Waar is het harsbed van de AquaCell waterontharder van gemaakt?

Het harsbed van de AquaCell is gemaakt van zeer zeer fijne en monodisperse hars. Monodispers betekent dat alle deeltjes van gelijke vorm en formaat zijn en dat heeft grote voordelen. Zo gaat deze hars heel efficient om met regeneratiezout en spoelwater, terwijl de doorstroom optimaal is en het water gegarandeerd 100% kalkvrij. 

Zoals gezegd is AquaCell een kationwisselaar. De ‘harde’ deeltjes calcium en magnesium wisselen zichzelf in tegen natrium. Dat ziet er zo uit:

Ontharding:
2Na+ H– + Ca2+ ⇋ Ca2+ H–2 + 2Na+
2Na+ H– + Mg2+ ⇋ Mg2+ H–2 + 2Na+

Regeneratie:
2NaCl + Ca2+ H– ⇋ 2 2Na+ H– + CaCl2
2NaCl + Mg2+ H– ⇋ 2 2Na+ H– + MgCl2

H is de hars.

De synthetische harsen van styreen-divinylbenzeen die sinds de jaren 40 gebruikt werden voor ionenwisselaars werden sindsdien eigenlijk niet meer echt doorontwikkeld. De methode van productie stond dit in de weg doordat er tijdens de polymerisatie deeltjes werden geproduceerd met een sterk heterogene samenstelling. Die deeltjes hebben een (sterk) verschillende grootte. Dit noemen we ook wel polydispers in de chemie.

Pas in de jaren 80 kwam er een doorbraak in deze ‘ionenwisselhars’ toen het bedrijf DOW een techniek ontwikkelde waarmee zeer kleine maar vooral ook allemaal zeer uniforme harsbolletjes geproduceerd konden worden. Monodispers noemen we dit. Deze deeltjes worden direct geproduceerd en niet geselecteerd uit andere batches zoals met polydisperse harsen gebeurde in een poging de efficiëntie te verbeteren.

Monodispers is homogeen

90 tot 95 procent van de harsbolletjes in de harsen die gebruikt worden in de AquaCell vallen binnen een tolerantie van ±50 μm van de gemiddelde diameter.
Dat betekent dat het harsbed heel homogeen van samenstelling is. De hars in de AquaCell heeft een diameter van 350 μm.

In figuur 1 wordt het verschil duidelijk gemaakt tussen de distributie van de deeltjes in een polydispers hars van een conventionele ionenwisselaar en een 500 μm uniforme monodisperse hars.

Kinetische eigenschappen

De prestatie van de hars in een ionenwisselaar wordt bepaald door:

1. De matrix ofwel de rangschikking van de hars
2. De (chemische) samenstelling van de hars

Het belang van de afmetingen van de harsbolletjes is daarbij uitgebreid beschreven in de literatuur [1][2][3][4]. Deze afmeting heeft namelijk een groot, zo niet het grootste effect op de werking van de hars.

Om dit te begrijpen moeten we nog iets dieper in de zogenaamde kinetische eigenschappen van de harsbolletjes duiken.

Een optimale werking in het harsbed van de ionenwisselaar wordt met name bepaald door de diffusietijd die nodig is om een equilibrium te bereiken. Een evenwicht tussen de ionen volgens de vergelijking van Fick[1]. Er zijn daarbij drie stappen van belang:

1. Ionenwisseling van het grootste gedeelte van de oplossing naar de film die het harsbed omringt. Dit proces heeft niets te maken met de grootte of de verdeling van de harsbolletjes.

2. Ionenwisseling door de film naar het oppervlak van het harsbed. De snelheid van deze diffusie is uit te drukken in 1/r, waarbij r de diameter van de harsbolletjes is. Met kleinere harsbolletjes heb je een groter oppervlak waardoor het water zich dus sneller over het harsbed verspreid.

3. De snelheid van de diffusie (en dus de ionenwisseling) in de hars zelf laat zich uitdrukken in 1/r2. Hier is het effect van kleinere harsbolletjes dus nog sterker.

Zowel bij het ‘opladen’ van de hars maar vooral juist in de regeneratiefase is de snelheid waarin diffusie plaats kan vinden van belang omdat er dan meer ionen in oplossing zijn. Spitsuur zeg maar. Juist dan presteren homogene monodisperse harsen veel beter. In polydisperse, heterogene harsen ontstaan de problemen vooral door de afwisseling van kleine met grote bolletjes. De grote deeltjes zijn ‘langzamer’ en vormen een bottleneck voor snelle en efficiënte diffusie.

Mechanische en chemische stabiliteit

Stress testen voor ionenwisselharsen kijken met name naar brosheid, wrijving en osmotische shock. Dat laatste bepaalt de mate waarin de harsbolletjes kunnen uitzetten en krimpen tijdens het wisselen van ionen.

Tijdens testen blijkt de hars die gebruikt wordt in de AquaCell een veel grotere mechanische stabiliteit te hebben dan conventionele harsen (tabel 1). Dit resulteert in een grotere levensduur van de hars en een betere werking.

Hydraulische eigenschappen

Drukverlies (ΔP) in een kolom harsbolletjes wordt omschreven door de vergelijking van Leva [6]. Belangrijke factor in deze vergelijking is wederom de diameter van de harsbolletjes.

Een polydispers hars heeft door de verschillende grootte van de harsbolletjes  in het harsbed veel lege plaatsen in de matrix waarin ze gerangschikt zijn. Je zou misschien denken dat dit eenvoudiger water doorlaat. In de praktijk blijkt dit niet het geval te zijn doordat de kleinste bolletjes de lege plekken opvullen en hiermee alsnog de waterstroom afremmen.

Conclusie

Conventionele ionenwisselaar systemen met polydisperse harsen blinken dus niet uit in efficiëntie. Ze verbruiken redelijk wat regeneratiemiddelen zoals zout en spoelwater en de doorstroom houd niet over. Er kunnen zelfs hardheidslekken ontstaan, bijvoorbeeld door aantasting van de mechanische integriteit. Deze kan worden aangetast door een verkeerde onderhoudsbehandeling zoals een desinfectie met een chloorverbinding.    

De monodisperse AquaCell hars heeft 3 tot 5 maal minder afvalwaterproductie voor dezelfde hoeveelheid ontharde liters die je door een polydisperse hars zou laten produceren. Hardheidslekken zijn door de strakke matrix verdeling nagenoeg onmogelijk.  

Maar het belangrijkste is dat de operationele capaciteit tot meer dan 100% toeneemt. Met andere woorden: Figuur 5 laat zien dat er tweemaal zoveel zacht water door de AquaCell geproduceerd kan worden in dezelfde tijd bij een gegeven waterhardheid.

Literatuur

[1] Ion exchange Technology F.C. Nachod; S. Schubert 1956 p.68.
[2)] Water Purification by ion exchange TV Arden 1968 p. 41.
[3] Separation par echangeur d’ions Tremillon 1965 p. 64.
[4] R. R. Harries; CEGB The role of pH in ion exchange kinetics; SCI Cambridge 1988 presentation.
[5] Leva, Chem. Eng. 56 (5) 1 15-1 17 (1949).
[6] AFNOR PrT 90601 test.