Ионообменные смолы

Ионообменные смолы — нерастворимые синтетические высокомолекулярные (полимерные) соединения, способные вступать в реакции обмена с ионами раствора. То есть они способны улавливать из воды ионы различных веществ и "впитывать" их в себя, отдавая в замен "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 гелевую, макропористую и промежуточную структуры. Гелевые 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 ненабухшем состоянии. Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Ионообменные смолы подразделяются на катиониты, т.е. смолы, способные к обмену катионами, и аниониты — смолы, обменивающие анионы. Используя ионообменные смолы, можно снизить или устранить общую жесткость, карбонатную жесткость, общее содержание солей, нитрогены, фосфаты, сульфаты, органические вещества и тяжелые металлы. В водоочистке ионообменные смолы применяются еще с 1960-х годов, но особенное распространение получили, начиная с 1990-х готов. 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.

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.

Цеолит

Термин цеолит (в переводе с греческого "кипящий камень") включает целое семейство минералов — водосодержащих алюмосиликатов с катионами калия, натрия, кальция и магния. В 1756 г. Ф. Кронштедт обнаружил вспучивание (увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды) стильбита (минерала семейства гидратированных силикатов алюминия) при нагревании. Он и ввел термин "цеолит". Существуют природные и искусственно синтезированные цеолиты (пермутиты), которые находят широкое применение в водоочистительных приборах как адсорбенты, ионообменники и молекулярные сита.

Использование цеолита в аквариумистике, прежде всего, связывается с его способностью очищать воду от аммиака и аммония. Подвижность катионов и их способность к ионному обмену определяет высокие сорбционные свойства цеолитов. В упрощенном виде это можно описать так: цеолит "забирает" аммиак и "обменивает его на соль". Однако, как показала практика, наши представления о способности цеолита бороться с аммиаком несколько преувеличены. В реальности не все виды цеолитов пригодны для этого. Общим в строении для всех минералов из группы цеолитов является наличие трехмерного кристаллического каркаса, образующего системы полостей и каналов, в которых расположены щелочные, щелочноземельные катионы и молекулы воды. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены путем ионного обмена и дегидрации, причем обратимо, без разрушения самого каркаса. Обезвоженный цеолит представляет собой микропористую кристаллическую "губку", объем пор в которой составляет до 50% объема его каркаса. Такая "губка" имеет в зависимости от вида цеолита диаметр пор от 0,3 до 1 нм. Размеры микропор определяют специфичную селективность свойств цеолитов как адсорбентов, ионообменников и молекулярных сит, и таким образом у одних видов цеолитов выражены одни свойства, у других – другие. Ионообменные свойства цеолитов обуславливаются также особенностями химического сродства ионов с кристаллической структурой цеолита. При этом, также как и при адсорбции молекул, необходимо соответствие размеров входных отверстий в цеолитовый каркас и замещающих ионов. Ионным обменом на цеолитах удается выделять ионы, извлечение которых другим методом подчас представляет большую сложность.

Классификация цеолитов Баррера по молярно-ситовому действию, показывает, какие молекулы по своим размерам могут адсорбироваться цеолитами того или иного типа. Классификация по структурному принципу была предложена Смитом, а позднее Мейером. На практике для обозначения структурного типа цеолита обычно используют буквы латинского алфавита А, Х, Y, S, T, L и т. д., перед которыми ставят символ катиона, содержащегося в цеолите в преобладающем количестве. Так, символы СаА или СаХ являются обозначением цеолитов типа А и Х в кальциевой форме.

Некоторые аквариумисты используют цеолит не только как сорбент и ионообменник, но и в качестве субстрата для биофильтра, "заявляя, что он работает по крайней мере не хуже, чем дорогие фирменные субстраты". Отработанный цеолит можно восстановить цеолит вымачиванием в течение суток в 10-15% растворе поваренной соли и последующей промывкой в проточной воде. Но при этом следует иметь в виду, что при использовании соли получается натриевый цеолит, который соответственно в дальнейшем будет замещать Ca++ и Mg++ на Na+, хотя если цеолит не для травника, то это не сильно проблематично.

Подробнее о цеолите можно прочесть в статье М. Спиридонова "Цеолит в аквариуме. Польза или вред", опубликованной в журнале Аквариум. № 6.2008 (скачать.pdf).

Торф

Торф обычно применяется в системах фильтрации или при водоподготовке при содержании дискусов и других южноамериканских цихлид. Он придает воде золотисто-янтарный цвет и делает аквариумную среду более благоприятной для рыбы, происходящей их биотопов с мягкой и кислой водой, а также стимулирует рыб к нересту. Химическая структура торфа недостаточно изучена, и когда идет речь о торфе и содержащихся в нем гуминовых веществах, имеется в виду сложная смесь веществ, практически не разлагаемых биологическими процессами. Наряду с водорастворимыми гуминовыми кислотами торф содержит смолы, минеральные и другие органические вещества. Нерастворимая в воде, состоящая из больших молекул часть торфа может функционировать как катионообменник и снижает жесткость — однако при жесткости более 6°dGH этот эффект незначителен. Гуминовые кислоты подкисляют воду. Кроме всего прочего, торф имеет определенные бактерицидные свойства. Торф может содержать высокие концентрации фосфатов и нитратов, поэтому перед применением его надо протестировать в отдельном сосуде.

Общие рекомендации по количеству используемого при этом торфа часто предлагают применять 1 литр сухого торфа на 100 литров воды. На самом деле свойства торфа из разных мест его добычи сильно отличаются, особенно по кислотности. Поэтому в каждом конкретном случае аквариумист должен самостоятельно определять дозировку. Применение в фильтрующих системах торфа требует контроля параметров воды и своевременной замены отработанного наполнителя, т.к. по мере использования он постепенно утрачивает свои рабочие свойства. Также следует иметь в виду, что при больших подменах воды состав торфованной воды в аквариуме изменяется, поэтому желательно делать небольшие, но частые подмены, либо доливать подменную воду, тоже предварительно подвергнутую торфообработке. Применение в фильтрующей системе торфа одновременно с активированным углем делает его бесполезным, так как продукты его экстракции будут адсорбированы углем.

В отечественной практике вместо свежего торфа, зачастую используют торфяной экстракт из вываренного торфа. Это позволяет надежно контролировать дозировки и уровень рН. Сам же торф применяется после многократного вываривания или в виде торфяной крошки на дно или в виде торфяных пластин.