Technické informace

Následující informace jsou určeny všem, kteří mají zájem o ionexové hmoty a chtějí se dozvědět o jejich základních vlastnostech, použití, manipulaci atd. Jedná se především o informace pro aplikaci v průmyslových provozech, úpravnách vody a všude, kde se tyto ionexové technologie používají.

Samozřejmě, že nezapomínáme na vás, naše zákazníky - AKVARISTY, kteří používáte ionexové hmoty v akvaristice. Především pro vás je určen odkaz "AKVARISTA-KUTIL", kde naleznete veškeré  informace potřebné pro výběr správného typu katexu a anexu do kolony nebo ionexu na odstranění dusičnanů. Dále zde naleznete informace o správném použití a regeneraci, přípravě roztoku na regeneraci a o všem, co ke správnému použití ionexu potřebujete.

1. IONEXY - iontoměniče - měniče iontů

Ionex je měnič iontů. Jedná se o vysokomolekulární látku s dostatečnou pórovitostí,kdy základní skelet na povrchu nese náboj. V praxi používané měniče iontů (ionexy) jsou většinou syntetické vysokomolekulární organické látky, nejčastěji na bázi styrenu, polyakrylátu, fenolformaldehydových pryskyřic a podobně. Jako síťovací činidlo je použit obvykle divinylbenzen v různých koncentracích, jejichž výše ovlivňuje do značné míry selektivní a bobtnací vlastnosti ionexu. Na polymerním skeletu je ukotvena funkční skupina, která je ve vodném prostředí schopná disociace(disociace je děj, při kterém dochází ke štěpení komplexů, molekul nebo solí na menší molekuly, ionty nebo radikály). Tato skupina nese náboj, který je kompenzován protiiontem. Podle druhu protiontu rozlišujeme různé pracovní cykly (nebo také formy ionexu).

DĚLENÍ IONEXŮ

Anex

Anex je měnič aniontů. Funkční skupina anexu má kladný náboj, protiiont záporný náboj. Nejčastějšími protionty jsou OH- (jedná se o anex v OH cyklu), nebo Cl- (anex v Cl cyklu). Cílem anexu je odstranění aniontů z vodného roztoku.

Dělení anexů

Podle schopnosti disociace/protonizace dělíme anexy na

  • silně bazické

jsou schopny disociace při jakémkoli pH. Funkční skupina je tvořena kvartérní amoniovou solí. Rozlišují se dva typy silně bazických anexů - typ I, který má na atomu dusíku navázané tři methylové skupiny; a typ II, který má na dusíku odlišné skupiny (dvě methylové skupiny a jednu hydroxyethylovou). Dalším typem je pak selektivní ionex pro odstraňování dusičnanů z pitné vody, který má na dusíku navázané tři ethylové skupiny. Zatímco Typy I a II upřednostňují vazbu se síranovým aniontem před dusičnanovým, tento ionex upřednostňuje vazbu s dusičnanovým aniontem.
 

  • slabě bazické 

protonizují pouze v neutrálním a kyselém pH, obvyklou funkční skupinou bývají aminoskupiny.


 
Katex

Katex je měnič kationtů. Funkční skupina katexu má záporný náboj, protiiont kladný náboj. Nejčastějšími protionty jsou H+ (jedná se o katex v H cyklu), nebo Na+ (katex v Na cyklu). Cílem katexu je odstranění kationtů z vodného roztoku.

Dělení katexů

Katexy se dají rozdělit na

  • silně kyselé

- disocijují při všech hodnotách pH. Funkční skupinou bývá -SO3H, která disocijuje na -SO3-

  • slabě kyselé

- disocijují pouze v neutrálním a zásaditém pH. Funkční skupinou bývá karboxylová skupina -COOH, která disocijuje na -COO- 
 
Selektivní vlastnosti ionexů

Schopnost ionexů vázat na sebe určitý druh iontů a síla této vazby závisí na mnoha parametrech:

• velikost pórů ionexu
• charakter protiontů
• náboj iontu (s rostoucím nábojem roste afinita)
• poloměr iontu v jeho hydratovaném stavu (při stejném náboji iotu s klesajícím  poloměrem roste      afinita)
• polarizovatelnost iontu (s polarizovatelností roste afinita)
• schopnost tvořit asociáty nebo komplexy s ionty fixovanými na ionexu (afinita roste)
• schopnost tvořit asociáty nebo komplexy s ionty v roztoku (afinita klesá)
Pro každý typ ionexu se sestavují selektivitní řady - což je řada kationtů nebo aniontů uspořádaných podle vrůstající, nebo klesající afinitě k ionexu.
Další dělení ionexů
Podle složení se ionexy dělí na organické a anorganické. Obě skupiny se dál dělí na umělé a přírodní ionexy. Mezi přírodní organické ionexy patří například huminové látky, sacharidy, fulvokyseliny, atd. Mezi přírodní anorganické ionexy řadíme hlinitokřemičitany (hlavně zeolity). V jejich struktuře jsou některé atomy křemíku (s nábojem +4) nahrazeny trojmocným kovem (obvykle železem nebo hliníkem), případně některý atom trojmocného hliníku nahrazuje atom dvojmocného kovu (vápník, hořčík, železo) - v těchto místech vzniká záporný náboj. Syntetické organické ionexy se v praxi používají nejčastěji, jejich základem jsou polymeru styrenu, divinylbenzenu, a podobně. Existují i syntetické anorganické ionexy - například syntetické zeolity, které se dají vyrobit i z elektrárenských popílků. Jejich vlastnosti se dají do určité míry ovlivnit.
Ionexy se podle velokosti pórů dělí na gelové a na makroporézní. Gelové ionexy mají menší velikost pórů (řádově nanometry), jsou vhodné spíš pro výměnu menších iontů a jsou mechanicky méně odolné. Makroporézní ionexy mají velikost pórů uměle zvýšenou na stovky nanometrů. Jejich vnitřní struktura je pravidelnější, jsou tak více mechanicky odolné a mají vyšší stupeň zesíťování, výměna iontů je rychlejší. Mívají však menší objemovou kapacitu.

        Parametry ionexu

• Bobtnavost - bobtnavost vyjadřuje míru bobtnání, vyjadřuje se jako nárůst objemu ionexu po namočení ve vodě, udává se v %
• Zrnění - udává velikost zrn ionexu. Udává se rozsah zrnění, případně koeficient stejnozrnnosti (obvykle jako podíl d60 ku d10, kde d10 je průměr zrn, jehož hodnoty dosahuje a překračuje 90% materiálu; d60 je průměr zrn, kterého dosahuje nebo překračuje 40% materiálu)
• Procento zesíťování - určuje odolnost ionexu. Udává se jako procentuální podíl divinylbenzenu.
• Stabilita ionexu - Ionex mohou narušit oxidační činidla, mechanická destrukce a teplota - zvýšení teploty ohrožuje obzvlášť silné anexy II. typu, které se rozkládají již při 50-80°C.
• Selektivita ionexu
• Specifické zatížení ionexu - objem vody zpracovaný 1m3 ionexu za určitý čas
• Výkon ionexu - objem upravené vody za určitý čas
• Hustota ionexu
• Celková kapacita ionexu - látkové množství funkčních skupin ionexu, přepočítaná na jednomocné ionty, udává se jako val.l-1
• Užitková kapacita ionexu - látkové množství iontu (vyjádřené jako jednomocné ionty), které ionex zachytí do okamžiku průniku

Jaká je maximální teplota média zpracovávaného na ionexech?

To záleží v první řadě na technologii, ale v případě úpravy vody platí :
a) katex - maximální špičková teplota je 130 °C s vyjímkou makroporézních typů, které je možno trvale provozovat při teplotě 130 °C.
b) anex - maximálně 60 °C poté dochází k degeneraci ionexu.
V každé případě dochází k rychlému a nevratnému opotřebení ionexů.

Regenerace ionexu

Účelem regenerace je nakypřit katexovou náplň, odstranit mechanické nečistoty zachycené během pracovního cyklu a obnovit funkční schopnost vyčerpané náplně tím, že se zachycené ionty vápníku a hořčíku opět vymění za ionty sodíku, obsažené v solance po regeneraci. Vápník a hořčík odejdou ve formě chloridů do odpadu z regenerace.
Začíná praní ionexu vodou zdola nahoru takovou rychlostí, aby ionex neunikl horním odpadem, ale aby byl dostatečně nadlehčen. Praní slouží jednak k nakypření ionexu stlačeného provozem jednak, a to hlavně, odstranění mechanických nečistot zachycených náplní během pracovního cyklu. Praní se provádí cca 15 - 25 min, podle stupně znečištění ionexu. Ukončí se, když odtékající voda je čistá.
Po ukončení praní se náplň ponechá cca 15 minut v klidu, aby došlo k usazení náplně. Poté se zahájí vlastní regenerace shora dolů roztokem soli v koncentraci 8 - 10 % NaCl tak, aby roztok protékal ložem alespoň 40 minut. Množství soli je dáno kapacitou ionexu a objemem náplně. Obecně lze říci, že dávka regenerátu by měla být cca 160 - 200 g krystalické soli na 1 litr ionexu. Po spotřebování roztoku soli se provede vytěsnění solanky stejnou rychlostí jako regenerace po dobu cca 30 - 40 minut. Pak se provede rychlé vymytí až do vymizení tvrdosti ve výstupní vodě. Tím je filtr připraven k dalšímu provozu.

Životnost ionexových náplní

Životnost katexových náplní v procesu změkčování je velmi závislá na kvalitě ionexu, která je dána výrobcem ( ne všichni výrobci dodávají stejně kvalitní katexy ), a dále na čistotě vstupní vody. Pokud je vstupní voda dobře předupravená voda přírodní, prostá chloru, může být životnost katexu od dobrých výrobců až dvacet let. Jinak tomu je, pokud je vstupní voda směsí kondenzátu a předupravené vody nebo jen čistý kondenzát. V těchto případech dochází k postupnému zanášení katexu železem, přítomným v kondenzátu a pomalu se snižuje užitečná kapacita katexu. Příčina tohoto jevu spočívá v tom, že roztok solanky, používaný k regeneraci katexu není schopen kvantitativně odstranit veškeré železo, zvláště pak to, které je v trojmocné formě. Některé druhy ionexů pak degradují vlivem oxidačního působení trojmocného železa, které současně tuto reakci autokatalizuje. Dobré jonexy jsou schopny tento stav bez poškození přestát a za použití vhodných chemikálií je možné prakticky veškeré zachycené železo čas od času úspěšně odstranit a tím prodloužit životnost ionexu až na 10 - 15 let. Odstranění vázaného železa vyžaduje jednak vysokou odbornost jednak speciální chemikálie a proto doporučujeme obrátit se na náš technický servis. Jen ten může zaručit provedení nápravy bez vzniku velkých škod.

Výměna katexové náplně

Poškození katexové náplně ať už stářím nebo degradaci do té míry, že nelze náplň oživit, je nutné provést výměnu náplně. K tomu je potřeba nejprve zajistit náplň novou. S jejím výběrem pro Váš provoz s ohledem na optimální využití při nejnižší ceně Vám ochotně a rádi pomohou naši technici. Po zajištění nové náplně je nutné odstranit sterou náplň z filtru, filtr vymýt a dokonale zbavit steré náplně. U takto vymytého filtru se provede revize veškerých armatur, vnitřních vestaveb, kontrola a doplnění trysek a odstraní se všechny zjištěné závady. Tuto práci doporučujeme svěřit našim odborníkům, neboť ceny nových ionexů představují značné finanční zatížení a každá chyba, způsobená nedostatečnou odborností může přinést velké ztráty. Teprve po splnění shora uvedených podmínek je možné bez rizika naplnit filtr novou náplní. Po naplnění nového katexu se náplň ponechá v klidu dle doporučení výrobce, odstraní se prachové podíly filtr je připraven k dalšímu provozu, při správné volbě na 15 - 20 let.

 
VYUŽITÍ VODY VE VÝROBĚ A PŘENOSU TEPLA - POUŽITÍ IONEXU

Využití vody ve výrobě a přenosu tepla - použití ionexů

Při výrobě a přenosu tepla se jako teplosměnné médium všeobecně používá voda nebo pára o různých parametrech. Přírodní voda však obsahuje některé soli, které při změnách teploty mění své chemické složení a přitom vznikají nerozpustné sloučeniny, které na teplosměnných plochách vytvářejí nerozpustné nánosy, (tzv. kotelní kámen) zhoršující přestup tepla. Nánosy zhoršují přestup tepla natolik, že výměník se posléze stává neekonomickým a je nutné jej vyměnit. Aby k těmto jevům nedocházelo, používá se pro plnění tepelných systémů voda změkčená, kterou lze získat vhodnou úpravou přírodní vody. Celý proces je nazýván změkčování a k dosažení cíle se používají látky, schopné odstranit z vody pávě ty soli, které vytvářejí nerozpustné usazeniny, což jsou soli vápníku a hořčíku převážně jejich uhličitany. Látky, které dokáží odstranit z vody vápník a hořčík (případně i jiné kationty) se nazývají katexové iontoměniče, zkráceně katexy. Základem katexu je plastová kulička, vyrobená z polystyrenu a divinylbenzenu. Na takto získanou plastovou kuličku se vhodným způsobem naváže tzv. funkční skupina, v tomto případě skupina SO3H, což je zbytek
kyseliny sírové. Tato skupina je schopná vyměňovat vodík za různé ionty kovů, na př. sodík, vápník, hořčík, draslík, železo apod. Podle požadavků je možno provozovat ionex v různých režimech. Pro změkčování se používá tzv. sodíkový cyklus, to znamená, že vodík ve funkční skupině je nahrazen sodíkem a v pracovním cyklu dochází k výměně sodíku za vápník a hořčík z upravované vody a tím ke vzniku sodných solí, jejichž rozpustnost je i při zvýšené teplotě dobrá a nemůže tedy dojít ke vzniku nerozpustných nánosů. Proces změkčování probíhá tak dlouho, dokud nejsou funkční skupiny obsazené sodíkem vyčerpány a ionex propouští zachycované ionty vápníku. Pracovní cyklus ionexu tím končí a je nutné ionex zregenerovat.

ZÁSADY SPRÁVNÉHO PROVOZU IONEXOVÝCH FILTRŮ

Základní předpoklady

Voda vstupující na ionexy musí být čirá, zbavená mechanických nečistot, suspendovaných látek a koloidních částic. Ionexové filtry nemají sloužit jako mechanický filtr. Při předřazeném čiření nebo dekarbonizaci vápnem nemá na ionexech docházet k dobíhání srážecích reakcí.
Vstupní voda na ionexy nesmí obsahovat olej (například při změkčování kondenzátu) a volný chlór v množství vyšším než 0,2 mg/l. Má obsahovat co nejmenší množství neiontového železa a hliníku.
Většina závad v provozu ionexových filtrů je způsobena nedokonalou nebo špatně provozovanou předúpravou a nedostatečným, popřípadě málo intenzivním praním.

Plnění filtru ionexem

Čerstvý ionex plníme do filtru naplněného zčásti vodou. U větších průměrů ionexových filtrů používáme k plnění jen takových prostředků, u nichž nemůže dojít k mechanickému poškození a vysokému otěru ionexu. Ionex plníme zpravidla pouze do poloviny filtru, aby byl dostatečný expanzní prostor k důkladnému praní. Pak necháme ionex 24 hodin nabotnat, přitom občas nakypříme ionexové lože zespodu vodou. Po nabotnání ionex vodou intenzivně vypereme zdola  tak, abychom odplavili prachové podíly ionexu ( Plníme-li při změkčování vody katex do nechráněného (nepogumovaného) filtru, přesvědčíme se zkusmo, zda katex není v H+formě. Provedeme to protřepáním malého vzorku katexu se surovou vodou v kádince, kde po protřepání zkusíme, zda reakce vody není kyselá (stanovením acidity nebo zjištěním pH). V kladném případě (katex je v H+formě) naplníme rychle filtr katexem a katex (pokud není dodán již vlhký, nabotnalý) necháme nabotnat pouze 1-2 hodiny, zregenerujeme 2-3násobným množstvím NaCl a vymýváme surovou vodou tak dlouho, dokud z filtru vytéká kyselá voda. Při tom je třeba mít na paměti, že ve filtru působením minerální kyseliny na kov vzniká vodík. Rovněž samotný katex v H+formě působí korozivně. Prostor úpravny je proto třeba dobře větrat, nemanipulovat s otevřeným ohněm a nekouřit. Při nedodržení těchto pokynů hrozí v krajním případě i nebezpečí exploze.

Praní

Hlavním účelem praní je odstranění nečistot zachycených ionexem a nakypření ionexu po pracovním období. Doba praní se řídí kvalitou výstupního filtrátu, který musí být čirý nebo alespoň je jeho čirost srovnatelná s čirostí vstupní prací vody. Velmi důležitou záležitostí je zabránění jakémukoliv úniku ionexu do kanálu. Je proto nutno dodržet některá opatření :
trvalá přítomnost obsluhy při praní
postupné zvyšování průtoku prací vody
sledování hladiny ionexu v průzorníku filtru při praní
kontrolní odběr vzorků filtrátu s ohledem na event. únik ionexu
zabránit současnému praní vodou a vzduchem
instalovat lapač ionexu do filtru
Zvýšení účinnosti praní lze provést střídavým praním vodou a vzduchem. Základní postup je takový :
voda ve filtru se odpustí do horního průhledítka
obsah filtru se asi 5 minut zamíchá vzduchem
vzduch se odstaví a obsah se pere prací vodou postupným zvyšováním průtoku
toto se opakuje nejméně 3 x nebo do okamžiku, kdy filtrát je již čirý

Regenerace

Účelem regenerace je pomocí regeneračního činidla převést ionex zpět do činné formy, což je v případě změkčování do formy Na". Při regeneraci musí být dodržena tato základní pravidla :
předepsaná a doporučovaná koncentrace regeneračních činidel, která je :


pro silně  kyselé katexy :

5 - 10 % NaCl nebo HCl

pro slabě  kyselé katexy :

1 - 5 % HCl

pro slabě  a silně bázické anexy

2 - 4 % NaOH

předepsané  a doporučované množství  regeneračních činidel, které je :

pro silně  kyselé katexy

souproud   90 - 100 g/1  litr ionexu
protiproud  50 - 66 g/1  litr ionexu

pro slabě  kyselé katexy  

80 - 200 g/1  litr ionexu

pro silně  bázické anexy I. typu

80 - 120 g/1  litr ionexu

pro silně  bázické anexy II. typu

60 - 100 g/1  litr ionexu

pro slabě  bázické anexy

60 - 80 g/1  litr ionexu


Předepsaná a doporučovaná doba regenerace

Obecně se doporučuje doba regeneraceod 30 do 45 minut, v provozní praxi se zpravidla dodržuje doba regenerace v rozmezí od 45 do 60 minut.
Předepsaná a doporučovaná teplota.
Na regeneraci katexů nemá teplota regeneračního činidla prakticky žádný vliv, naproti tomu při regeneraci anexů je doporučována teplota regeneračního činidla od 30 do 50 °C.


Vymývání

Účelem vymývání je odstranit z ionexu přebytečný regenerační roztok, při regeneraci vytěsněné ionty a docílit kvalitu vody. Vymývání ionexu probíhá ve dvou fázích.
Při první fázi, tzv. pomalém vymývání nebo vytěsňování, se vymývací voda vede ionexovým filtrem stejnou rychlostí jako předtím regenerant. Účelem této operace je prodloužit působení regeneračního činidla, které po ukončené regeneraci ještě zbylo v ionexovém filtru. Pomalé vymývání se provádí stejným objemem vymývací vody jako je objem ionexové náplně ve filtru.
Druhá fáze je tzv. rychlé vymývání a provádí se při stejném specifickém zatížení jako při pracovním období. Konec vymývání je dán okamžikem, kdy upravena voda dosáhne kvality potřebné pro daný provoz.


Pracovní období

Trvá po skončeném vymývání ionexu a trvá do okamžiku, kdy kvalita upravené vody se zhorší nad přípustnou mez, je to tzv. průnik. Při pracovním období je třeba nepřekračovat trvale maximální výkon filtru a kvalitu upravené vody buď trvale (provozní analyzátory) nebo periodicky (např. laboratorní rozbory) kontrolovat.


ZMĚKČOVÁNÍ

Jak bylo konstatováno, je změkčování výměna iontů, které způsobují tvrdost vody, tedy Ca2+ a Mg2+ za ionty Na+, které v upravené vodě nevadí.


PRANÍ

 V provozu se provádí buď surovou nebo čířenou vodou.


REGENERACE

regeneračním činidlem je solanka, což je vodný roztok NaCl. Množství regeneračního činidla je 200 g NaCl / 1 litr ionexu o 10 % koncentraci. Doba regenerace se pohybuje v rozmezí od 30 do 60 minut, NaCl se rozpouští pro regenerační účely ve změkčené vodě.

PŘÍPRAVA SOLANKY

Připravuje se dvěma způsoby a to buď v tlakové nádobě nebo v zásobní jímce.


Tlaková nádoba

Do tlakové nádoby se nasype NaCl, nádoba se uzavře a dovnitř se tangenciálním potrubím přivádí změkčená voda, která sůl rozpouští a tento roztok se vede do ionexového filtru.

Zásobní jímka

NaCl se rozpouští v zásobní jímce, odkud se nasycený roztok NaCl čerpá do odměrky, kde se buď ředí na předepsanou koncentraci a čerpadlem se vede do filtru k regeneraci nebo se z odměrky nasycený roztok NaCl vede pomocí injektoru již jako regenerant o předepsané koncentraci do filtru.
Vhodnými regeneračními postupy a jejich kombinacemi lze dosáhnout významných úspor NaCl. Jako příklad lze uvést alespoň tři z nich.
1. První podíl vymývací vody z vytěsňování lze použít k předregeneraci katexu při následující regeneraci. Tímto způsobem lze dosáhnout 20 % úspory NaCl.
2. Sériově zapojit dva katexové filtry a provádět jejich spojenou regeneraci odzadu.
3. Provádět regeneraci dvěma nebo opačným směrem než protéká upravovaná vody. Jedná se o tzv. dvouproudou nebo protiproudou regeneraci.
Posledně jmenovanými postupy lze uspořit 20 - 30 % NaCl.
Při změkčování vod s velmi vysokou tvrdostí a vysokým obsahem sodíku je nutno použít vyšších regeneračních dávek. Vzhledem k tomu, že v těchto případech je spotřeba NaCl na jednotku změkčené vody vysoká, jsou zde úsporné postupy na místě. Zpravidla se používá sériové zapojení dvou změkčovacích filtrů, výhodnější je ovšem použití protiproudé nebo dvouproudé regenerace. V některých případech je lepší použít sériového zapojení silně a slabě kyselého katexu. Slabě kyselý katex jako druhý stupeň slouží k zachycování zbytkové tvrdosti upravené vody a regeneruje se dvoustupňově. Nejprve se regeneruje minerální kyselinou a pak NaOH. S výhodou lze použít i sériového zapojení silně a slabě kyselého katexu se spojenou regenerací obou katexů NaCl.


VYMÝVÁNÍ

Zpravidla se provádí buď surovou nebo čířenou vodou. Při vymývání se sleduje ve výstupu z filtru hodnota tvrdosti a při dosažení nulové tvrdosti se vymývání ukončí.


PRACOVNÍ OBDOBÍ

nastává po ukončení vymývání, vstupní vodou je buď voda surová nebo čířená. V průběhu pracovního období dochází k výměně iontů Ca2+ a Mg2+ za ionty Na+. Konec pracovního období je charakterizován zvýšením tvrdosti (jako první proniká iont Mg2+).

Může ionex zmrznout ?

V zásadě ano, výrobci provádí náročné laboratorní testy, jejichž výsledky srovnávají se zkušenostmi svých zákazníků. Výsledky těchto testů prokázaly, že ionex může během skladování zmrznout. Je ale zapotřebí dodržet několik podmínek :
1) Nesmí dojít k tepelným šokům (ionex musí rozmrzat pozvolna)
2) Nesmí dojít k mechanickému namáhání ionexu (např. odebírání vzorku).
Pro jistotu doporučuji až Vám ionex roztaje, odeberte vzorek a pošlete nám jej k posouzení.