Существует много мнений и много точек зрения на эффективность и практичность удаления железа ионообменными системами умягчения воды. Кто-то заявляет об отличных результатах, другой крайне скептически настроен, третий утверждает, что  приемлемый результат обеспечивается только если регенерация ионообменной смолы осуществляется умягченной водой (как в системах TWIN)  и что умягченная вода неким магическим образом заставляет регенерирующий раствор работать лучше и предотвращает обрастание смолы окисленным железом. Что же представляет собой железо в воде и как железо взаимодействует с ионообменной смолой для умягчения?

Железо железу рознь.

Начнем с того, что железо в воде существует в нескольких формах. Вода из глубоких скважин практически не содержит растворенный кислород и железо представлено преимущественно растворенной (двухвалентной) формой. Этот тип железа называют железом в изначально прозрачной воде. Растворенное железо существует как при высоком, так и при низком рН, однако, большую стабильность растворенному железу обеспечивает рН<7. В поверхностных водах рН редко менее 7  и железо чаще всего представлено в окисленной (трехвалентной) форме, представленной нерастворимыми частицами или связанной с различными природными органическими веществами. Некоторые поверхностные воды с рН<6 способны удерживать железо в растворенной форме даже в присутствии кислорода. Удаление растворенного железа из воды с низким рН с помощью умягчителя воды должно осуществляться предварительно до повышения рН.

Удаление нерастворимого железа умягчителем воды проблематично. Нерастворимые частицы железа обладают небольшим размером, особенно частицы окисленного кислородом ранее растворенного железа. Смолы для умягчения способны фильтровать приблизительно частицы диаметром 2 мкм, однако частицы окисленного железа обладают диаметром менее 1 мкм. Процесс фильтрации осуществляется, однако этот процесс малопредсказуем, зависит от размера частиц железа, скорости потока, размера зерен смолы и их однородности. Удаление может быть как 10%, так и 90%. При этом наиболее вероятно ожидать удаления окисленного железа в интервале от 25 до 75%. Тонкодисперсные смолы будут «работать» лучше в сравнении с крупнодисперсными смолами, а смолы с неравномерной поверхностью эффективнее в удалении окисленного железа в сравнении со смолами с однородным составом.

Так как типичный процесс регенерации смолы для умягчения не направлен на удаление большого количества задержанного окисленного железа, существует высокая вероятность отложения железа на зернах смолы, закупоривания межзерновых каналов, роста сопротивления потоку и сокращения фильтроцикла (снижения обменной емкости смолы). Чем лучше ионообменная смола фильтрует окисленное железо, тем больше вероятность необратимого обрастания железом. В итоге, умягчители воды со смолой, загрязненной железом, практически не работают и требуют дорогостоящего обслуживания вплоть до выгрузки и замены смолы. Это и есть основная причина, по которой продавцы систем водоподготовки не рекомендуют умягчитель воды для удаления железа и, напротив, рекомендуют предварительную систему фильтрации вместо использования умягчителя для удаления железа. Умягчитель – для умягчения воды, фильтр – для удаления железа. Как говорится – от греха подальше.

Некоторые ионообменные смолы обладают способностью к фильтрации и могут быть использованы для удаления окисленного железа. В таком варианте умягчитель рассматривается как фильтр, к которому применяется как понятие «емкости фильтрации», так и процедура физической очистки. Коагуляция может также оказаться необходимой для формирования агломератов из частиц окисленного железа, способных к фильтрации. Так как процедура физической очистки отличается от химической регенерации для восстановления смолы используются многостадийная последовательность, включающая физическую очистку. В таком случае, нужен некоторый компромисс когда два различных процесса  (очистка и регенерация) применяются для восстановления одной системы.  В конце концов, если присутствует окисленное железо, вероятнее всего предпочтительнее удалить его задействуя отдельную стадию фильтрации, предшествующую стадии умягчения.

Органическое железо не может удаляться умягчителем воды, по крайней мере в какой-либо заметной пропорции. Одни формы органического железа могут быть задержаны смолами –оранопоглотителями (анионообменные смолы), другие – нет. Удаление органического железа – весьма специфический процесс, в котором экспериментальные результаты с конкретно взятой водой часто превалируют над любой общей теорией.

Растворенное железо обменивается умягчителем по одному принципу с ионами жесткости – ионами кальция и магния. Сродство растворенного железа с умягчающей смолой несколько ниже сродства кальция и несколько выше магния. Смола «обменивает» железо точно так же как ионы жесткости. Отличие только в регенерации. Когда умягчитель наполняет бак-солерастворитель вода взаимодействует с воздухом т поглощает кислород. Кислород в регенерирующем растворе в процессе регенерации взаимодействует с прикрепленным к смоле растворенным железом, окисляя его с потерей растворимости. Так как окисление происходит на поверхности зерна смолы и влияет на обмен ионов жесткости, окисленное железо действует как препятствие, блокирующее ионообменный процесс.

Часто железа вымывается в процессе цикла обратной промывки, который обычно предшествует циклу медленной промывки с инжекцией регенерирующего раствора. Этот цикл обычно недостаточно длинный или недостаточно агрессивный для удаления всего задержанного железа с поверхности смолы. Различные инновационные устройства (например, турбулизаторы или пластины VORTEX) способны улучшить обратную промывку, однако подавляющее большинство систем умягчения оснащены верхней экранирующей фильерой (для предотвращения выноса смолы при промывке), снижающей возможности обратной промывки и способность вымывания взвешенных частиц.

Ограничение емкости фильтрации железа минимизирует риски. Очистители смол также уменьшают формирование отложений окисленного железа и обрастание смолы. Сульфиты (сероводород) также предотвращают конверсию растворенного железа в окисленную форму. Фосфаты изолируют растворенное железо, препятствуя его окислению. Такие очистители обычно используются в малых дозах и обычно устраняют только часть проблемы.

Выводы и общие рекомендации.

Окисленное железо.  

1. < 0,1 мг/л и любой уровень растворенного кислорода в воде = ПРЕНЕБРЕЖИТЕЛЬНО МАЛЫЙ РИСК ОБРАСТАНИЯ.
2. 0,1 – 1 мг/л и любой уровень растворенного кислорода в воде = РИСК ОБРАСТАНИЯ ПРИСУТСВУЕТ, однако сохраняются возможности его контроля и минимизации.
3. > 1 мг/л и любой уровень растворенного кислорода в воде = ВЫСОКИЙ РИСК ОБРАСТАНИЯ, возможности контроля не обеспечивают существенную минимизацию 9 в том числе частые обратные промывки). Стадия предварительного удаления железа настоятельно рекомендуется.

Растворенное железо.  

1. Любой уровень железа и полное отсутствие растворенного кислорода в воде = ПРЕНЕБРЕЖИТЕЛЬНО МАЛЫЙ РИСК ОБРАСТАНИЯ (кислород должен отсутствовать как в обрабатываемой воде, так и в регенерационном растворе).
2. Если растворенный кислород не может быть полностью исключен:

— вводят поправку для снижения фильтроцикла с целью предотвращения накопления железа. Стандартная практика – компенсация 1 мг-экв/л жесткости для каждого 1 мг растворенного железа.

— используют очистители смолы с каждой регенерацией (предпочтительно на основе сульфитов или фосфатов). При этом очистители не могут компенсировать более чем 1..2 мг/л железа.

Системы умягчения обладают большей устойчивостью к обрастанию железом если:  

— поддерживается высокая частота регенераций;

— используется мелкодисперсная смола;

— применяются очистители смолы или изолирующие железо добавки;

— если смола специально разработана для удаления (фильтрации) высоких уровней железа и поддерживаются полноценные циклы очистки для вымывания окисленного железа.

 

Отдельные моменты.  

Окисленное нерастворимое железо просто не может стать растворимым так быстро как оно окисляется. К тому же часть окисленного железа в смоле навсегда останется нерастворимой. Естественно, лучше всего предотвратить процесс окисления. Однако, если это сложно или просто невозможно сделать, желательно использовать специально разработанную смолу для фильтрации окисленных  частиц железа. Попытка очистить смолу от отложений железа – это в итоге полностью проигранная битва. Так или иначе, экономически проще заменить смолу, чем удалить сформировавшиеся поверхностные пленки окисленного железа.