Продавци некогда популярных в Украине компактных систем умягчения WaterBoss акцентировали внимание на преимуществах применения уплотненной монодисперсной катионообменной смолы — смолы с однородным размером частиц 0,3 мкм. Эта статья о том что это такое, почему это важно и как это работает. Мы попытаемся расширить знания о технологиях, позволяющих улучшить эффективность и функциональность «ионного обмена».
Что собой представляет монодисперсная смола?
Монодисперсная смола – это смола с однородными частицами, характеризуемыми практически одинаковым размером и однородной укладкой. Обычные ионообменные смолы не однородны – их размер варьируется в соответствии с законом распределения Гаусса и типичное распределение частиц в колоне формируется случайным образом (рисунок 1). Это означает, что случайный размер частици будет сгруппирован вокруг некоторого среднего значения и чем дальше от среднего значения, тем меньше вероятность того, что такое значение появится. В укладке обычной смолы более мелкие частицы заполняют пустоты между более крупными частицами.
Рисунок 1. Стандартная ионообменная смола.
Если смотреть на шарики монодисперсной смолы под увеличительным стеклом мы увидим укладку шариков с одинаковым размером (рисунок 2). Типичный размер зерна монодисперсной смолы составляет от 20-40 mesh (0,8-0,4 мм) до 30-50 mesh (0,6-0,3мм) с коэффициентом однородности зерна 1.1…1.2.
Рисунок 2. Монодисперсная ионообменная смола.
Стандартная смола с распределением размеров по Гауссу характеризуется размером зерен от 16-50 mesh (0,3-1,2мм) с коэффициентом однородности зерна 1.6. Фактическое распределение размера зерен определяется производителем смолы.
Существует два производственных процесса получения монодисперсной смолы. Один из них: просеять стандартную полидисперсную «гауссову» смолу и сохранить только зерна одинакового размера. Это способ фактически не позволяет получить коеэфициент однородности ниже 1.2, увеличивает время обработки и создает отходы полимера. Второй способ: изготовить однородные зерна двухступенчатым струйным способом. Этот способ позволяет получить коеффициент однородновти 1.1 и ниже и обладает более низкой себестоимостью из-за меньшего количества отходов полимера.
Все вышеперечисленное никак не означает, что полидисперсная «гауссова» смола — это плохой продукт. Смола с «гауссовым» распределением размера частиц имеет свою область применения – гранулы разного размера выполняют работу в различных ионообменных процессах.
Пористая структура с ионообменными центрами. Как работает зерно?
Зерно смолы – это не твердая пластиковая сферическая гранула. Зерно — это молекулярное сито с развитой пористой структурой. 99% ионообменных центров (функциональных групп) размещены не на поверхности, а в глубине пор зерна. Зерна смолы представляют собой полистирольные нити, соединенные с помощью дивинилбензольных поперечных связей.
Рисунок 3. Зерно ионообменной смолы под микроскопом.
Монодисперсная смола с зернами однородного размера демонстрирует значительно более высокую кинетику (скорость химической реакции) в сравнении со стандартной полидисперсной смолой. Эта улучшенная кинетика приводит к большей эффективности «засаливания» (поглощения натрия из регенерирующего раствора), большей мощности, снижению количества соли и воды для регенерации.
В отсутствии в слое монодисперсной смолы более крупных зерен расстояние, которое проходит вода, сокращается. Вода проходит быстрее через шарики меньшего размера, что положительно влияет на ионный обмен, обеспечивая улучшенное удаление двухвалентного железа и марганца.
Полидисперсная смола хорошо подходит для задач обычного умягчения и это экономически эффективная практика использования более дешевой в изготовлении полидисперсной смолы.
Распределение размера частиц в соответствии с законом Гаусса.
| мм | % содержания зерен | MESH |
| 1,25 | 0,8 | 14 |
| 1,00 | 2,0 | 18 |
| 0,80 | 14,9 | 23 |
| 0,63 | 33,2 | 29 |
| 0,50 | 32,5 | 36 |
| 0,40 | 14,1 | 45 |
| 0,30 | 2,0 | 60 |
| меньше | 0,5 | — |
Где применяют монодисперсную смолу?
Ландшафт водоподготовки меняется. Регулирующие организации, коммерческие, промышленные и бытовые потребители ищут способы сократить выброс хлоридов в окружающую среду, уменьшить потребление воды и соли для регенерации. Равномерное движение воды и растворенных ионов через смолу как в процессе эксплуатации, так и в процессе регенерации, обеспечивает стабильность химических и гидравлических процессов. Когда химические реакции протекают в зернах равномерно и одновременно, появляется возможность более точно предсказать какое количество рассола необходимо для регенерации и сколько воды необходимо для промывки смолы.
Если размер зерен в полидисперсной смоле варьируется от 0,3 до 1,2 мм нужно понимать, что химические реакций не проходят одновременно – для более крупных шариков смолы нужно большее время в сравнении с мелкими. Крупные зерна в 4 раза больше мелких зерен и эти крупные зерна, обладающие низкой скоростью реакций, определяют весь процесс. Постоянный размер зерна определяет эффективность монодисперсной смолы. Одинаковый размер также позволяет использовать смолу с одинаковыми зернами меньшего размера без увеличения сопротивления потоку воды (за счет равномерной организации пространства пустот между зернами в слое).
Ионный обмен — отличный вариант для удаления из раствора двухвалентного железа и марганца. Однако, когда эти металлы окисляются, они не обмениваются, покрывают и закупоривают шарики смолы, нарушая их функциональность. Использование более мелких шариков («технология короткого пути») помогает слою смолы эффективнее удалять эти нежелательные металлы из воды — короткий путь через смолу позволяет предотвратить или минимизировать застревание взвешенных твердых металлических частиц внутри шарика. Напротив, более крупные шарики смолы создают более длинный путь диффузии, металлы могут окисляться и застревать в шарике смолы, закупоривая доступ к внутренней части шарика (99 % обменной емкости шарика находится внутри внешней оболочки). Если шарик изолирован, он не функционирует должным образом. Слой смолы с более мелкими гранулами («технология короткого пути») лучше удаляет железо и марганец в сравнении с обычной смолой. Технология короткого пути, реализованная в использовании монодисперсной смолы с размером частиц 0,3 мм, уплотненная укладка слоя без возможности расширения объясняют высокую эффективность систем WaterBoss в удаление солей жесткости, железа и марганца в сочетании с низким расходом соли и воды на регенерацию.
Научный подход.
Современные смолы – это продукты нанотехнологий, позволяющих достичь максимально высоких скоростей поглощения и отдачи ионов. Высокая кинетика монодисперсных смол с одной стороны уменьшает проскок солей жесткости в конце фильтроцикла, с другой – минимизирует расход соли и воды в цикле регенерации.
Повышенная диффузионная способность, улучшенная кинетика и лучшее отношение активной поверхности к объему смолы дают монодисперсным смолам преимущество над «гауссовыми» смолами: уменьшение проскока, оптимизация использования воды и регенерирующего раствора. Это означает, что использование более мелких шариков с более короткими путями для движения воды позволяет ионам диффузионно распространяться по всей площади поверхности смолы (внутри и снаружи), улучшая скорость ионного обмена (улучшенная кинетика).
Для большинства задач умягчения воды использование «гауссовой» смолы является стандартной практикой и полностью приемлемо. Однако, возможность применения монодисперсной смолы и «технологии короткого пути» добавляет в Ваш арсенал еще один инструмент повышения эффективности «ионного обмена».
