Archiv článků

GHC Invest > Archiv článků > Filtrační média a iontoměniče - Bazén a sauna 7,8/2003

Filtrační média a iontoměniče - Bazén a sauna 7,8/2003

Autor: GHC Invest, s.r.o.
Publikováno: časopis Bazén a sauna č. 7/8 2003

A. Filtrační média

Filtrace - oddělování složek směsi o dvou fázích pomocí propustného materiálu (filtračního média, filtrační přepážky), kterým prochází pouze jedna z obou fází. Nejčastěji se odděluje kapalina od tuhých látek, které jsou v ní rozptýleny. Účelem filtrace v bazénové technologii je získání kapaliny (vody) zbavené mechanických nečistot.

1) Křemenný písek - klasické filtrační médium, může se lišit pouze zrnitostí případně i tvrdostí zrn, sypná hustota zhruba 1500 kg/m3

2) Diatomit – rozsivková zemina (křemelina), usazeniny vzniklé z drobných rostlinek - rozsivek větší povrch jednotlivých zrn a jejich nasákavost jsou dány porozitou materiálu, je lehčí než písek. Křemelina by se správně neměla používat pro normální způsob filtrace. Vynikající filtrační účinek má tento materiál v tzv. náplavových filtrech, kdy se po pracovním cyklu při praní odstraňuje i filtrační médium, tj. každý pracovní cyklus se filtruje na novou náplň, která se do filtru musí naplavit. Křemelina dokáže zachytit i částice o velikosti 1-3 µm (písek až od 10 µm), takže zachytí i jednobuněčné organismy (bakterie, plísně, spory, řasy). S touto filtrační náplní není nutné používat vločkovače. Diatomit je zpevněnou formou, kterou je možno použít i jako náplně do normálního filtru, kapacita takového filtru je ovšem výrazně nižší než použití křemeliny ve filtru náplavovém a i velikost zachycovaných částic je větší.

3) Zeolit - nerostná surovina vulkanického původu tvořená především klinoptilolitem, vytěžená surovina se upravuje drcením a tříděním podle zrnitosti. Většinou je lehčí než písek. Funguje i jako přírodní iontoměnič – katex.

4) Granátový písek – malá zrnka surového granátu, velmi tvrdá zrna, zhruba 2000 kg/m3.

5) Antracit – nejkvalitnější černé uhlí, vysoký obsah uhlíku (až 96 %), relativně velký povrch, zhruba 750 kg/m3. Částečně adsorpční médium.

6) Aktivní uhlí – není klasické filtrační médium, používá se v kontaktních tělesech (nesprávně filtrech, i když strojírensky to filtry jsou) zařazené za klasickými pískovými filtry, kde dochází na jeho velmi velkém povrchu (1 cm3 aktivního uhlí (asi 0,25g) má vnitřní povrch kolem 1.000.000 cm2, což odpovídá ploše 10x10m) k adsorpci některých látek (chlor volný i vázaný, THM, ozón a další plyny, halogenované uhlovodíky s kratšími řetězci, barviva, některé těžké kovy). Připravuje se karbonizací antracitu, dřeva, kostí nebo kokosových skořápek.

7) Aktivní koks – velmi podobné vlastnosti jako aktivní uhlí, poněkud menší adsorpční kapacita je vyvážena velmi přijatelnou cenou oproti aktivnímu uhlí

Pro správnou funkci filtrace je nutné zvolit vhodné filtrační médium, tedy například písek, diatomit, zeolit, atd. A podle charakteru filtrované kapaliny také vhodnou zrnitost filtračního média.

Jednovrstvá filtrace

Filtry s náplní jednoho filtračního média, většinou písku, mají tu výhodu, že pořizovací náklady na náplň jsou relativně nízké. Mají však jeden problém: čím menší jsou zrna filtračního materiálu, tím jemnější částice se dají z filtrované kapaliny odstranit (to potřebujeme), ale tím rychleji se vyčerpá kapacita, protože dojde k „zahlcení“ filtrační přepážky většími částicemi. Tento problém lze odstranit pouze použitím vícevrstvé filtrace.

Vícevrstvá filtrace

Pokud chceme zvýšit kapacitu filtru, je potřeba použít několik druhů filtrační náplně, přičemž nejjemnější zrna by se měla nacházet ve spodní části filtru a nejhrubší v části vrchní. Toho samozřejmě nelze docílit pouhým navrstvením různých zrnitostí křemenného písku. Takové rozvrstvení totiž ve filtru zůstane pouze do prvního praní. Při usazování filtrační náplně po praní totiž dojde k zákonitému převrstvení podle váhy jednotlivých vrstev (největší zrna se postupně přesunou do spodní části filtru a nejmenší se logicky vyplaví nahoru).

Dvouvrstvá filtrace

Základní nejjednodušší vícevrstvou filtrací je filtrace dvouvrstvá, kdy se jako vrchní vrstva nad normální náplň písku přidá slabší vrstva (zhruba 1/3 až 1/2 vrstvy písku, možno i 1:1) antracitu, který je podstatně lehčí než písek. Antracit tedy může mít vyšší zrnitost než písek bez rizika převrstvení při praní. Větší částice se zachytí na vrstvě s antracitem, menší částice přes ni projdou a zachytí se až na vrstvě s pískem. Kapacita filtru s použitím dvou vrstev je zhruba o 50 % vyšší než kapacita jednovrstvého filtru stejné velikosti. Zvýšením kapacity filtru dochází k významné úspoře prací vody a energie potřebné na praní, neboť dojde k velmi výraznému prodloužení pracovního cyklu filtru.



Třívrstvá filtrace

Další zvýšení kapacity filtru, a tím prodloužení pracovního cyklu, je možné přidáním třetí vrstvy filtračního materiálu. Teoreticky platí, že čím více vrstev filtr má, tím roste jeho kapacita. Prakticky jsme ale omezeni výběrem vhodných filtračních médií o dostatečně různé sypné hustotě.

V úvahu by mohlo připadat použití granátového písku jako nejspodnější a nejjemnější vrstvy, jistě mi všichni dají za pravdu, že taková možnost v bazénové technologii neexistuje. Jako přijatelné řešení by se mohlo jevit použití zeolitu nebo rozsivkové zeminy, jako prostřední vrstvy mezi pískem a antracitem. Zeolit je totiž lehčí než písek (zhruba 1100 – 1200 kg/m3). Tuto možnost zde pouze zmiňuji jako teoretickou, protože v praxi jsem se s ní ještě nesetkal. Logicky se však nabízí k vyzkoušení a využití, protože cena zeolitu je zhruba srovnatelná s cenou antracitu.

Aktivní uhlí

Uhlík je nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Mezi nejběžnější formy uhlíku náležejí uhlí, skořápky kokosových ořechů, dřevo, rašelina a lignit. Uhlí, skořápky kokosových ořechů a dřevo jsou nejdůležitějšími surovinami používanými při výrobě aktivního uhlí.

Vybrané suroviny se zpracovávají při teplotách 200 - 300 °C, aby se odstranily přirozeně těkavé složky a zbývající vlhkost. To je počáteční krok karbonizace. Následně probíhá při teplotách 900 - 1000 °C aktivace, kdy se ještě kontrolovaně k surovině přivádí vodní pára jako oxidační činidlo. Vyrobené aktivní uhlí je vysoce účinným adsorbentem s množstvím rozdílně velkých pórů, od mikropórů (molekulární rozměry, r < 1 nm) přes mezopóry (1 nm < r < 25 nm) až po makropóry (r > 25 nm).

Zrněné uhlí, které se v bazénové technologii používá nejvíc, je uloženo v adsorbérech (kontaktních tělesech) s pevným lůžkem (sítnicí s tryskami). Stacionární vrstvou aktivního uhlí protéká proud vody (většinou shora dolů). Pro odstranění hrubých nečistot se musí použít předřazené pískové filtry. Hrubé nečistoty by totiž velmi rychle „ucpaly“ póry v aktivním uhlí, a tím by došlo k velmi rychlému vyčerpání adsorpční kapacity. Případné zbytkové nečistoty se odstraňují z aktivního uhlí zpětným proplachem. Rámcové podmínky pro úpravu vody na aktivním uhlí jsou následující:

-  doba kontaktu podle typu použitého akt. uhlí 5 – 30 minut, max. 60 minut
-  průtoková rychlost 5 - 15 m/hod,
-  výška vrstvy min. 0,5 m, běžně 1,5 - 3 m,
-  poměr filtrační výšky k průměru filtr. vrstvy asi 2 : 1,
-  rychlost zpětného proplachu 30 - 40 m/hod (počítá se s 30 % expanzní vrtstvy).

Někdy se používá práškové aktivní uhlí. V takovém případě se aplikuje přímo do vody tak, aby byla zajištěna dostatečná doba kontaktu, po níž musí být odfiltrováno.

B. Iontoměniče - ionexy

Obecně se jedná o ve vodě nerozpustné sloučeniny, které jsou schopny z roztoku, se kterým jsou v kontaktu, „vychytávat“ kationty nebo anionty a nahrazovat je jinými. Po vyčerpání je možné je regenerovat roztoky solí nebo kyselin či zásad. Regenerační činidlo musí obsahovat ionty, které iontoměnič uvolňuje do vody místo těch, které na sebe naváže.

Je nutné si uvědomit, že k výměně iontů nedochází tak, že by se iontoměnič rozpouštěl. Je to vlastně nosič, na kterém je uchycena aktivní (funkční skupina). Teprve na této aktivní skupině je navázán příslušný kationt nebo aniont, který se do vody vpraví místo iontu zachytávaného. Zachycení iontů ionexem se nazývá sorpce, vymývání zachyceného iontu jiným iontem eluce. Elucí se současně regeneruje vyčerpaný ionex.

Dělení podle několika kritérií:

- anexy x katexy
- přírodní x syntetické
- selektivní x neselektivní

Anexy – mají schopnost vyměňovat anionty (např. NO3- za Cl-). Výměnu kationtů na katexu můžeme zjednodušeně zapsat rovnicí:

R-K1+ + K2+  .......  R-K2+ + K1

kde R představuje nosič s aktivní skupinou a K1+ a K2+ vyměňované kationty.

Katexy – vyměňují kationty (např. Ca2+ nebo Mg2+ za Na+). Výměnu aniontů na anexu popisuje tato rovnice:

R-A1˜ + A2˜  ......  R-A2˜ + A1˜

Symbolem R je nosič s aktivní skupinou a A1˜ + A2˜ vyměňované anionty.

Typickým příkladem přírodního katexu je zeolit, který se používá pro vyvázání amoniakálního dusíku z vody, přičemž místo iontů NH4+ do vody uvolňuje převážně kationty vápníku a hořčíku.

Syntetické ionexy jsou uměle připravené látky, kde nosičem bývají makromolekulární látky (většinou syntetické pryskyřice), které mají různou aktivní skupinu.

Selektivní iontoměniče jsou převážně synteticky připravené a odstraňují z vody pouze určité ionty. Neselektivní pracují tak, že z vody vyvazují všechny kationty nebo anionty. Takové ionexy se používají pro přípravu demineralizované vody, kdy katex zachytává všechny kationty a anex všechny anionty.

V bazénové technologii se iontoměniče příliš nevyužívají a když, tak spíše neuvědoměle ve formě zeolitu, který se používá spíše jako filtrační médium. Protože aby mohl správně fungovat jako iontoměnič, muselo by být kontaktní těleso (kolona) s náplní zeolitu umístěno až za pískovými filtry.

Možnost využití iontoměničů v bazénech je tedy velmi omezené, dalo by se ještě uvažovat o používání katexů pro změkčení vody tam, kde jsou velké problémy s tvrdou vodou a souvisejícím vznikem usazenin vodního kamene.

GHC Invest, s.r.o.
Korunovační 6, 170 00 Praha 7
Tel.: 233 374 806
Fax: 233 371 373
E-mail: info@ghcinvest.cz
www.ghcinvest.cz