией полистирола или полиакрилата с дивинилбензолом (ДВБ). В полученный сополимер вводят функциональные группы с подвижным катионом – ионогенные группы, способные вступать в обменные реакции. 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. Нитраты попадают в воду через почву. Поэтому применение картриджа для очистки от них в проточном фильтре актуально при отсутствии центрального водоснабжения (особенно в местности, где занимаются сельским хозяйством). Картриджи для деионизации. Картриджи для деионизации воды изготавливаются с использованием специальной смеси ионообменных смол. Такие фильтрующие элементы применяются в качестве постфильтров в многоступенчатых системах очистки воды. Они минимизируют суммарное содержание органических веществ и суммарное содержание растворенных солей до допустимых значений. Деионизация воды достигается путем ионного обмена на специальных ионообменных смолах. По типам удаляемых из воды ионов ионообменные смолы делятся на катионообменные и анионообменные. Если на сетках механических фильтров и в порах угля и синтетических волокон частицы попросту физически задерживаются, то при ионном обмене они как бы встраиваются в структуру фильтрующего вещества. Извлечение из воды положительно и отрицательно заряженных ионов металлов происходит за счет взаимодействия с противоположно заряженными активными центрами ионообменной смолы. К положительно заряженным – относятся ионы металлы, в том числе катионы кальция и магния, к отрицательно заряженным – кислотные остатки минеральных и органических кислот. Картриджи для ионизации воды находят широкое применение для очистки воды, которая используется в фармацевтическом, косметическом и парфюмерном производстве, медицине, лабораториях, лазерных установках, парогенераторах и увлажнителях воздуха, распылителях воды, в энергетическом оборудовании и т. д. Картриджи для горячей воды. Картриджи к фильтрам для горячей воды изготавливаются из материалов, учитывающих высокую температуру и свойства горячей воды. Производительность фильтров для горячей воды различна и определяется их габаритами, проходным сечением, а также размерами ячейки фильтрующего элемента. Гидравлические потери в фильтре могут составлять от 0,1 до 0,5 бар. Это особенно важно учитывать при низком давлении в водопроводе. Существует великое множество картриджей для горячей воды: сетчатых (нержавеющая сталь, нейлон или полипропилен), из вспененного или плетеного полипропилена, из нетканого полиэстера, гофрированных, намоточных и т. д. В зависимости от установленных картриджей и температуры фильтруемой воды фильтр решает задачи очистки от механических взвесей, ржавчины, тяжелых металлов, органических соединений, остаточного хлора, сорбций, и других различных примесей. Степень очистки картриджей, предназначенных для горячей воды, – в пределах от 1 до 100 мкм. Важно помнить то, что картриджи, предназначенные для холодной воды, нельзя ставить для фильтрации горячей. А вот наоборот, как правило, можно. Поэтому, установив в квартире магистральные фильтры на холодную и горячую воду, иногда удобно использовать одни и те же типы сменных картриджей. Большинство картриджей для горячей воды являются одноразовыми и не подлежат восстановлению по окончании своего ресурса. Служат такие картриджи в среднем порядка 3–6 месяцев, хотя этот показатель является индивидуальным и зависит от количества потребляемой воды. Большинство картриджей для горячей воды пригодно для использования при температуре не выше 93–95 °С. Полифосфатные картриджи. Существуют фильтрующие элементы для очистки горячей воды, которые содержат полифосфаты. Полифосфатные соли могут быть в виде кристаллов различных размеров, гранул, порошка, таблеток, либо в состоянии концентрированного раствора, требующего, однако, специального насоса-дозатора. Проходя через фильтрующий элемент, полифосфат постепенно растворяется в проходящей через картридж воде, добавляя в нее фосфаты и тем самым предотвращая образование накипи и ржавчины. Суть процессов такова: постепенно растворяясь, гранулы полифосфата образуют в воде комплексные соединения с солями жесткости, препятствуя тем самым образование накипи на поверхностях нагрева. На металлических поверхностях образуется защитная пленка, которая предохраняет металл от разрушения в результате действия кислот, щелочей, солей жесткости, хлора и прочих факторов, приводящих трубы и работающее с водой оборудование в неисправное состояние. Подобный способ обработки воды рекомендован для котлов, бойлеров и прочих типов непищевого оборудования, контактирующего в работе с горячей водой. Кристаллы полифосфата помещаются в полипропиленовую капсулу с предварительным фильтром из полиэстера и полипропиленовым постфильтром. Скорость растворения гексаметафосфата увеличивается в теплой, кислой или мягкой воде. К содержимому такого картриджа необходимо относиться с осторожностью, т. к. полифосфаты раздражают слизистую оболочку глаза. Также на рынке присутствуют дозаторы полифосфата. Пропорциональные порошковые дозаторы просты в установке и применяются для предотвращения образования накипи и коррозии в котлах и бойлерах, в стиральных и посудомоечных машинах. Пропорциональные дозаторы добавляют в воду составы на основе полифосфатов пропорционально ее расходу. Это не ухудшает качества воды, в то же время соли, которые могут выпадать в осадок и образовывать отложения, остаются в растворенном виде, а трубопроводы предохраняются от коррозии. Такие меры защиты гидравлических систем сберегают энергию, снижают затраты на эксплуатацию системы и продлевает срок службы оборудования.