Применение анионообменных смол для удаления нитратов

Распространены две основные технологии по удалению нитратов из воды:  ионообмен и обратный осмос.
Для удаления нитратов из всей используемой в доме воды наилучшим выбором является ионообмен. Если необходима очистка только питьевой воды, лучшим решением является обратный осмос.

Для удаления нитратионов используются стандартные или селективные анионообменные смолы сильного основания (strong base anion SBA), в Cl форме. В качестве регенеранта используется раствор соли NaCl.

Стандартные сильноосновные аниониты
Стандартные сильноосновные аниониты - это смолы, характеризующиеся избирательностью или относительным сродством по отношению к удаляемым ионам согласно следующему ряду: сульфат, нитрат, хлорид, бикарбонат ионы. Это означает, что реакция обмена между водным раствором и смолой будет протекать, если анион, находящийся в растворе, стоит в этом ряду перед анионом, находящимся на смоле. Использование стандартных сильноосновных анионитов требует осторожности и тщательного контроля при применении их для очистки воды, содержащей нитраты, т. к. возможен эффект постепенного накопления и затем внезапного выброса нитратов за счет вытеснения их сульфатионами, которые обладают большим относительным сродством.  Нитраты очень сильно  влияют на здоровье человека, поэтому данные смолы могут применяться только в системах с весьма жестким контролем расходуемой воды. Это нужно для того, чтобы регенерация проводилась до того, как начнется проскок нитратионов. Если возможности контроля нет, не следует объединять смолу для удаления нитратов со смолой для умягчения воды. Сопряженный с этим риск не стоит связанной с этим экономичности времени и затрат.

При применении  стандартных сильноосновных анионитов следует обращать внимание на возможный проскок удаляемых ионов. Фактор проскока весьма важен, т. к. он напрямую связан с относительным сродством. В начальный период цикла ионообмена из раствора одинаково хорошо удаляются сульфаты, нитраты и бикарбонаты, т. к. на смоле имеется множество несвязанных радикалов. По мере удаления бикарбонатов показатель рН в начальный период снижается и может стать слишком низким, что может вызвать необходимость дополнительной обработки воды. Если цикл обмена продолжить, то согласно ряду относительного сродства все большее количество ионов сульфата и нитрата оседают на смоле, в результате бикарбонатион начинает вытесняться и показатель рН возвращается на нормальный уровень.

В дальнейшем, когда все большее количество ионов сульфата собирается на смоле, уже нитратион вытесняется в обработанную воду.

Проскок характеризуется величиной отношения содержания нитрата к сумме нитрата и сульфата. Чем выше это отношение, тем меньше проскок. Например, отношение, равное 0,2 означает, что утечка составляет 25 % от исходной концентрации с дозой соли 240,2775 кг/м3 смолы, или 38 % с дозой соли 128,148 кг/м3 смолы. Отношение 0,4 означает, что утечка составляет 16 % от исходной концентрации с дозой соли 240,2775 кг/м3 смолы, или 25 % с дозой соли 128,148 кг/м3 смолы.

Расчет обменной емкости.
Учитывая вышесказанное – вывод: слой смолы нужно регенерировать до того, как ионы нитрата начнут проскок. Поэтому необходимо производить расчет обменной емкости. Данные для расчета должны предоставляться производителями оборудования или смолы.

Такие расчеты должны учитывать относительное количество в воде сульфатов и нитратов. Если необработанная вода содержит мало сульфатов или вообще их не содержит -  проблемы нет или она присутствует только в весьма небольшой степени.

Для определения обменной емкости смолы по удалению тех или иных загрязнителей важно правильно оценивать их количество. При этом необходимо привести все расчеты к общему знаменателю, в качестве которого выступает карбонат кальция СаСО3. Анализы воды могут оперировать концентрациями ионов, выраженных по-разному, например, в виде непреобразованных ионов нитрат как NO3, сульфат как SO4. В некоторых анализах под нитратом подразумевается ион азота N, а в некоторых используется преобразование азота и других заменяемых анионов, включая сульфат, в их соответствующие эквиваленты карбоната кальция. Важно знать, о чем идет речь в определенных анализах. Например, нормативом для питьевой воды по нитратам является концентрация в 10 ррм в пересчете на ион азота N, либо 45 ррм в виде NO3. Следует сказать, что речь идет об одних и тех же концентрациях, выраженных различным образом.
Если уровень нитратов выражается через ион NO3, он приводится к СаСО3 умножением на 0,8. Если речь идет о содержании нитратов в пересчете на N, показатель следует умножать на 3,6. Для SO4 k приведения к СаСО3 равен 1,04. Для других заменяемых ионов k умножения для приведения к СаСО3 хлорида равен 1,41, бикарбоната 0,82.
Соль, используемая в установке с верхней загрузкой, регенерирует как смолу для умягчения воды, так и смолу SBA. При этом смола для умягчения использует натриевую или калийную составляющую соли, а смола SBA хлоридную составляющую.

Дозировка соли может варьироваться в пределах 128,148 240,2775 кг/м3 смолы, в зависимости от необходимого запаса обменной емкости удаляемых загрязняющих веществ. Для расчета обменной емкости следует изучить паспортные технические данные на смолу при регенерации рассолом с разной дозой соли.

Смолы SBA, селективные к нитратам
Из за проблем выброса нитратов в стандартных смолах SBA производители смол создали смолу SBA, селективную к нитратам. Эта смола не только удаляет нитраты, но при этом имеет большее сродство к нитратам, чем к сульфатам.

Для такой смолы предыдущий список, от самого сильного сродства до самого слабого, выглядит так: нитраты, сульфаты, бикарбонаты.

Селективная к нитратам смола является блестящей разработкой в области технологии удаления нитратов, но это совсем не предполагает, что она защищена от неквалифицированного применения или что она является самым эффективным средством в любых условиях. Так же как стандартная смола SBA может вызвать сброс нитратов, если позволить выйти за ее расчетный запас обменной емкости, селективная к нитратам смола SBA может вызвать сброс сульфатов, а позже и нитратов, если вовремя не произвести ее регенерацию.

Примечание: Указанные значения округлены до ближайших 100 галлонов. Значения концентрации нитратов и сульфатов выражены в gpg (грейн/галлон, что соответствует 17,1 мг/л) в пересчете на СаСО3. 4 gpg нитратов в пересчете на СаСО3 эквивалентны 20 мг/л в пересчете на N.

Отметим, что если содержание сульфатов мало или они в воде отсутствуют, обменная емкость стандартной смолы SBA выше, но с понижением отношения нитратов к сульфатам обменная емкость селективной смолы становится выше. Производители смол рекомендуют использовать смолу, селективную к нитратам, если отношение нитратов к сульфатам в воде больше 0,60.