Een waterontharder werkt meestal volgens het principe van ionenwisseling

Daarom noemt men het ook wel een ionenwisselaar of een kationwisselaar indien het gaat om het verwijderen van positief geladen calcium en magnesium deeltjes. Bij deze wisseling worden deze ‘harde’ deeltjes worden  bij deze wisseling namelijk vervangen door natrium.

Wij van BEEKWATER leggen u graag we uit hoe ons type waterontharder werkt maar wij vinden het verstrekken van informatie over de werking van andere methodes van waterontharding. Laten we starten om u de basis uit te leggen. Een waterontharder is meestal een ionenwisselaar. Meestal maar er ook andere methodes om water zachter te maken. We kunnen deze in 4 methoden onderscheiden als het gaat om het ontharden van water:

1. Pelletreactor
2. Osmose
3. Fosfaatdosering
4. Ionenwisseling

Wij houden leveranciers van magnetische waterontharders die u met dure reclames op tv vertellen dat magnetisme ook werkt. Daar denkt de wetenschap echter anders over. We houden deze techniek buiten beschouwing. We beperken ons hier tot de werking van de andere waterontharder technieken.

Pelletreactor
Door waterleidingbedrijven wordt de pellet reactor veel ingezet om centraal het water te ontharden. Deze techniek is uitermate geschikt om grote volumes aan water te maken ontharden. De basis van deze waterontharder wordt gevormd door een grote tank (reactor). Het systeem werkt door een oplossing van (meestal) natronloog toe te voegen gevoegd zodat de pH wordt verhoogt. Door de verschuiving van de evenwichtsreactie zorgt voor de kalkvorming.

Vervolgens wordt er een medium toegevoegd zodat de kalk neerslaat en de reactie op gang brengt. Daarna ontstaan er kalkpellets waar de waterontharder techniek naar is vernoemt.De pellets worden eruit gehaald. Om deze ontharding te stoppen wordt er weer zuur aan toegevoegd waarna de afzetting van kalkaanslag stopt.

Osmose
Osmose water noemt me ook wel gedestilleerd of gedemineraliseerd water. Als dit ontharing proces volledig is afgerond dan zijn alle “harde” deeltjes namelijk uit het water verdwenen. Osmose techniek vindt is eigenlijk heel erg fijn membraan waar het water doorheen wordt gepompt. Het water wordt doorgelaten maar de “harde” deeltjes blijven achter in het membraan (filter). Door deze  verliest het water zijn bufferende werking. Voor zo’n bufferende werking heb je namelijk Carbonaat nodig. Water waar alles uit verwijderd  is kan snel zuur worden. Omdat de pH snel kan stijgen is het niet geschikt om je cv ketel mee bij te vullen of te drinken.

Fosfaat doseren
Een techniek die niet meer populair als wordt beschouwd is het toevoegen van fosfaat aan water. De werkingis erg eenvoudig. Net als met waspoeder reageert fosfaat met kalk. Precies de reden waarom zeep 5 x minder goed werkt in hard water.

Kalk en fosfaat vormen suspensie, een soort smurrie, deze slaat neer. Hierdoor wordt het water wel zachter maar de aanslag is slechter dan kalk. Kalk & fosfaat vormen samen het kalkfosfaat complex.

Ionenwisselaar
Hoe een waterontharder op basis van ionenwisseling werkt wordt uitgebreid uitgelegd onder: “hoe werkt een ionenwisselaar”

Beknopte uitleg: De positief geladen ionen, ofwel de kationen, calcium en magnesium worden met behulp van deze speciale waterontharder hars uitgewisseld met natrium. Na enige tijd (afhankelijk van verbruik) heeft de hars alle calcium en magnesium verwijderd uit het water en moet deze weer worden opgeladen of wel geregenereerd (gereinigd) met een zout oplossing.(zouttabletten) De hars van de ionenwisselaar ondergaat eens in de zoveel tijd een kort durend reinigingsprogramma (volledig instelbaar op gewenste tijden) en is 20 minuten daarna weer gereed om weer een paar maanden uw water te ontharden.

Werking waterontharder 5 stappen

1. Water met calciumcarbonaat komt uw huis binnen langs de watermeter
2. Water wordt net achter de meter omgeleid naar de BEEKWATER machine, wordt door de hars van de ionenwisselaar geleid
3. Deze hars houdt de calcium en magnesium vast en levert 100% kalkvrij water
4. Natrium water wordt gewisseld
5. Hars wordt geregenereerd met zout water

Voordelen van de ionenwisselaar
De techniek van de waterontharder met ionenwisseling heeft zeer veel voordelen ten opzichte van de andere technieken. De betrouwbaarheid, kwaliteit en schaalbaarheid zijn voordelen. Maar een ander voordeel is dat er voor de BEEKWATER toepassing in uw woning tevens uw bestaande leidingen of bijvoorbeeld de cv-installatie worden ontkalkt. Met een ionenwisselaar wordt het water 100% kalkvrij teruggeleverd. Zonder dat het water de balans verliest en dus zijn bufferende vermogen behoudt. De carbonaat(hardheid) blijft met BEEKWATER ongemoeid zodat de pH minder reageert op schommelingen.

Ionenwisselaar wisselt ionen met elkaar. BEEKWATER is een kationwisselaar. Kationen zijn positief geladen deeltjes zoals Calcium en Magnesium.  Die positieve lading is van belang voor het wisselen.

De reactie waarbij hard water kalkaanslag afzet in de volgende evenwichtsreactie:

CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O ⇋ Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq)

Om de vorming van CaCO₃ tegen te gaan is het genoeg om alleen Calcium uit deze vergelijking te halen of juist Magnesium als u kijkt naar vorming de Magnesiumcarbonaat. Dit proces gebeurd dus met de techniek van een ionenwisselaar. Allemaal kleine synthetische hars bolletjes. Deze hars bolletjes zitten helemaal vol natriumdeeltjes die een enkelvoudige positieve lading hebben (Na⁺). Als het harde water langs de hars bolletjes stroomt dan komen er twee natriumdeeltjes los van de hars bolletjes en dat vrijgekomen plekje wordt ingenomen door een enkelvoudig Calciumdeeltje uit het harde water doordat dit een dubbelwaardige positieve lading heeft(Ca²⁺). Het zelfde principe geldt voor de winning van de Magnesiumdeeltjes. Het proces gaat constant door totdat de hele harscel ( tube met harsbolletjes) vol zit met Calcium en Magnesiumdeeltjes:

2NaCl + Ca2+ H– ⇋ 2 2Na+ H– + CaCl2

Wanneer het punt is bereikt dat de harscel (harspot/harstube) vol met Calsium en Magnesium zit. Dan draaien we het proces simpelweg om. Dat is het grootste voordeel van een ionenwisselaar. Door een zoute oplossing van NaCl (zout dus) over de hars te spoelen laten de Magnesium en Calcium deeltjes los en wordt de harscel weer ‘opgeladen’ met natriumdeeltjes. Het zoute water met daarin magnesium en calcium af spoelen we door de afvoer naar het riool.

Kationenwisselaars is de beste techniek om deeltjes (ionen) uit het harde water te halen. Hiervoor worden microscopisch kleine synthetische hars bolletjes gebruikt die verpakt zijn in een tube dat wij harscel noemen.

Bij BEEKWATER is de hars erg bijzonder. elke bolletje hars heeft dezelfde grootte en is slechts 350 micron in diameter. Als we dat vergelijken met ouderwetse waterontharders dan zijn onze hars bolletjes 3 x keer kleiner. Dat maakt de nieuwe BEEKWATER modellen veel efficiënter omdat het totale hechtingsoppervlak vele malen groter is.

Het water spoelt efficiënter tussen de harsbollejes door wat de waterdruk ook bevorderd. Meer contactmomenten dus met de Natrium waardoor de magnesium en calciumdeeltjes makkelijker en sneller worden verwijderd. Bijkomend voordeel van een zulke mini hars bolletjes is dat er op termijn geen hardheidslekken ontstaan zoals bij de oudere modellen wel eens voorkomt omdat het water de weg van de minste weerstand gaat volgen door de harstube  en daardoor capaciteit verliest. door de mini hars bolletjes wordt er dus tot 3 x meer capaciteit aangeboden dan onze oudere modellen. De zout reiniging is daardoor ook gereduceerd en bespaard tevens nog weer op zouttabletten.

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 worden sinds de jaren 40 gebruikt voor ionenwisselaars. Tot jaren 80 is er nauwelijks doorontwikkeld. De productie methode stond in de kinderschoenen. De polymerisatie deeltjes werden toen nog geproduceerd met een sterk heterogene samenstelling. Die deeltjes verschillen sterk van grootte. Polydispers noemt men dat in de chemie wereld.

In de jaren 80 kwam het bedrijf DOW met een doorbraak in de techniek van ‘ionenwisselhars’. Het bedrijf DOW had een techniek ontwikkelt waarmee uniforme mini harsbolletjes geproduceerd konden worden.

dit neemt men: Monodispers. Deze deeltjes worden direct geproduceerd en niet meer geselecteerd uit andere producties zoals met de polydisperse harsen gebeurde destijds. 

Monodispers is homogeen

90 % van de hars bolletjes in de harsen die gebruikt worden in de BEEKWATER vallen binnen een tolerantie van de gemiddelde diameter ±50 μm. Dat betekent dat het harstube homogeen is. De hars bolletjes in de BEEKWATER machine hebben een diameter van 350 μm.

Kinetische eigenschappen

De werking van de hars in een ionenwisselaar is afhankelijk van diverse factoren:

1. De rangschikking van de hars ofwel Matrix genoemd
2. De chemische productie samenstelling van de hars.

De afmeting van de hars bolletjes het grootste effect op de werking van de hars en goed doorspoeling.

Een beste werking van de hars in de ionenwisselaar wordt bepaald door de tijdsduur die nodig is om een balans te bereiken, ofwel Een evenwicht tussen de ionen bereiken.

Met evengrote mini hars bolletjes heb je een groter totaal oppervlak zodat het water sneller door de harstube spoelt.

Zowel bij het hars ‘opladen’ als bij de reinigingsfase is de diffusietijd en snelheid van belang omdat er meer ionen in oplossing zijn. Homogene monodisperse harsen presteren veel beter.

In polydisperse, heterogene harsen veroorzaken vooral problemen omdat de hars bolletjes van maat verschillen. Bottleneck effect. I.v.m. de verschillende grootte van de hars bolletjes  in de harstube zijn er veel lege plaatsen tussen de hars balletjes “de matrix” mooi voor de doorstroom denken de meeste echter in de praktijk blijkt dit onjuist te zijn omdat de kleinste hars bolletjes de lege plekken tussen de grotere hars balletjes opvullen en hierdoor juist een optimale waterstroom verminderen door de dichtheid van de samengeperste hars balletjes.

Mechanische en chemische stabiliteit

Testen voor ionenwisselharsen kijken naar wrijving, brosheid & osmotische shocks. Deze shocks bepalen de mate waarin de hars bolletjes kunnen en mogen uitzetten & krimpen tijdens het wisselen van de ionen.

Uit testen blijkt de hars die BEEKWATER gebruikt een veel hogere mechanische stabiliteit hebben dan conventionele hars soorten. Dit bevorderd tevens de levensduur van de hars en werkt ook beter

Conventionele ionenwisselaar systemen met polydisperse harsen verbruiken redelijk wat regeneratiemiddelen zoals zout en spoelwater en de doorstroom ondervind op den duur problemen. Er kunnen hardheidslekken ontstaan, De hars kan ook worden aangetast door een onjuiste onderhoudsbehandeling  met een chloor.

Monodisperse BEEKWATER hars heeft verbruikt minder zout. Hardheidslekken zijn door de strakke evenwichtige verdeling van de matrix nagenoeg onmogelijk.  

Maar het belangrijkste is dat met de hars van BEEKWATER de capaciteit tot meer dan dubbele toeneemt. Er kan dus tweemaal zoveel zacht water geproduceerd worden uit de BEEKWATER dan de conventionele oude maar nog volop gebruikte technieken. 

Wat is een ionenwisselaar en hoe deze: Positief geladen deeltjes (kationen) in een oplossing en/of vloeistof worden gewisseld tegen andere soort deeltjes. Zo kun je een oplossing en/of vloeistof vrij maken van ongewenste elementen zoals in het geval van een waterontharder worden de kationen calcium en magnesium gewisseld tegen twee natriumionen. Daarmee maken we het water zacht omdat het geen calcium, en magnesiumcarbonaat meer kan vormen. Vooral calciumcarbonaat is berucht omdat het de witte kalkstrepen in je douche veroorzaakt.

Maar hoe zit het met de geschiedenis van de ionenwisselaar of voluit kationenwisselaar? Wanneer werd deze voor het eerst gebruikt en waarom? Dat kun je lezen in dit artikel.

1850

Laten we beginnen bij het begin. Onderzoeker Harry stephen Meysey Thomson en de chemicus John thomas Way zagen dat een het afvalwater van een ammoniumsulfaat oplossing die je door een soort zandfilter liet stromen mineralen bevatten waaronder calciumsulfaat.

1905

In dit jaar ontwikkelde dr. Robert Gans in Duitsland een methode om met een natuurlijk zeolietmengsel deeltjes uit een oplossing te verwijderen waardoor het water zachter werd. Zeoliet is een (vulkanisch) gesteete ofwel een mineraal met hele poreuze eigenschappen. Zo kan heeft het een groot inwendig oppervlak en kan het veel water vasthoudt. De naam Zeoliet komt ook uit Grieks. Zein betekent koken en lithos betekent steen. Als je zeoliet namelijk verhit dan kookt het water eruit.

1910

In Moskou werd de eerste commerciële (op natuurlijk) zeoliet gebaseerde kationenwisselaar in gebruik genomen voor een elektriciteitscentrale waar ze water moeten verdampen.

1913

Het eerste synthetische zeoliet werd op de markt gebracht door Pfaudler Permutit, Inc in New York. De uitwisselcapaciteit van ionen op dit medium was oneindig veel groter dan op zijn natuurlijke tegenhanger.

1920

In 1920 waren ionenwisselaars voor huishoudelijk gebruik eigenlijk gewoon geminiaturiseerde versies van grote industriële waterontharders. Ze waren erg groot tot wel wel 70 a 80 centimeter in doorsnede. Dit was vanwege de lage capaciteit van het gebruikte medium van olivijnzand ofwel zeoliet. Deze eerste ionenwisselaars voor particuliere toepassing waren daarbij erg duur en alleen beschikbaar voor mensen met een goed gevulde portemonnee.

Het medium moest handmatig worden geregenereerd.

1924

In dit jaar startte Emmet Culligan zijn bedrijf. Samen met zijn buurman Lynn Lindsay ontwikkelde hij een kationwisselaar met een synthetische hars. Voor de werking van hun  systeem ontwikkelden ze een klep om de waterstromen door de waterontharder te controleren. Nu kon de middenklasse zich ook een oplossing voor kalkaanslag veroorloven.

1935

De Engelse chemicus Basil Albert Adams en zijn collega Eric Leighton Holmes introduceerden als eerste een fenolhars. Dit is een kunsthars die ze fabriceerden met een condensatiepolymerisatie van fenol met formaldehyde. Met deze hars kon je twee soorten media maken en zo zowel anionen als kationen uitwisselen. Op deze manier kon je niet alleen het water ontdoen van positief geladen ionen maar dus ook nog de negatief geladen deeltjes uit het water verwijderen om het zo volledig te demineraliseren.

1937

De eerste fabriek werd gebouwd om het water volledig te demineraliseren.

1945 – 1947

In deze jaren werd er intensief onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van een harsbed medium op basis van styreen-divinylbenzeen. Dit zou de ultieme doorbraak blijken te zijn en en de basis leggen voor de techniek die tegenwoordig nog steeds gebruikt wordt. Deze polymeer was stabiel, mechanisch sterk, en praktisch ongevoelig voor pH schommelingen zoals de fenolharsen.

Het duurde dan ook niet lang of er werden harsen ontwikkeld voor diverse specifieke  toepassingen zoals het verwijderen van nitraat, sulfaat, uranium, arseen en vele andere verontreinigingen.

In het begin van de ontwikkelingen konden ionenwisselaars slechts enkele honderden liters water behandelen. tegenwoordig is de capaciteit gegroeid naar enkele duizenden liters voor vergelijkbare volume eenheden uitwissel media. Idem voor het gebruik van regeneratie water en / of het gebruik van zout voor de regeneraties van de styreen-divinylbenzeen harsen.

Conclusie

Ionenwisseling heeft enorme ontwikkelingen doorgemaakt in de vorige eeuw. En de ontwikkelde toepassingen hebben hun weg gevonden in diverse sectoren wereldwijd zoals de agrarische sector om de melkproductie te verhogen maar ook in de energiesector, de farmaceutische industrie en natuurlijk in de private sector waar huishouden gretig gebruik zijn gaan maken van de mogelijkheden om kalkvrij water door hun leidingen te laten stromen.