מפת הגעה | סינון | אוסמוזה הפוכה | ריכוך מים | חילוף יונים | אודות | דף הבית  
 

חילוף יונים (
Ion-Exchange)

דמינרליזציה בשיטת חילוף יונים היא תהליך פיסיקלי שבו נעשה שימוש בשרפים מחליפי יונים הקושרים אליהם את המינרלים ומסננים את המים מן המלחים המומסים בהם. שיטת חילוף יונים יכולה להפיק מים על-טהורים ברמה גבוהה מאוד, בהתייחס ליונים מומסים או מינרלים שהם עיקר החומרים האי-טהורים במים, עד לרמת הטוהר המרבית שהיא 18.2 מגה-אוהם/ס"מ התנגדות חשמלית. עם זאת, מחליפי יונים לרוב אינם יכולים להסיר חומרים אורגניים אשר אינם בעלי מטען חשמלי, וירוסים ו/או חיידקים, ואף עלולים להוות שטח גידול לחיידקים עד כדי הפחתה באיכות המים, אם וכאשר זיהום אורגני ומיקרו-ביולוגי קריטיים לתהליך. שרפים מחליפי אניונים בסיסיים חזקים יכולים להסיר חיידקים גרם-שליליים וחומרים אורגניים טבעיים שלהם מטען שלילי במקצת.   
עמודות לחילוף יונים פועלות באמצעות שרפים סינתטיים. השרפים הללו מתחלקים ל-2 קבוצות רחבות: מחליפי יונים חיוביים (קטיונים) ומחליפי יונים שליליים (אניונים), ואלו ניתנים לחלוקה רחבה יותר לקבוצות משנה: מחליפי קטיונים חומציים חזקים, מחליפי קטיונים חומציים חלשים, מחליפי אניונים בסיסיים חזקים ומחליפי אניונים בסיסיים חלשים.

שרפים מחליפי יונים
כאמור, קיימים שני סוגים של שרפים מחליפי יונים לשימוש: שרף קטיוני ושרף אניוני.
השרף הקטיוני מחליף יונים טעונים חיובית במים ביוני מימן חיובייםH+ , והשרף האניוני מחליף יונים טעונים שלילית במים ביוני הידרוקסיד שליליים OH-. היונים המומרים: H+ ו- OH- מתאחדים למולקולת מים H2O.
לשרפים יכולת קיבול מוגבלת והם חייבים לעבור תהליך "רענון" (רגנרציה) לקראת הגעתם לרוויה ממלחים. כאשר השרף בעמודה בא במגע עם תמיסה, קודם כל חלקו העליון הופך ל"מנוצל" ובהדרגה מתפשט כלפי מטה לכל אורך העמודה.  הרוויה מתקבלת כאשר בשרף אין עוד יוני מימן ו/או הידרוקסיד לתת בתמורה ליונים אחרים במים, שבהם השרף התמלא עד תום. כאשר השרפים אינם "מרועננים" בזמן ועדיין נמצאים בשימוש לאחר "ניצולם", עלולים לזלוג למי המוצר מלחים או גרוע מכך, ריכוז המלחים עלול לגדול. גם מקרה של שימוש בשרפים כמעט רווים לגמרי עלול להגדיל את רמת החומרים האי-טהורים במים עקב סלקטיביות היונים (העדיפות של השרף לתפוס יונים כבדים או בעלי מטען חשמלי גדול יותר על-פני כאלו נמוכים מהם), ועלולים להפריש חלקיקים מזעריים למים.

שרפים מחליפי קטיונים "מרועננים" בתמיסת חומצה אשר ממלאת מחדש את תאי הקליטה של השרף ביוני מימן H+ .
שרפים מחליפי אניונים "מרועננים" בתמיסת בסיס אשר ממלאת מחדש את השרף ביוני הידרוקסיד OH-.

חשוב להבין שהמים הנכנסים אל העמודה הם ב-99% H2O. מזהמים בד"כ קיימים ברמת כמה מאות ppm (מ"ג/ליטר). בתהליך דמינרליזציה, המים (H2O) זורמים סביב השרפים ואינם נכנסים אליהם, משום שהשרפים כבר רווים, מאחר והם מכילים 50% מים. כנראה שישנה החלפה כלשהיא בין מולקולת המים שבמי הזנה ובמים שבתוך השרפים, אולי על-פני שטח השרפים, אבל זוהי טעות לחשוב שמי הרשת זורמים דרך השרפים.


חילוף יונים  
עמודות "יונקס"  
עמודות "יונקס מגה"  
עמודות "סלקון"  



 
ובכן, המים זורמים סביב השרפים דרך הנפח הריק שבין השרפים. פעולת חילוף היונים מתבצעת ע"י דיפוזיה של כל היונים במי ההזנה אל תוך השרפים. כלל היונים במי ההזנה, הן האניונים והן הקטיונים, נודדים לתוך השרף. לאחר שהיונים השונים עברו לתוך השרף, באה סדרה של אירועים מולקולאריים המתרחשים בתוך מצע השרפים:


ראשית, חשוב לציין מה לא קורה. מחליפי קטיונים אינם מגיבים עם אניונים ומחליפי אניונים אינם מגיבים עם קטיונים. מחליפי קטיונים יכולים לסייע בחילוף יונים חיוביים בלבד, כך שכל היונים השליליים זולגים מן השרף הקטיוני ולאחר מכן ממשיכים לעבור בשרף האניוני, וכך הלאה. .1



ישנה תגובה חזקה של השרף עם היונים במי ההזנה. יוני מימן H+   הקשורים בשרף מתחלפים בקטיונים ויוני הידרוקסיד OH- מתחלפים באניונים. .2


לאחר שהתבצע החילוף, יוני מימן ויוני הידרוקסיד משוחררים אל המים שבתוך השרף. .3

יוני H+   ויוני OH- נעים באקראיות בתוך המים שבשרף עד אשר הם יגיעו אל פני שטח השרף.

.4

היונים הנ"ל יוצאים דרך החורים בשרף, מצטרפים אל המים הזורמים סביב השרף ומתאחדים למולקולה אחת: H2O (מים).

.5


 


מחליפי קטיונים

שרפים מחליפי קטיונים משמשים בתצורת מימן, הקולטת יונים חיוביים, ומשחררים כמות שוות ערך של יוני מימן  H+ לתמיסה, בתמורה לקטיונים כמו: סידן (Ca+2), מגנזיום (Mg+2) ונתרן (Na+). פוטנציאל החילוף של שרף חומצי חזק עבור קליטת קטיונים מושפע ממספר גורמים, שהחשובים בהם: גודל מולקולארי, ערכיות וריכוז. בתמיסות מרוכזות ההשפעה של הערכיות מתהפכת, ומתקבלת עדיפות לקליטת יון חד-ערכי ולא יון רב-ערכי. זה מסביר למה בתהליך ריכוך מים הסידן והמגנזיום נקלטים חזק מתמיסה דלילה (מי ההזנה) אבל מושלכים מהשרף בקלות ע"י תמיסה מרוכזת של נתרן-כלורי (מלח בישול) שבה נעשה שימוש בתהליך הרגנרציה (רענון). בד"כ ע"מ לייעל את תהליך חילוף היונים, הזיקה של היון להיקלט בשרף חייבת להיות משמעותית יותר מאשר זיקתו של היון שכבר בתוך השרף.

סלקטיביות הקטיון
חילוף היונים כפוף לסלקטיביות של השרף. ניתן לשים לב שהרצף: סידן-מגנזיום-נתרן מתאים לסלקטיביות, המזוהה ככוח העומד מאחורי פעולת הריכוך, למשל. הסלקטיביות הבסיסית נשמרת תמיד במהלך חילוף יונים. בדמינרליזציה ניתן להוסיף לרצף הנ"ל גם את המימן, הממוקם בסוף הרצף לאחר הנתרן. ישנם כמה גורמים הקובעים את מיקום היון ברצף הסלקטיביות:

  1. יונים דו-ערכיים (Mg2+ Ca+2 ) נבחרים על-פני יונים חד-ערכיים (H+ Na+).
  2. יונים תלת-ערכיים (Al+3) נבחרים על-פני יונים דו-ערכיים.
  3. בתוך קבוצות היונים החד/דו/תלת-ערכיים, גודלו הממשי של היון משפיע על הסלקטיביות.
  4. יון מימן H+ נבחר אחרון.
  5. יון נתרן Na+ נבחר לפני אחרון.
סלקטיביות קטיונית:
אלומיניום (Al+3)>סידן(Ca+2)>מגנזיום(Mg+2)>נתרן(Na+)>מימן(H+).

חילוף סטויכיומטרי
ניתן אף לשים לב כי חילוף היונים הוא תהליך סטויכיומטרי. משמעות מונח כימי זה היא שהחילוף מתבצע "אחד תמורת אחד", "שניים תמורת שניים", "שלושה תמורת שלושה". היינו, יון נתרן (Na+) יתחלף ביון מימן אחד, שהוא חילוף בין יון חד-ערכי לבין יון חד-ערכי אחר. יון מגנזיום (Mg+2) או סידן (Ca+2) מוכרחים להתחלף בשני יוני מימן, מאחר ויוני מגנזיום וסידן הינם דו-ערכיים. זהו חילוף "שניים תמורת שניים". על-מנת שיון אלומיניום (Al+3) יגיב עם השרף, הוא חייב להתחלף בשלושה יוני מימן.

גיאומטריית מצע הקטיונים
הסלקטיביות אף מכתיבה כיצד יונים יצטברו על מצע השרפים. בשלב המוקדם של פעולת העמודה חלקו העליון של מצע השרפים מתחיל להיטען ביונים. היונים עם הסלקטיביות הגדולה יותר עבור השרף
(דו + תלת-ערכיים) יתחילו לתפוס את מקומם של יונים בעלי זיקה קטנה יותר לשרף. אם השרף יתפוס יון נתרן, הנתרן עלול להיעקר ממקומו בשרף ע"י מגנזיום או סידן. אז הנתרן ישתחרר באופן זמני חזרה למים שבתוך השרף עד אשר ימצא יון מימן אחר הקשור בשרף להתחלף בו בחזרה. אם אין עוד יוני מימן בשרף, הנתרן ישתחרר אל מחוץ לשרף לתוך המים שבעמודה, יחדור אל תוך שרף אחר ויחפש אחר יון מימן להתחלף בו. בינתיים, אם יון אלומיניום מתקרב אל הסידן והמגנזיום המוחלפים, הוא יתפוס את מקומם בשרף. וכך התהליך נמשך. בסוף התהליך היונים יהיו ממוקמים במצע השרפים בערך לפי זיקתם.




מיצוי השרף

באיור מעל ניתן לשים לב ששכבת הנתרן פרצה דרך השכבה התחתונה בשרף. פירוש הדבר שמצע השרפים בעמודה רווי ("מנוצל") וחייב לרדת משימוש ו"להתרענן". עדיין עשויים להימצא מעט שרפים בתצורת מימן שנשארו בתחתית מצע השרפים, אך הופעת הנתרן במי המוצר מאותתת על סיום השימוש.


מחליפי אניונים
שרפים מחליפי אניונים משמשים בתצורת הידרוקסיד, הקולטת יונים שליליים, ומשחררים כמות שוות-ערך של יוני הידרוקסיד OH- לתמיסה, בתמורה לאניונים כמו כלוריד (Cl-), גופרה (SO4-2) ומימן פחמתי
(HCO3-).
ניתן באמצעות סינתזה ליצור בגוף השרפים תעלות ונקבים גדולים יותר מאשר בשרף ג'ל טיפוסי. הנקבים והתעלות הללו הרבה יותר גדולים בכל סדרי גודל, מאשר התעלות המולקולאריות דרכן היונים נכנסים ויוצאים מן השרף. התעלות הקטנות הינן מיקרופורוסיות. התעלות הגדולות הינן מאקרופורוסיות.
ישנם כמה יתרונות מובהקים לשרף מאקרופורוסי:

  1. מבנה פיזי חזק יציב וקשיח באופן ניכר ממבנהו של השרף הג'לי.
  2. שרף מאקרופורוסי מאפשר ליונים גדולים מאוד להיכנס אל השרף ולעזוב אותו, יונים אשר נשללת מהם היכולת הזו בשרף מיקרופורוסי.
  3. מאקרופורוס מאפשר לשרפים מסוימים לשמש בתהליכים המכילים תמיסות לא מימיות, קטליזה למשל. בתמיסות לא מימיות מבנה השרף הג'לי מתמוטט.

סלקטיביות האניון
הגורמים הקובעים את מיקום האניונים דומים לגורמי סלקטיביות הקטיון:

  1. יונים דו-ערכיים (SO4-2) נבחרים על-פני יונים חד-ערכיים (Cl- HCO3-)
  2. יונים תלת-ערכיים (PO4-3) נבחרים על-פני יונים דו-ערכיים.
  3. בתוך קבוצות היונים החד/דו/תלת-ערכיים גודל ממשי של היון משפיע על הסלקטיביות.
  4. יון הידרוקסיד (OH-) נבחר אחרון.
  5. יון סיליקה ( SiO3-) נבחר לפני האחרון.


סלקטיביות אניונית:
זרחה(PO4-3)>גופרה(SO4-2)>מימן פחמתי(HCO3-)>כלור(Cl-)>סיליקה( SiO3-)>הידרוקסיד(OH-).


גיאומטריית מצע האניונים

כמו הקטיונים, האניונים השונים יסתדרו במצע השרפים בעצמם על-פי גודלם וערכיותם.  באשר לסדרם של האניונים החד-ערכיים, עם זאת, היונים אינם נערמים אל אזורים ברורים כמו הקטיונים. ההבדלים בין הסלקטיביות של היונים החד-ערכיים השונים קטנים, וישנה חפיפה רחבה ביניהם. סיליקה היא האניון הראשון שישתחרר למי המוצר בגמר פעולתו של השרף בעמודה.

סיכום פעולת חילוף היונים
בשימוש תמיסת מלח שולחן (NaCl) תתקיימנה הפעולות הבאות:

  1. תמיסה המכילה נתרן-כלורי: ברובה מים (H2O), וקצת יוני נתרן (Na+) וכלור (Cl-).
  2. המים (מולקולות H2O) זורמים דרך מצע השרפים, סביב השרפים עצמם. יוני נתרן וכלור עוברים לתוך השרף הקטיוני.
  3. יוני Na+ מוחלפים ביוני H+ הקשורים בשרף, עפ"י הסלקטיביות.
  4. תגובת חילוף הקטיונים יוצרת חומצה (HCl).
  5. יוני  Cl- יוצאים מן השרף מבלי שנתחלפו.
  6. תמיסת המלח המדוללת שהוכנסה לעמודה יוצאת ממנה בתור תמיסה מדוללת של חומצת מלח.

המים המופקים מהקטיון אינם עוד "מי גלם". המים העוברים אל האניון הינם תמיסה מדוללת של חומצה: HCl. כמו בשרפים מחליפי קטיונים, חלקה המימי (H2O) של תמיסת החומצה המדוללת זורם סביב השרפים האניונים. תגובת חילוף האניונים מתקבלת כשיונים שונים, הן יוני H+ חומציים והן אניונים שונים, נכנסים אל תוך השרפים האניונים. אז מתקבלת סדרת התופעות המולקולאריות הבאות:

  1. ראשית כל חשוב לציין מה לא קורה: לא מתקיימת תגובה בין יוני המימן לבין השרפים האניונים. יוני מימן הם קטיונים אשר אינם יכולים להגיב עם שרפים אניונים.
  2. החומצה החלשה (HCl) והבלתי מיוננת עוברת דרך השרף עד אשר יוני הכלור (Cl-) מוצאים מקום להיקשר אל השרף ומתנתקים מיוני המימן (H+).
  3. האירוע החותם הוא חילוף יוני הכלור (Cl-) והתקשרותם לשרף במקביל להשתחררותם של יוני הידרוקסיד  (OH-)מהשרף.
  4. מהרגע שהחלו להשתחרר מהשרף האניוני, יוני ההידרוקסיד (OH-) אינם צריכים להסתובב זמן רב בתוך השרף על-מנת לפגוש יוני מימן (H+).
  5. ישנה תגובה כימית מיידית: יוני ההידרוקסיד (OH-) משתלבים ביוני המימן (H+) על-מנת ליצור מולקולת HOH, מים.
  6. מולקולת המים שנוצרה בתוך השרף, זולגת לאט לאט אל מחוץ לשרף, ומצטרפת למולקולות המים שמחוץ לשרף. הבריחה מתקיימת משום שהשרף כבר רווי במים ואינו יכול להכיל יותר מים.
  7. כמובן המים המופקים בתוך השרף אינם שונים מהמים מחוץ לשרף. שניהם מים חסרי מינרלים (H2O).
  8. לאחר ניצול מלא של השרפים, יוני נתרן וסיליקה מתחילים להשתחרר מהעמודה. על-מנת למנוע מהמצב הזה לקרות העמודה חייבת לצאת משימוש עוד לפני שכל מצע השרפים "נוצל" ולהימסר לרענון.
  9. העמודה יוצאת משימוש ונמסרת ל"רענון": השרף הקטיוני "מרוענן" בחומצת מלח (HCl) על-מנת לרוקן את תאי הקליטה שלו מהיונים שספג ולמלא אותם ביוני מימן (H+) חדשים ולהכניסו לפעולה מחודשת, ואילו השרף האניוני "מרוענן" בבסיס-סודה קאוסטית (NaOH) על-מנת לרוקן את תאי הקליטה שלו מהיונים שספג ולמלא אותם ביוני הידרוקסיד (OH-) חדשים.


עשרת הדברות למשתמש בעמודות IONEXchange

המים הגולמיים צריכים להיות נקיים ומאיכות של מי שתייה, או אחרי מתקן אוסמוזה הפוכה, או אחרי דיוניזטור ניטרלי. מים אלקליים אסורים. כל נוזל או תמיסה אחרת אסורים בהחלט. מים רכים אינם רצויים, בגלל הזיהום הבקטריאלי ובגלל הגדלת העומס על מזקקי "יונקס" (החלפת הקטיונים הכבדים המורחקים בקלות בקטיוני נתרן המורחקים פחות בקלות).

.1
כיוון הזרימה רק אנכית מלמעלה למטה. כיוון הפוך יפריד את המצע המעורב לשתי שכבות נפרדות, והמוליכות הסגולית של המים המופקים תעלה ל-10 מיקרוסימנס ס"מ.

.2

להרחיק מאור חזק הגורם לדהייה של אינדיקטור הצבע (אמנם אין בכך פגיעה בפעולה הכימית).

.3

אין זה רצוי לחבר עמודות מאותו סוג בטור, כי האורך המופרז של שכבת השרפים המנוצלים פוגע בטיב המים הגולמיים המגיעים לפעולה בחזית הצבע. עדיף לחבר עמודות נוספות במקביל בהתאם לצורך. לשם שמירה ושיפור המים המופקים מהעמודות הרגילות, השתמש במזקק "סוג אטומי".

.4

הטמפרטורה של המים צריכה להיות סביבתית. אפשר להעלות את הטמפרטורה עד ל-50°C לכל היותר (60°C בעמודות פלב"מ), אולם רק באופן הדרגתי לשם מניעת זעזוע תרמי.

.5

להקפיד על לחץ העבודה המרבי ועל הספיקה המרבית.

.6

כאשר המזקקים אינם בפעולה, רצוי להשאירם מלאים במים בלחץ אטמוספרי בלבד.

.7

אין לפתוח את ראשי המזקקים, ולא לחבר אליהם צינורות מתכת.

.8

לבדוק מדי פעם את חוזק החיבורים של התפסניות לקיר.

.9

להפסיק תמיד את הפעולה כשעדיין נותרו לכל הפחות  10 ס"מ של צבע כחול בתחתית העמודה

.10




 

  עיצוב אתרים - מאי סטודיו יונקס בע"מ - מערכות טיהור מים | רח' הסוללים 5 א.ת. בת - ים | טל: 03-5512634 | פקס: 03-5530568