Ионообменные смолы | Любителям аквариума

Ионообменные смолы.

Ионообменные смолы — нерастворимые синтетические высокомолекулярные (полимерные) соединения, способные вступать в реакции обмена с ионами раствора. С помощью ионообмена можно извлечь из воды до 90% ионов аммония, нитратов и фосфатов. Ионообменный материал — это гранулированные или синтетические смолы, которые способны извлекать из воды ионы путем обмена их на ионы другого типа, но с тем же электрохимическим зарядом. Ионообменные смолы подразделяются на сильные и слабые катиониты и на сильные и слабые аниониты. То есть они способны улавливать из воды ионы различных веществ и “впитывать” их в себя, отдавая взамен “запасенные” ранее ионы. Таким образом осуществляется ионный обмен. Отсюда и обобщающее название этих смол – “ионообменные” или по-научному “иониты”.

Внешне ионообменная смола представляет собой скопление очень мелких зерен. Ионообменные смолы имеют гелиевую, макропористую и промежуточную структуры. Гелиевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в не набухшем состоянии. Гелиевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Для действующих аквариумов особый интерес представляет разновидность химической очистки воды, связанная с фильтрацией ее через ионообменные смолы или некоторые другие вещества. Удаление нитратов с помощью ионообменника — еще одна возможность, но она заставляет увеличивать подмену воды. Картриджи ионообменных смол, в отличие от стандартных катионит-анионитных, взаимодействуют только с ограниченным спектром химических соединений, что существенно продлевает срок их службы. Является специфичным видом, поскольку удаляет из воды определенные соединения, для которых предназначен применяемый реагент (аммиак, тяжелые металлы). В данном случае фильтрующим материалом чаще всего выступают синтетические, ионообменные смолы либо природные минералы из группы цеолитов.

Цеолиты и смолы поглощают аммоний, нитраты, фосфаты и др. и вместо них выделяют безвредные ионы натрия, хлора, сульфата. Значительную опасность для содержания аквариума представляет наличие в воде фосфатсодержащих веществ (фосфатов) и силикатосодержащих веществ (силикатов). Избыточное содержание фосфатов ведет к вспышкам роста примитивных водорослей, как следствию – “цветение” воды, образованию на стенках грязного налета. Эффективно бороться с такой угрозой позволяют фосфатфиксирующие ионообменные смолы.

Цеолит — химический фильтрационный материал, натуральная ионообменная смола, пористый материал, применяется на очистных сооружениях водоканала города для удаления аммиака. Он избирательно поглощает из воды аммиак и аммоний. Его применяют краткосрочно в неотложных случаях, чтобы снизить повышенное содержание аммиака, но он не может служить заменой азотного цикла. Он помогает справляться с временными проблемами, связанными с аммиаком. Цеолит не следует использовать в качестве повседневного наполнителя фильтра — иначе, когда он будет полностью выработан, в аквариуме произойдет аммиачный кризис. Через короткое время он теряет свою эффективность, но его можно восстановить путем вымачивания в течение суток в крепком соляном растворе.

Ионообменные смолы, замещающие катионы, т.е. смолы, способные к обмену катионами, называются катионитами, а анионы — смолы, обменивающие анионы – анионитами. Используя ионообменные смолы, можно снизить или устранить общую жесткость, карбонатную жесткость, общее содержание солей, нитрогены, фосфаты, сульфаты, органические вещества и тяжелые металлы. Важнейшая функция катионита — удаление жесткости. При удалении жесткости с помощью ионообменника ионы кальция и магния заменяются на ионы натрия. Другие возможные области применения — удаление из воды тяжелых металлов и декарбонизация. Основная область применения анионитов — удаление нитратов. При нитратном обмене нитрат-ионы обмениваются с ионами хлора. Общее содержание солей в воде не меняется. Чаще всего в практике аквариумиста ионообменные колонки используют в системах водоподготовки.

Для умягчения воды в качестве наполнителей химических фильтров нередко используют ионообменные смолы. Устройство для умягчения воды заполняется ионообменными смолами, через которые осуществляется циркуляция аквариумной воды. Свойства ионообменных смол позволяют им замещать положительно заряженные ионы в растворах (катионы) на ионы водорода, а отрицательно заряженные ионы (анионы) – на ионы гидроксила. В результате в растворе остается одна вода, а катионы и анионы адсорбируются ионообменными смолами.

Ионообменную смолу необходимо периодически регенерировать. Для приведения ионообменных смол в рабочее состояние их “заряжают” с помощью сильных кислот (обычно соляной) и щелочей. По мере работы емкость ионообменных смол и, соответственно, объем обрабатываемой воды уменьшаются, и их приходится регенерировать вновь и вновь. Следует помнить, что количество циклов регенерации смолы практически не ограничено и определяется главным образом сроком службы смолы как вещества, что в итоге определяется условиями ее использования и хранения.

Для решения конкретных задач аквариумистики ионообменные смолы должны быть правильно подобраны. В качестве готовых решений можно назвать поглотитель нитрогенов Nitra-Zorb и поглотитель фосфатов Phos-Zorb, производимые американской компанией Aquarium Pharmaceuticals. В ассортименте продуктов этого производителя есть также наполнитель Ammo Chips — поглотитель аммиака, содержащий природные цеолиты и Ammo Carb — комбинация цеолита и активированного угля. Аналогичные продукты выпускаются и другими фирмами, в частности, Aqua Medic.

Однако большого распространения в отечественной аквариумистике данные технологии не получили. К их недостаткам следует отнести высокую стоимость и необходимо регулярно заменять их на свежие или восстанавливать. Недостатком смол является их быстрое загрязнение органическими веществами. Поэтому для обеспечения нормальной работы ионообменного фильтра вода предварительно должна пройти через механический, а еще лучше и через биологический фильтры.

Для снижения жесткости в аквариуме применяют акриловые смолы в кристаллической форме, помещенные в мешочки их опускают на нитке в аквариум или помещают в фильтр. На протяжении 1-2 дней, в зависимости от объема и ее качества, жесткость снижается. Использованную смолу можно восстановить, промыв мешочек в чистой воде и положив на ночь в раствор поваренной соли (2 ст. ложки на 0,5 л.). После споласкивания мешочка в чистой воде он готов к повторному употреблению.

Деионизация воды (deionization). В таких фильтрах используется химически активные фильтрующие наполнители. Они заменяют ионы, растворенные в воде, на другие. Один наполнитель фильтрует положительно заряженные частицы — катионы, заменяя их на ион водорода H+ (cation resin), второй заменяет анионы на отрицательные заряженные ионы OH-. Комбинация двух стадий фильтрации образует молекулу воды. Такая фильтрация происходит до тех пор, пока в наполнителе есть достаточное количество ионов для замены.

После истощения, смола может быть заряжена снова, используя щелочь и кислоту. Некоторые смолы, особенно те, которые рекомендуются использовать как наполнитель для обычного аквариумного фильтра, заменяют катионы на положительный ион натрия. Восстанавливать такую смолу можно путем вымачивания в течение суток в крепком растворе соли (2 ст. ложки на 1 л.). Однако, повышенная концентрация ионов натрия может быть вредна для некоторых нежных рыб и не очень хороша для растений, блокируя поглощение ими некоторых микроэлементов. Перед повторным использованием его следует ополоснуть свежей водой. Лучше использовать два наполнителя — для фильтрации катионов и анионов. Иногда оба наполнителя смешаны вместе. Такой фильтр будет гораздо сложнее зарядить, поскольку потребуется отделить одну смолу от другой перед регенерацией.

В принципе, такие фильтры позволяют получить более чистую воду, чем осмотические фильтры. Например, они хорошо отфильтровывают силикаты, что нужно в коралловом риф-аквариуме. Срок службы и производительность зависит от многих факторов, особенно от содержания минералов в исходной воде. При очень жесткой воде наполнитель может “попроситься в регенерацию” через 100-200 литров. Для увеличения срока службы такого фильтра его можно ставить после осмотические фильтра.