Filtracja na złożu stałym: Zasady działania
- Szczegóły
Centralne zmiękczacze wody to jedne z najbardziej znanych i najczęściej wybieranych urządzeń filtracyjnych. Wysoki stopień twardości wody jest zjawiskiem występującym w całej Polsce i dotyczy tak samo prywatnych ujęć, jak i użytkowników sieci wodociągowej.
Skutkiem, który najbardziej daje się we znaki jest osad, który wytrąca się z twardej wody podczas jej przepływu i podgrzewania. W taki sposób nietrudno o awarie instalacji oraz urządzeń AGD, mających styczność z wodą i wyższe koszty ogrzewania. Sposobem na uniknięcie tych wszystkich nieprzyjemności jest redukcja stopnia twardości wody.
Do gospodarstw domowych rekomendowane jest zastosowanie centralnych zmiękczaczy wody działających na zasadzie wymiany jonowej. Te urządzenia filtracyjne występują w dwóch rodzajach: jako kompaktowe zmiękczacze wody oraz dwuczęściowe zmiękczacze wody.
Zasada działania zmiękczaczy wody
Proces zmiękczania wody odbywa się wewnątrz butli ciśnieniowej wypełnionej specjalnie dobranym złożem filtracyjnym, zwanym żywicą jonowymienną. Wymiana jonowa jest procesem, podczas którego dochodzi do wymiany jonów na inne, jednak spod tego samego znaku. Do wymiany dochodzi na ciele stałym lub polimerze zawierającym odpowiednie grupy funkcyjne.
Wymianę jonową można określić jako fizykochemiczny, ilościowy proces odwracalny. Same wymienniki jonowe to związki wielkocząsteczkowe o budowie usieciowionej. Ze względu na rodzaj szkieletu można je podzielić na: nieorganiczne i organiczne, natomiast ze względu na pochodzenie wyróżnia się jonity naturalne i syntetyczne.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
- Kationity mają charakter kwasów lub ich soli i wymieniają z roztworem kationy.
- Anionity mają charakter zasad lub ich soli i wymieniają z roztworem aniony.
W zmiękczaczach wody przeznaczonych do gospodarstw domowych zazwyczaj stosuje się silnie kwaśne kationity działające w cyklu sodowym. To zapewnia prawie całkowitą wymianę jonów Ca2+ i Mg2+ związanych z anionami silnych i słabych kwasów.
Opisując cały proces zmiękczania wody w dużym uproszczeniu, można przyjąć, że surowa woda przepływa przez instalację i trafia do urządzenia. Sama jest bogata w jony wapnia i magnezu. W rezultacie do użytkownika trafia miękka woda, wzbogacona o jony sodu, jednak pozbawiona wysokiego stężenia jonów wapnia i magnezu.
Regeneracja złoża filtracyjnego
Z czasem na złożu filtracyjnym zaczyna brakować jonów sodu do zachodzenia prawidłowej wymiany. Regeneracja jest procesem niezbędnym do prawidłowej pracy zmiękczacza wody i nieodłącznym elementem wymiany jonowej. W zależności od producenta urządzenia, możemy się spotkać z różnymi cyklami i ustawieniami regeneracji. Proces regeneracji składa się z:
- Spulchnianie złoża - polega na wstępnym przepłukaniu jonitu przed rozpoczęciem regeneracji właściwej.
- Regeneracja właściwa - polega na wprowadzeniu do jonitu jonów pierwotnie związanych z grupami funkcyjnymi. Następuje reakcja odwrotna do zachodzącej podczas wymiany jonowej.
Choć sama sól nie jest bezpośrednio odpowiedzialna za zmiękczanie wody, to jednak pełni bardzo ważną funkcję podczas regeneracji żywicy jonowymiennej. Skutkiem braku właściwej ilości soli regeneracyjnej w zbiorniku solanki jest brak możliwości wytworzenia roztworu solanki i nieprawidłowa regeneracja złoża.
Rodzaje żywic jonowymiennych
W zmiękczaczach wody do gospodarstw domowych można spotkać się z dwoma rodzajami żywic jonowymiennych. Wielu producentów podkreśla, że ich produkt posiada monosferyczną żywicę jonowymienną. Główna różnica pomiędzy żywicą polisferyczną a monosferyczną dotyczy ich budowy. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z ziarnami różnej wielkości. Identyczna budowa każdej cząsteczki złoża filtracyjnego przekłada się na kilka zalet związanych ze zmiękczaniem wody. Przede wszystkim rozkład przepływu wody oraz regenerantu jest bardziej wyrównany. Żywice monosferyczne są uznawane za bardziej odporne pod względem chemicznym i mechanicznym. Ponadto powodują mniejsze spadki ciśnienia.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Podczas regeneracji zmiękczacza wody, przez urządzenie nie przepływa woda pobierana na potrzeby użytkowników. Surowa woda płynie obejściem, a więc użytkownicy mają do niej stały dostęp i nie ma mowy o żadnych przerwach w dostawie. Domowe zmiękczacze wody przeprowadzają proces regeneracji automatycznie.
Wpływ zmiękczania na smak i jakość wody
Użytkowanie zmiękczacza wody nie powinno mieć wpływu na smak wody, a to oznacza, że po procesie zmiękczania nie powinna ona charakteryzować się słonym smakiem. Podczas procesu zmiękczania wody ta jest wzbogacana w jony sodu. Za tworzenie słonego smaku odpowiada natomiast związek NaCl. Słony smak wody po zmiękczaniu jest najczęściej wynikiem nieprawidłowego działania zmiękczacza wody i wymaga interwencji.
Woda po procesie zmiękczania może być wykorzystywana do celów spożywczych. Podczas zmiękczania z wody faktycznie ubywa jonów wapnia i magnezu, a są one zastępowane jonami sodu. W trakcie procesu wraz z redukcją twardości o każdy stopień niemiecki, do wody trafia około 8,2mg Na/l. Warto pamiętać, że najlepiej przyswajalne przez organizm minerały w dużych ilościach znajdziemy w pożywieniu.
Dodatkowe metody uzdatniania wody
Woda pobierana ze studni lub z sieci wodociągowej często zawiera różnego rodzaju zanieczyszczenia, które mają wpływ na jej smak, zapach, i parametry fizykochemiczne. Skuteczne uzdatnianie wody jest procesem wieloetapowym, który w sposób istotny zależy od jakości czerpanej wody od jej przeznaczenia i dobowego zużycia.
Filtracja wstępna
Pierwszym etapem uzdatniania wody jest filtracja wstępna, uzyskiwana najczęściej za pomocą filtrów mechanicznych. Skutecznym i tanim rozwiązaniem problemu czystej wody w kuchni są filtry do wody montowane standardowo w podwójnych i potrójnych zestawach. Filtracja może być prowadzona na węglu aktywnym. Granulowany węgiel aktywny jest produktem wytwarzanym z wyselekcjonowanych gatunków węgli i odznacza się doskonałą zdolnością absorpcyjną. Ma strukturę porowatą i występuje w postaci wytłoczek lub granulek.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Często stosowanymi filtrami są także filtry wyposażone w stały element filtracyjny w postaci siatki wykonanej ze stali nierdzewnej lub wkład filtracyjny wykonany z materiałów syntetycznych. Na szczególną uwagę zasługują filtry, w których dzięki specjalnej konstrukcji wytwarzany jest ruch wirowy.
Usuwanie żelaza i manganu
Osobnym zagadnieniem jest obecność w wodzie składników mineralnych, głównie żelaza i manganu. Nadmiar soli żelaza powoduje korozję instalacji wodociągowej lub grzewczej. Obecność w wodzie manganu oprócz szkodliwego wpływu tego pierwiastka na zdrowie człowieka, jest także przyczyną wystąpienia korozji galwanicznej w instalacjach miedzianych.
Proces usuwania żelaza z wody polega na wytrąceniu rozpuszczonych w wodzie związków żelaza w postaci związków nierozpuszczalnych, które są zatrzymywane na złożu filtracyjnym. Warunkiem przebiegu procesu jest odpowiednie napowietrzanie wody. Pod wpływem tlenu dostarczonego w czasie procesu napowietrzania wodorotlenek żelazawy przechodzi w wytrącający się z wody wodorotlenek żelazowy.
Związki manganu występują w wodach równocześnie ze związkami żelaza jednak w ilościach znacznie mniejszej. Usuwanie manganu jest procesem identycznym z odżelazieniem, dlatego zazwyczaj obydwa procesy prowadzone są w jednym urządzeniu. Proces utleniania manganu przebiega znacznie wolniej niż utlenianie żelaza, dlatego usuwanie manganu z wody wymaga zwykle wielostopniowej filtracji. Jeśli jednak pH wody jest >10, to oba procesy można przeprowadzić podczas filtracji jednostopniowej.
Inne metody zmiękczania wody
Związki wapnia i magnezu występujące w wodzie najczęściej w postaci węglanów, siarczanów i chlorków wpływają na zwiększenie twardości wody. Przynosi to negatywne skutki w postaci powstawania kamienia w instalacjach i urządzeniach technicznych, co w efekcie znacznie obniża ich sprawność.
Zmiękczanie wody, czyli usuwanie z niej węglanów wapnia i magnezu, może odbywać się różnymi metodami:
- Metoda termiczna: rozkład wodorowęglanów następuje pod działaniem wysokiej temperatury.
- Metoda chemiczna: dodanie do wody odpowiednich środków chemicznych.
- Wymiana jonowa: dokonuje się na żywicach jonowymiennych. Proces polega na przepuszczeniu uzdatnionej wody przez złoże, w którym następuje wymiana jonów wapnia i magnezu znajdujących się w wodzie na jony sodu.
- Metoda magnetyczna lub elektromagnetyczna: polega na polaryzacji ładunków jonów wapnia i magnezu, co sprawia, że w wyniku odpychania się ładunków nie dochodzi do osadzania się kamienia.
Odwrócona osmoza
Znakomitą i skuteczną metodą zapewnienia czystej wody jest metoda bazująca na systemie odwróconej osmozy. Odwrócona osmoza połączona z systemem filtrów osadowych i aktywnych pozwala otrzymać wodę pozbawioną zanieczyszczeń i szkodliwych związków chemicznych.
Odwrócona osmoza jest procesem, którego istotą jest oddzielenie wody od rozpuszczonych w niej substancji bez stosowania jakichkolwiek środków chemicznych. Proces ten przebiega dzięki zastosowaniu półprzepuszczalnych membran, przez które mogą przeniknąć jedynie cząsteczki wody.
Dezynfekcja wody
Woda występująca w środowisku naturalnym zawiera również różnego rodzaju zanieczyszczenia organiczne będące źródłem wirusów i bakterii. Aby mogła być użyta do spożycia musi najpierw zostać poddana dezynfekcji w celu uzyskania odpowiedniej czystości mikrobiologicznej. Jedną z metod dezynfekcji jest ozonowanie. Jest to jednak metoda skomplikowana i kosztowna, stąd najczęściej dezynfekcję wody przeprowadza się za pomocą chlorowania.
Chlorowanie, jakkolwiek skutecznie dezynfekujące wodę, przynosi jednak efekty uboczne w postaci znacznego obniżenia jej walorów smakowo-zapachowych. Efektu tego nie daje dezynfekcja promieniowaniem ultrafioletowym. Oferowane na rynku urządzenia serii SUV GOLD, wyposażone w emitery ultrafioletu posiadają możliwość zdalnego monitorowania pracy urządzenia.
Wybór odpowiedniego filtra do wody
Wybór filtracji do wody w domu to proces wieloetapowy, którego celem jest usunięcie konkretnych substancji fizycznych, chemicznych lub biologicznych przy użyciu dedykowanych mediów filtracyjnych. Podstawą jest zazwyczaj filtracja mechaniczna, działająca jak sito zatrzymujące cząstki stałe, co chroni kolejne etapy systemu. Następnie woda poddawana jest procesom sorpcji na węglu aktywnym, który wiąże zanieczyszczenia chemiczne, lub procesom membranowym, które separują zanieczyszczenia na poziomie molekularnym. W bardziej zaawansowanych instalacjach zachodzi wymiana jonowa odpowiedzialna za zmiękczanie, polegająca na zamianie jonów wapnia na neutralny sód. W przypadku zagrożenia mikrobiologicznego stosuje się metody fizycznej dezynfekcji, takie jak promieniowanie UV, które nie zmieniają składu chemicznego wody, lecz niszczą strukturę DNA patogenów.
Rynek urządzeń filtracyjnych dzieli się na rozwiązania punktowe (POU) oraz centralne (POE), różniące się wydajnością i miejscem montażu. Do najprostszych należą dzbanki filtrujące oraz nakładki na kran, które służą do doraźnej poprawy smaku wody spożywczej w niewielkich ilościach. Znacznie bardziej zaawansowane są systemy podzlewozmywakowe, w tym odwrócona osmoza, które oferują wielostopniową filtrację przy zachowaniu kompaktowych rozmiarów. Ochronę całej instalacji domowej zapewniają filtry narurowe i kolumny zmiękczające montowane w kotłowniach, które uzdatniają każdą kroplę wody zużywaną w budynku.
Typy filtrów i technologie membranowe
Filtry mechaniczne i węglowe stanowią fundament większości systemów uzdatniania, działając na zasadzie fizycznej bariery i adsorpcji chemicznej. Wkłady sedymentacyjne, wykonane z polipropylenu lub siatki nylonowej, usuwają mętność i zawiesiny, co jest kluczowe dla ochrony armatury i innych filtrów przed zamuleniem. Z kolei filtry węglowe wykorzystują zjawisko adsorpcji na niezwykle rozbudowanej powierzchni porów węgla aktywnego, który działa jak magnes na chlor, pestycydy i związki aromatyczne.
Technologie membranowe różnią się przede wszystkim wielkością porów, co determinuje stopień oczyszczenia wody. Ultrafiltracja działa jak dokładne sito mechaniczne, zatrzymując bakterie i wirusy, ale przepuszczając minerały i rozpuszczone sole, co czyni ją dobrym wyborem dla wody średniozmineralizowanej. Nanofiltracja jest procesem pośrednim, usuwającym związki organiczne, metale ciężkie i część jonów wielowartościowych (zmiękczającym wodę), ale pozostawiającym drobniejsze jony. Odwrócona osmoza to najdokładniejsza z metod, w której membrana stanowi barierę niemal dla wszystkich substancji rozpuszczonych, produkując wodę o bardzo wysokiej czystości, bliską chemicznie H2O.
Tabela porównawcza technologii filtracji
| Technologia | Zatrzymywane zanieczyszczenia | Wpływ na mineralizację | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Filtracja mechaniczna | Zawiesiny, mętność | Brak wpływu | Ochrona instalacji, filtracja wstępna |
| Filtracja węglowa | Chlor, pestycydy, związki organiczne | Brak wpływu | Poprawa smaku i zapachu wody |
| Ultrafiltracja | Bakterie, wirusy | Minimalny wpływ | Woda średniozmineralizowana |
| Nanofiltracja | Związki organiczne, metale ciężkie, część jonów | Zmniejszenie mineralizacji | Zmiękczanie wody, usuwanie specyficznych zanieczyszczeń |
| Odwrócona osmoza | Praktycznie wszystkie zanieczyszczenia | Znaczne obniżenie mineralizacji | Woda o wysokiej czystości |
Mity i fakty o filtracji wody
Najpopularniejszym mitem jest twierdzenie, że woda z kranu nie wymaga filtracji, bo jest „badana”. Owszem, jest badana w stacji uzdatniania, ale filtr domowy jest polisą ubezpieczeniową na to, co dzieje się w rurach przesyłowych. Innym nieporozumieniem jest wiara, że każdy filtr usuwa bakterie - w rzeczywistości standardowe filtry węglowe tego nie robią, a mogą wręcz sprzyjać ich namnażaniu, jeśli nie są wymieniane.
tags: #filtracja #na #złożu #stałym #zasady #działania
