Kationit: Zastosowanie w Filtracji Wody

Szczegóły: Opublikowano: 20. March 2026

Proces usuwania minerałów z wody zwykle odnosi się do procesu wymiany jonowej, znanego również jako demineralizacja. Woda zdemineralizowana to woda oczyszczona z zanieczyszczeń, minerałów i soli.

Systemy Demineralizacji Wody

Systemy demineralizacji składają się z dwóch zbiorników: jeden z nich zawiera żywicę kationowo-wymienną (kationit) w formie wodorowej (H+), a drugi żywicę anionową (anionit) w formie hydroksylowej (OH-). Woda przepływa przez kolumnę kationową, gdzie wszystkie kationy są wymieniane na jony wodoru. Następnie, woda z usuniętymi kationami przepływa przez kolumnę anionową.

Systemy te usuwają wszystkie jony, łącznie z krzemionką. Zwykle zaleca się zmniejszenie strumienia jonów przechodzącego przez wymieniacz anionowy (jonit anionowy) poprzez instalowanie jednostki do usuwania CO2 pomiędzy zbiornikami. Redukuje to stężenie dwutlenku węgla do kilku mg/l oraz zmniejsza objętość anionowej silnej zasady oraz wymagania reagentów podczas regeneracji.

Ogólnie, system żywicy typu kationit silnego kwasu plus anionit silnej zasady jest najprostszym zastosowaniem, a woda dejonizowana w tym systemie ma wiele zastosowań.

Klasyczna metoda demineralizacji na dwóch kolumnach pociąga za sobą konieczność rozbudowy instalacji o układy magazynowania i dystrybucji NaOH i HCl służących do regeneracji oraz prowadzenia w zakładzie odpowiedzialnej gospodarki wodno-ściekowej związanej z neutralizacją ścieków po regeneracyjnych.

Przeczytaj także: Laktacja a woda gazowana: co warto wiedzieć?

Regeneracja Jonitów

Do regeneracji jonitów silnie kwaśnych używa się zwykle 6% roztworu kwasu solnego (HCl), który magazynowany jest w zbiorniku kwasu w formie zatężonej tj. 33%. W wyniku tej regeneracji powstają ścieki silnie kwaśne o pH 1-2 zawierające duże ilości jonów chlorkowych. Do regeneracji jonitów silnie zasadowych używa się zasady sodowej (NaOH) o stężeniu 4-6%, która magazynowana jest w zbiornikach ługu o stężeniu 42%. W wyniku tego procesu powstają ścieki alkaliczne o pH 11-12. Regeneracja automatyczna następuje samoczynnie, po pogorszeniu się zadanego progu przewodnictwa wody zdemineralizowanej.

Zastosowanie Kationitów w Zmiękczaniu Wody

Cały układ jonitowego zmiękczania wody oraz rodzaj stosowanych kationitów musi być ustalany indywidualnie dla każdego rodzaju wody. W związku z tym, stosuje się wymianę jonową:

w cyklu wodorowym na kationach słabo kwaśnych celem usunięcia twardości węglanowej.
w cyklu wodorowym (słabo kwaśny kationit - silnie kwaśny kationit)
dekarbonizacja i dekationizacja na kationicie silnie kwaśnym pracującym w cyklu sodowym i anionicie silnie zasadowym pracującym w cyklu chlorkowym

Pierwszy z kationitów zapewnia dekarbonizację wody i jej częściowe odsolenie według poniższych reakcji:

2 KtsH + Ca(HCO3)2 ↔ (2 Kts)Ca + + 2 H2O + 2 CO2
2 KtsH + Mg(HCO3)2 ↔ (2 Kts)Mg + 2 H2O + 2 CO2
KtsH + NaHCO3 ↔ KtsNa + H2O + CO2

natomiast drugi z kationitów (KtmNa) powoduje wymianę kationów powodujących twardość niewęglanową:

Przeczytaj także: Kompleksowy przewodnik po oczyszczaczach Sharp i smogu

2 KtmNa + CaCl2 ↔ (2 Ktm)Ca + 2 NaCl
2 KtmNa + MgSO4 ↔ (2 Ktm)Mg + Na2SO4

Pomiędzy jonitami powinien znajdować się odgazowywacz, aby odpędzić dwutlenek węgla obecny w wodzie po dekarbonizacji.

Czasami zamiast układu dwukolumnowego stosuje się kolumnę zawierającą złoże dwuwarstwowe. W takim złożu górną warstwę stanowi KtsH regenerowany HCl, a dolną warstwę KtmNa regenerowany NaCl. Rozwiązanie to pozwala na jednoczesną dekarbonizację i dekationizację wody i jest zalecane do wód o twardości węglanowej stanowiącej ok. 30 - 80% twardości ogólnej.

Układy Połączeń Kationitów

układ II stanowią szeregowo połączone kationity (silnie kwaśny pracujący w cyklu wodorowym i silnie kwaśny pracujący w cyklu sodowym)
układ III stanowią równolegle połączone dwa silnie kwaśne kationity pracujące w cyklu wodorowym i sodowym

W układzie takim kationit wodorowy wymienia wszystkie kationy na jon wodorowy:

2 KtmH + Ca(HCO3)2 ↔ (2 Ktm)Ca + + 2 H2O + 2 CO2
2 KtmH + Mg(HCO3)2 ↔ (2 Ktm)Mg + 2 H2O + 2 CO2
2 KtmH + CaCl2 ↔ (2 Ktm)Ca + 2 HCl
2 KtmH + MgSO4 ↔ (2 Ktm)Mg + H2SO4

Przeczytaj także: Rozwiązywanie problemów z filtrem akwariowym

a wymiana jonów na KtmNa przebiega w następujący sposób:

2 KtmNa + Ca(HCO3)2 ↔ (2 Ktm)Ca + 2 NaHCO3
2 KtmNa + Mg(HCO3)2 ↔ (2 Ktm)Mg + 2 NaHCO3
2 KtmNa + CaCl2 ↔ (2 Ktm)Ca + 2 NaCl
2 KtmNa + MgSO4 ↔ (2 Ktm)Mg + Na2SO4

Woda po obu kolumnach jest mieszana ze sobą w odpowiednich proporcjach, w wyniku czego następuje neutralizacja kwasów mineralnych, obecnych po wymianie w cyklu wodorowym, przez wodorowęglan sodu obecny w wycieku z KtmNa, zgodnie z reakcjami:

NaHCO3 + HCl ↔ NaCl + H2O + CO2
2 NaHCO3 + H2SO4 ↔ Na2SO4 + 2 H2O + 2 CO2

Ostatecznym wynikiem zastosowania takiego rozwiązania jest dekarbonizacja wody, jej zmiękczenie oraz znaczne odsolenie. Aby usunąć CO2 ze zmiękczonej wody należy zastosować jego desorpcję.

Zastosowanie wymiany jonowej na kationitach pracujących w cyklu wodorowym zapewnia usunięcie twardości węglanowej i niewęglanowej. Jonitowa dekarbonizacja:

2 KtsH + Ca(HCO3)2 ↔ (2 Kts)Ca + 2 H2O + 2 CO2
2 KtsH + Mg(HCO3)2 ↔ (2 Kts)Mg + 2 H2O + 2 CO2
KtsH + NaHCO3 ↔ KtsNa + H2O + CO2

przebiega na słabo kwaśnym kationicie. Natomiast wymiana kationów związanych z resztami silnych kwasów:

2 KtmH + CaCl2 ↔ (2 Ktm)Ca + 2 HCl
2 KtmH + MgSO4 ↔ (2 Ktm)Mg + H2SO4

zachodzi na kationicie silnie kwaśnym.

Efekt jednoczesnej dekarbonizacji i dekationizacji można również uzyskać stosując jedną kolumnę jonowymienną wypełnioną złożem dwuwarstwowym. W takim złożu kationit słabo kwaśny, będący górną warstwą, stanowi do 50% objętości złoża, a regenerację złoża należy prowadzić przeciwprądowo. Otrzymana woda po kationicie pracującym w cyklu wodorowym ma charakter korozyjny, wymaga usunięcia CO2 i neutralizacji kwasów mineralnych.

Taki układ może być realizowany z użyciem oddzielnych szeregowo połączonych kolumn (silnie kwaśny kationit pracujący w cyklu sodowym i silnie zasadowy anionit pracujący w cyklu chlorkowym) lub w jednej kolumnie (zawierającej AnmCl i KtmNa). Wykorzystanie kationitu i anionitu zapewnia jednoczesną dekationizację i dekarbonizację bez konieczności usuwania CO2 (jako NaHCO3 jest on wymieniany na anionicie). Opisany proces przedstawiają reakcje:

NaHCO3 + AnmCl ↔ AnmHCO3 + NaCl
Na2SO4 + 2 AnmCl ↔ (2 Anm)SO4 + 2 NaCl

Anionit silnie zasadowy w formie chlorkowej pozwala na wymianę także innych anionów na jony chlorkowe, a uzyskana woda jest rozcieńczonym roztworem NaCl. Rozwiązanie takie jest rzadko stosowane w technologii oczyszczania wody ze względu na duży koszt silnie zasadowego anionitu, znaczny wzrost stężenia chlorków oraz duże zużycie NaCl do regeneracji złoża.

Regeneracja Jonitów - Przywracanie Zdolności Wymiennej

O przebiegu i efektach wymiany jonów w następnym cyklu decyduje regeneracja właściwa jonitów. Jej celem jest przywrócenie zużytemu złożu jonowymiennemu pierwotnej zdolności wymiennej. Polega ona na usunięciu z grup funkcyjnych przyłączonych w czasie wymiany przeciwjonów i wprowadzeniu na ich miejsce odpowiednich jonów ruchliwych.

Można to uzyskać przepuszczając przez regenerowane złoże roztwór czynnika regenerującego w ilości większej niż zapotrzebowanie teoretyczne. Zwykle jest to 2 - 5% roztwór czynnika regenerującego i jego nadmiar do 30%. Najczęściej do regeneracji złóż jonitowych stosuje się roztwory HCl, NaCl, CaCl2, NaOH, NH4OH, Na2CO3 lub H2SO4 (rzadko). Czas regeneracji wynosi od 20 do 30 minut (dla kationitów jest krótszy niż dla anionitów), a prędkość przepływu czynnika regenerującego przez złoże wynosi od 2 do 5 m/h.

Dość kłopotliwe jest przeprowadzenie właściwej regeneracji wymienników dwujonitowych (tzw. mieszanych) zawierających kationit i anionit. Wynika to przede wszystkim z trudności określenia ilości czynników regenerujących anionit i kationit. W rozwiązaniach, w których stosuje się kationit pracujący w cyklu wodorowym i anionit w cyklu wodorotlenowym z roztworem NaOH, wprowadza się jony Na+ wykorzystujące zdolność wymienną kationitu, a aniony (obecne w roztworach użytych do regeneracji kationitu) zużywają zdolność wymienną anionitu.

W praktyce dąży się do stosowania takich sposobów regeneracji, które pozwoliłyby zmniejszyć zużycie reagentów oraz ilość ścieków powstających w wyniku regeneracji. Jednym z takich rozwiązań jest regeneracja przeciwprądowa (trudna do stosowania w warunkach technicznych), podgrzewanie roztworów reagentów, stosowanie w układzie szeregowo połączonych kationitów słabo i silnie kwaśnych oraz anionitów słabo i silnie zasadowych lub też powtórne wykorzystywanie do wstępnej regeneracji ostatniej objętości niecałkowicie wykorzystanego czynnika regenerującego.

Najczęściej do regeneracji, podczas której reakcje przebiegają w odwrotną stronę, w praktyce stosuje się chlorek sodu, gdyż wytworzone wówczas chlorki wapnia i magnezu dobrze rozpuszczają się w wodzie. Niestety niesie to za sobą problem nadmiernego zasolenia wód i ścieków.

Zasolenie Wód i Ścieków

Zasoleniem nazywamy groźne zanieczyszczenie wody/ścieków, które polega na nadmiernej koncentracji łatwo rozpuszczalnych soli chlorków i siarczanów. Dostarczane są one m. in. Głównym źródłem tych ścieków są kotłownie, elektrownie i elektrociepłownie. Ponadto znaczny ładunek soli wprowadzany jest przez wody (ścieki) potrawienne, głównie z hut. Na podstawie orientacyjnych szacunków, uwzględniających z jednej strony ilość ścieków przemysłowych (bez wód pochłodniczych) oraz ich zasolenie, a z drugiej strony zużycie przez przemysł NaCl, HCl i H2SO4, można przyjąć, że zakłady przemysłowe wprowadzają do wód ładunek soli wahający się w granicach 400 000 - 800 000 ton rocznie.

Coraz częściej wskazuje się, że wzrost zasolenia ścieków może być wynikiem problemów związanych właśnie z zagospodarowaniem koncentratów powstających podczas demineralizacji i odsalania wody.

Wody zasolone nie mogą być wykorzystywane ani w rolnictwie ani w przemyśle, a ich oczyszczanie jest bardzo trudne i wymaga znacznego nakładu kosztów. Poza tym, nadmierne stężenie soli w rzekach, po zrzucie ścieków zasolonych, niszczy ich faunę i florę, powoduje korozję instalacji przemysłowych, zakładów korzystających z takiej wody, a także korozję sieci wodociągowych i kanalizacyjnych.

Podwyższone zasolenie wody może wpływać na populację mikroorganizmów realizujących proces biologicznego oczyszczania ścieków. Niewiele zwierząt lub roślin na kuli ziemskiej toleruje jednocześnie warunki środowiska zasolonego lub niezasolonego. Oddziaływanie chlorków zasadniczo wiąże się ze zmianami ciśnienia osmotycznego. Zakłóca ono czynności fizjologiczne mikroorganizmów, w tym mechanizmy transportu przez błony komórkowe, przy czym chlorki w zasadzie nie podlegają reakcją biochemicznym.

Poza tym, znaczne zasolenie wody skutkuje pogorszeniem efektywności usuwania związków organicznych ze ścieków. Doniesienia literaturowe dotyczące procesów nitryfikacji i denitryfikacji w ściekach silnie zasolonych nie są całkowicie jednoznaczne. Większość badań wskazuje na dużą zdolność aklimatyzacji tych procesów przy zasoleniu chlorkami rzędu 10 kg Cl‑/m3.

Wpływ Zasolenia na Procesy Oczyszczania Ścieków

Zupełnie inaczej wygląda problem zasolenia ścieków przy coraz częściej i powszechnie wdrażanej technice wzmożonego biologicznego usuwania fosforu. Wykazano możliwość bardzo silnej inhibicji procesu wzmożonego biologicznego usuwania fosforu już przy stosunkowo niewielkim zasoleniu ścieków. Odnotowano wzmożone usuwanie fosforanów jedynie przy względnie niskiej zawartości chlorku sodu, tj. 0,03% - 0,1%. Przy wzroście stężenia NaCl od 0% - 6% obserwuje się znaczne pogorszenie efektywności procesu (z 84% do 22%).

Oprócz tego, udowodniono, że stężenie jonów sodu powyżej 3500 g/m3 znacznie ogranicza procesy anaerobowe, a stężenie jonów chlorkowych powyżej 180 g/m3 hamuje proces nitryfikacji. Typowe stężenie jonów sodu i jonów chlorkowych w solance poregeneracyjnej wynosi odpowiednio 6 000 g/m3 i 10 000 g/m3.

Procesy wstępnego oczyszczania ścieków zachodzące w szambie mogą być zakłócone przez obecność dużej ilości soli (2 kg/tydzień). Obserwuje się wówczas wyraźną tendencję do rozwarstwiania się ścieków i rozrastania na powierzchni słonego kożucha, co jest bardzo niekorzystne z punktu widzenia eksploatacji tych urządzeń. Niektórzy producenci systemów oczyszczania ścieków wręcz zawierają w gwarancji klauzulę zakazującą oczyszczania ścieków zawierających solanki poregeneracyjne.

Obecność słonych ścieków powoduje spadek wydajności oczyszczalni ścieków. Aktualnie szacuje się, że obecność solanki w ściekach może nawet potroić koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemu oczyszczania ścieków - pogorszeniu ulega wydajność procesów oczyszczania jak i szybciej zużywają się instalacje.

Nadmierne zasolenie wód przedostających się do środowiska naturalnego powoduje pogorszenie jakości wód podziemnych, co z kolei wpływa negatywnie m. in. na plony.

Wpływ Zmiękczania Wody na Zdrowie i Środowisko

Celem stosowania zmiękczaczy regenerowanych solą jest wyprodukowanie wody miękkiej, czyli takiej, która charakteryzuje się niskim stężeniem minerałów i lekko kwaśnym odczynem. Niestety zbyt miękka woda ma negatywny wpływ na organizm ludzki - w przeciwieństwie do wody twardej, która na ogół ma obojętny lub pozytywny wpływ. Dlatego też nie jest wskazane zmiękczanie twardej wody spożywczej. Badania wskazują, że śmiertelność z powodu chorób naczyniowych jest większa u osób pijących wodę miękką.

Również występuje zależność pomiędzy ciśnieniem tętniczym a twardością wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Picie wody zmiękczonej na jonicie regenerowanym solą przez ludzi na diecie niskosodowej może być bardzo szkodliwe ze względu na obecność jonów sodu, które podczas zmiękczania zastąpiły jony wapnia i magnezu. Poza tym, wody miękkie sprzyjają rozwojowi procesu korozji w przewodach wodociągowych oraz łatwiej wypłukują metale ciężkie (miedź, ołów) z instalacji sanitarnych, zwłaszcza po podgrzaniu wody.

Uznaje się, że wyprodukowanie 1000 litrów wody miękkiej omawianą metodą powoduje powstanie ok. 100 litrów zasolonych ścieków.

Regulacje Prawne w Stanach Zjednoczonych

Ze względu na powstawanie zasolonych ścieków, wysokich kosztów ich oczyszczania, ich oddziaływania na zasoby wody słodkiej i ilość plonów, jak również na zdrowie konsumentów, w Stanach Zjednoczonych coraz częściej zabrania się stosowania zmiękczaczy regenerowanych solą. Na razie zakazy te są wprowadzane lokalnie i leżą w gestii lokalnych władz i samorządów. Zakazy takie wprowadzono w stanach Kalifornia, Michigan, Connecticut, Texas, Massachusetts i dotyczą zarówno używania jak i instalowania nowych zmiękczaczy regenerowanych solą.

Dostępne Na Rynku Żywice Jonowymienne

Lewatit S1567 jest profesjonalnym, monosferycznym (monodyspersyjnym) złożem jonowymiennym. Cechuje je bardzo wysoka stabilność chemiczna i osmotyczna. Dzięki tym cechom złoże może być poddawane dezynfekcji. Złoże charakteryzuje wyższa niż w przypadku żywic polidyspersyjnych zdolność jonowymienna oraz dopuszczalne przepływy wody.
Jest silnie kwaśną, polistyrenową sulfonianową żywicą kationowymienną. Zaprojektowana specjalnie do zastosowań w przemyśle spożywczym oraz do uzdatniania wody pitnej i użytkowej. Parametry żywicy spełniają rygorystyczne normy wymagane przy kontakcie z wodą przeznaczoną do spożycia. Żywica może mieć zastosowanie w domowych i przemysłowych urządzeniach do zmiękczania wody.
Aquafilter 999-SK1BK to atestowane złoże zmiękczające, funkcjonalnie analogiczne do produktów firm Amberlite SR1L, Purolite C-100E, ROHM&HAAS itp.
INDION-25L : Złoże zmiękczające (kationit/kwaśny jonit). Wydajne złoże do zmiękczania wody. Złoże w postaci tzw żywicy granulowanej.

Porównanie wybranych żywic jonowymiennych
Nazwa Żywicy	Typ	Zastosowanie	Charakterystyka
Lewatit S1567	Monosferyczna żywica kationowa	Zmiękczacze wody	Wysoka stabilność chemiczna i osmotyczna, możliwość dezynfekcji
Aquafilter 999-SK1BK	Żywica kationowa	Zmiękczanie wody pitnej	Atestowane złoże, analogiczne do produktów innych firm
INDION-25L	Kationit/kwaśny jonit	Zmiękczanie wody	Wydajne złoże w postaci żywicy granulowanej

tags: #kationit #zastosowanie #w #filtracji #wody