АКВАРИУМИСТИКА
Если вам нужно смягчить воду...
И.Ванюшин
Аквариум 3/1994
Свойство некоторых смол избирательно обмениваться ионами с окружающей средой позволяет использовать их в аквариумистике для обессоливания (смягчения) воды. Процесс этот быстрый и достаточно простой.
В общем виде он выглядит следующим образом. Вода проходит через первую ионообменную смолу - катионит и отдает все ионы металлов растворенных в ней солей; от смолы же она получает ионы водорода Н+. Ионы водорода с кислотными остатками солей образуют кислоты, и чем жестче исходная вода, тем выше их концентрация. В результате вода на выходе бывает очень кислой (рН 2,04,0).
Эту воду пропускают через анионит, где кислотные остатки обмениваются на гидроксильные группы ОН", которые, соединяясь с высвободившимися ионами водорода, образуют обычную воду (Н+(+)ОН - =Н2О).
Теоретически вода лишается всех солей и становится обессоленной ("деминерализованной"). На деле же любитель получает воду, общая жесткость которой 0,1 - 0,2°, что на порядок ниже, чем у дистиллированной.
Чтобы привести ионообменную смолу в рабочее состояние, ее необходимо зарядить. Здесь и далее термины "зарядить", "разрядить" и производные от них употребляются в том же смысле, как при описании работы аккумуляторных батарей. Подобно тому, как аккумулятор в процессе работы разряжается, смола утрачивает свой ионообменный потенциал, и оба они нуждаются в периодической регенерации (зарядке). Перед зарядкой сухую (или влажную, но долго хранившуюся без воды) смолу надо размочить в течение суток в мягкой воде. При этом она заметно увеличивает свой объем - "разбухает", поэтому для замачивания используют просторный сосуд.
Зарядка катионита проводится путем медленного процеживания через смолу 10 - 15% - ного раствора соляной кислоты - НСl (объем раствора равен объему заряжаемой смолы) с последующей промывкой обессоленной (дистиллированной) водой в пятикратном объеме. Если запасов такой воды нет, то при первой зарядке можно воспользоваться и водопроводной, но при этом смола сразу "вступает в работу" и утрачивает часть полученного заряда.
Анионит заряжают 4 - 5% - ным раствором едкого натра (NаОН), но для промывки требуется уже десятикратный объем воды.
Растворы и промывочная вода для повторного применения не пригодны. Для рыб не следует использовать и следующие 4 - 5 объемов полученной из ионообменника обессоленной воды, а которой еще имеются остатки регенерационных растворов; зато они вполне пригодны для промывки смолы при последующей регенерации. Хранят воду в закрытых сосудах.
Как уже говорилось, регенерацию приходится повторять после истощения предыдущего заряда. Казалось бы, наиболее простой способ определения этого момента - учет количества обессоленной воды при известной рабочей емкости (Рабочая емкость - количество воды определенной степени минерализации, которое может быть обработано смолой используемого объема.) колонок: при израсходовании 60 - 70 процентов рабочей емкости уже можно делать перезарядку, так как далее качество получаемой воды начинает ухудшаться. Однако катионит и анионит имеют отличающиеся удельные рабочие емкости и исчерпывают свои заряды с различной скоростью. Поэтому более приемлем отдельный учет по катиониту и аниониту с индивидуальной регенерацией их по мере надобности.
Индикатором разрядки смолы служит изменение активной реакции вытекающей воды. Поэтому в начале работы надо измерить рН обессоленной воды. Если первым истощается катионит, рН увеличивается, если анионит - снижается.
Показателем разрядки некоторых типов ионообменных смол может быть изменение цвета смолы (потемнение или посветление) в процессе_работы, начинающееся с поверхности и распространяющееся вниз по колонке.
Регенерирующие растворы и вода не должны протекать через смолу слишком быстро, иначе химические процессы не успеют завершиться и качество их снизится. Скорость реакций зависит и от температуры: желательно, чтобы регенерирующие растворы имели температуру около 50°С, промывочная и обессоливаемая вода - 20 - 30°С.
Обычно я использую двухлитровые объемы смол. В этом случае истекающая струйка обессоленной воды должна быть чуть толще спички (1,5 - 3 миллиметра в диаметре). При использовании больших объемов скорость тока воды можно увеличить.
Рабочая емкость какого - либо объема смолы имеет прямую зависимость от удельной рабочей емкости конкретной марки смолы и обратную - от степени минерализации (жесткости) обрабатываемой воды. Расчет можно произвести по формуле: Q=2800*((Е*q)/H) где: Q - объем смягчаемой воды до полной разрядки смолы, литры; Е - удельная рабочая емкость смолы; q - объем используемой смолы, литры; Н - жесткость води. dGН.
Например, при использовании смолы Ostion КЗ в объеме 0,5 литра, у которой Е= 1,1, при жесткости исходной воды 14°dGН с одного заряда можно обработать 110 литров.
Если удельная рабочая емкость имеющейся у вас смолы неизвестна, ее можно определить. Для этого несколько миллилитров предварительно размоченного катионита заливают на один час 10 - 15% - ным раствором соляной кислоты в пятикратном объеме, периодически встряхивая (помешивая), а затем многократно промывают обессоленной водой. Далее смолу (1 - 2 миллилитра) помещают в поллитровую чистую прозрачную емкость. Отмерить нужное количество смолы можно с помощью какойлибо химической (медицинской) мерной посуды или пустой ампулы, у которой объем рассчитывается по ее геометрическим размерам (при отмеривании сосуд надо постукивать донышком о твердую поверхность, чтобы зерна смолы плотно улеглись). Затем смолу заливают 200 миллилитрами 0,1 - нормального раствора хлористого натрия (на 1 литр обессоленной воды - 2,4 грамма), добавляют несколько капель индикатора бромтимолового синего и при постоянном помешивании титруют 0,1 - нормальным раствором едкого натра (4 грамма на литр воды) до перехода цвета раствора с желтого на сине - зеленый. Не следует уменьшать пропорции приготавливаемых растворов, так как снижается точность результата.
Таким же образом поступают и с анионитом с той лишь разницей, что регенерация проводится 45% - ным раствором едкого натра в течение двух часов, а титрование - раствором соляной кислоты до перехода цвета раствора с синего на светло - зеленый.
Удельная рабочая емкость рассчитывается по соотношению: Е=0,1*(A/B) где: Е - удельная рабочая емкость; А - количество израсходованного на титрование раствора, миллилитры; Б - объем исследуемой смолы, миллилитры.
Если у вас имеется ионообменная смола, но неизвестно, катионит она или анионит, то можно выяснить и это. Предлагаемая методика не предусматривает высокой точности отмериваний и отвешиваний, поэтому вполне доступна в домашних условиях.
Для определения потребуется следующее:
четыре 10 - миллилитровых инъекционных пластиковых шприца, четыре медицинских зажима (например, от капельницы) для регулирования скорости истекания раствора и четыре тонких пластиковых трубки длиной по 10 сантиметров, диаметр которых позволяет плотно насадить их на носики шприцов. Трубки насаживают на шприцы, зажимы надевают на трубки, а сами шприцы, представляющие собой теперь миниатюрные колонки, укрепляют на чем - нибудь в вертикальном положении (например, с помощью липкой ленты на высокой банке) и нумеруют (от 1 до 4); несколько банок для приема вытекающего раствора или промывочной воды;
хорошо вымытые пластиковые поллитровые сосуды, ополоснутые сначала питьевой водой, а затем несколько раз дистиллированной (обессоленной) и высушенные на воздухе. Они предназначаются для внесения растворов или воды в колонки. Это могут быть любые полихлорвиниловые флаконы, фляги и т. д. Для удобства выполнения процедуры в их крышках можно проделать отверстия и плотно вставить небольшие трубки, чтобы удобнее было вливать раствор или воду в колонки;
около 5 литров дистиллированной (обессоленной) воды;
раствор соляной кислоты : 100 миллилитров 36% - ной НС) влить в 400 миллилитров дистиллированной воды (но не наоборот!); раствор едкого натра: 40 граммов N301 - 1 растворить в 460 миллилитрах дистиллированной воды;
раствор уксуснокислого аммония: 4 грамма МН4 СНзСОО растворить в 500 миллилитрах дистиллированной воды;
раствор хлористого натрия : 3 грамма МаС1 растворить в 500 миллилитрах дистиллированной воды;
индикаторная бумага для общего определения кислоты и щелочи.
После приготовления и остывания все растворы заливают в подготовленные пластиковые сосуды и во избежание ошибок маркируют.
Последовательность действий при определении такова.
Пять чайных ложек смолы промыть до устранения мути и оставить на сутки в дистиллированной воде для набухания. Разделить смолу на четыре равные части и поместить их в колонки. Во избежание потерь смолы при работе с жидкостями положить в колонки снизу и сверху по кусочку ваты.
Далее колонки необходимо зарядить. Подставив под выводящие трубки колонок банки, отпустить зажимы и промывать колонки 1 и 3 раствором едкого натра, а колонки 2 и 4 - раствором соляной кислоты до тех пор, пока рН заливаемых и вытекающих растворов не выравняется (контролируется с помощью индикаторной бумаги). После этого через колонки пропускают те же растворы в десятикратном количестве (то есть на 5 миллилитров смолы - 50 миллилитров раствора), отрегулировав зажимы так, чтобы растворы вытекали медленно, по каплям.Затем колонки промывают дистиллированной водой до тех пор, пока вытекающая вода не даст нейтральную реакцию.
Подготовленные таким образом колонки 1 и 2 промывают раствором уксуснокислого аммония. Если из колонки 1 вытекает щелочная жидкость, но без запаха нашатырного спирта, а из колонки 2 - кислая жидкость с запахом уксуса, то испытуемая смола - катионит. Если вытекающая из колонки 1 щелочная жидкость имеет залах нашатырного спирта, а из колонки 2 вытекает нейтральная жидкость, то это анионит.
Так как для процесса полного обессоливания, как правило, используются так называемые "сильные" смолы, то для уточнения свойств испытуемой смолы поступают следующим образом.
Через колонки 3 и 4 пропускают раствор хлористого натрия. Если при этом из колонки 3 вытекает нейтральная жидкость, а из колонки 4 - кислая, то испытуемая смола - сильный катионит. Если из колонки 3 вытекает щелочная жидкость, а из колонки 4 - нейтральная, смола - сильный анионит. Если же из обеих колонок вытекает нейтральная жидкость, то требуется дополнительный анализ, для которого одну из колонок (3 или 4) промывают водопроводной водой до полной разрядки (примерно, 350 миллилитров воды). Затем смолу регенерируют 20 - 25 миллилитрами слабого раствора соляной кислоты (2 миллилитра 36% - ной кислоты растворяют в 60 миллилитрах дистиллированной воды) с последующей промывкой. Через подготовленную смолу медленно пропускают 100 миллилитров водопроводной воды и собирают в чистую посуду. У полученной жидкости измеряют ее карбонатную жесткость (путем титрования 0,1 - нормальным раствором соляной кислоты на метилоранж). Так же титруют и 100 миллилитров использованной водопроводной воды. Если расход раствора в обоих случаях одинаков, смола - слабый анионит, если же расход титровального раствора в собранной воде нулевой или мал по сравнению с водопроводной водой, то смола - слабый катионит.