Ionenwisselaar met harsfilter voor nazuivering van leidingwater

Er zijn verschillende technieken om water te ioniseren of deïoniseren. Water kan bijvoorbeeld alkalisch of basisch worden gemaakt met behulp van een water-ionisator. Hiermee wordt de zuurgraad van toevoerwater aangepast om drinkwater alkalisch oftewel basisch te maken. Naast ionisatoren zijn er ook ionenwisselaars. Een ionenwisselaar verandert niet de polariteit van elektrolytische mineralen, maar verwisselt ongewenste (positief en/of negatief geladen) elementen voor gewenste, onschadelijke tegenhangers. Dit gebeurt door water langs een filterbed van kunstharsen te leiden.

Aan deze harsen zijn ionen gebonden die reageren met de ionen in het toevoerwater, waardoor kalk en andere ongewenste mineralen uit je leidingwater en drinkwater verdwijnen…

Harsbedden met ionenwisselaarsharsen

Een ionenwisselaar is normaliter voorzien van harskolommen gevuld met styreen kunsthars. In een harskolom zitten miljoenen minuscule harsbolletjes die ook wel bekendstaan als harskralen. Er zijn verschillende soorten hars die op verschillende manieren zijn behandeld en zodoende verschillende soorten ionen aan zich kunnen binden. Deze harsen staan bekend onder allerhande termen, waaronder:

• Mengbedhars & onthardingshars
• Ionenwisselingsharsen & ion-uitwisselingshars
• Ionenwisselaarharsballetjes
• Kunstharsbolletjes, kunstharsgranulen & kunstharskralen
• Ionenhars: kationhars & anionhars
• Ioniserende of deïoniserende kunstharsen
• Harsfilter, harskern, harscilinder & harskolom
• Harsbed, harsbad & harsvat

In plaats van kunstharskralen oftewel ionenwisselaarsharsen kan tegenwoordig ook een ion-selectief membraan worden gebruikt. Opgeloste deeltjes bewegen dan in een elektrodialyse-cel (ED-cel) onder invloed van elektroden en worden gebonden aan een harsmembraan.

Verschillende harssoorten…

Er zijn verschillende harssoorten met ieder hun unieke deïoniserende eigenschappen. De soort bepaalt de selectiviteit en daarmee de functie van de ionenwisselingshars; zo heb je specifieke harsen voor het verwijderen van o.a. jodium, nitraat, silicaat en fosfaat uit drinkwater. Meestal is een ionenwisselaar voorzien van een multifunctioneel DI mengbedhars van (sterk) zure kationharsen en (sterk) basische anionharsen. Zo’n DI-filter heeft een zeer brede selectiviteit v.w.b. ionen/elektrolyten…

Wanneer leidingwater door een kwalitatief hoogwaardig mengbedhars wordt geleid, komt de ionenwisselaar een oneindig aantal combinaties tegen van katione en anione mineralen. De ionenwisselaarshars vervangt alle positieve ionen (Na, Ca, Mg, K etc.) door H+ en alle negatieve (Cl, SO4, CO3 etc.) door OH-. De truc is dat H+ en OH- tezamen zuiver water vormen. Zodoende kan tot 99,99% van alle ongewenste kationen en anionen door een “Kati-Ani-Filter” uit het drinkwater worden verwijderd, dus er ontstaat nagenoeg 100% ionenvrij water. (bron)

Niet alleen de soort hars is belangrijk; de effectiviteit van ionenwisselingshars is tevens afhankelijk van de kwaliteit van de hars. Dus van hoe sterk een harskolom is geladen c.q. gegenereerd c.q. geïoniseerd. Harsen kunnen namelijk zwak of sterk worden geïoniseerd… Kationharsen kunnen zwak zuur of sterk zuur zijn; anionharsen kunnen zwak alkalisch of sterk alkalisch zijn. Bovendien speelt de hoeveelheid ionen die aan elk van de harsbolletjes gebonden is een cruciale rol.

Zwakke harsen wisselen alleen uit met zwakke zuren of basen. Een zwakke ionenwisselaar heeft zodoende een grotere capaciteit en gaat langduriger mee, maar is ook minder nauwkeurig. Je moet je dus altijd afvragen: welke ionen wil ik verwijderen en in welke mate? Sowieso zijn extreem goedkope harsen doorgaans minder lang werkzaam dan duurdere harssoorten. Ionenwisselingshars raakt na verloop van tijd namelijk verzadigd en verzadigde hars dient te worden vervangen of geregenereerd!

Al met al bestaan er qua gebruikte harssoorten aanzienlijke verschillen in kwaliteit. Inferieure harsen zijn goedkoop, maar verliezen relatief snel hun capaciteit, efficiëntie en regeneratievermogen.

Ion-selectief versus mengbed

Er zijn ionenwisselaars met alléén een losse kationhars en een losse anionhars of alléén een mengbed. In een wat duurdere ionenwisselaar vindt je doorgaans beide terug. Voordeel van een selectieve hars is dat ‘ie extreem zuur of basisch is en zodoende niet ontvankelijk is voor bacteriën. Een mengbed daarentegen, heeft een neutrale pH en is zodoende wél een potentiele broedhaard voor bacteriën. Een bijkomend nadeel van een mengbed is bovendien dat het dient te worden vervangen zodra één van beide harssoorten verzadigd is, óók al is de andere hars vrijwel onbenut gebleven. Tot slot is een mengbed relatief lastig om te regenereren omdat de zure en basische harskorrels vermengd zijn.

Ionenwisselaar voor thuisgebruik

Leidingwater wordt binnen een ionenwisselaar over een met bolletjes kunsthars gevulde kolom geperst, waarbij de in het water opgeloste ionen worden uitgewisseld voor de op de hars gehechte ionen…

Een klassieke ionenwisselaar (IW) is een ‘Mixed Bed Demi Installatie’ op basis van harsen en zouten waarmee water wordt onthard c.q. ontzout c.q. gedeïoniseerd c.q. gedemineraliseerd. Een ionenwisselaar filter onder andere kalk uit leidingwater. Van oudsher zijn het dan ook ionenwisselaars die te boek staan als ‘waterontkalker’, ‘waterontharder’ en ‘waterverzachter’. Dergelijke anti-kalkfilters verwijderen dus kalk uit leidingwater en voorkomen zodoende kalkaanslag…

Het belangrijkste nadeel van ionenwisselaars is ongetwijfeld dat de harsen die ionen uitwisselen op den duur verzadigd raken. Naarmate harsen meer en meer ionen uitwisselen met water, raken ze namelijk steeds zwaarder beladen. Verzadigde hars moet worden verwisseld voor nieuwe hars of worden geregenereerd. Bij de meeste deïonisatoren dient de harskolom periodiek –ten minste jaarlijks en vaak halfjaarlijks– te worden vervangen. Er zijn echter ook ionisatieapparaten waaraan periodiek regeneratiezout dient te worden toegevoegd, waardoor de hars langduriger kan worden gebruikt. Tot slot zijn er ionenwisselaars die zichzelf continu regenereren, maar die zijn erg zeldzaam. (bron)

Een enkele roulatie van water door een ionenwisselaar garandeert overigens niet per se dat álle ionen verdwenen zijn. Er is namelijk voldoende contact nodig voor optimale uitwisseling, dus meerdere rotaties/circulaties. Hiervoor is een deugdelijk apparaat nodig dat zorgdraagt voor een optimale temperatuur, toevoer en doorstroomsnelheid van leidingwater. Bij ionenwisseling mag sowieso nooit te veel watervolume tegelijkertijd worden aangevoerd; meestal tussen de 3 en 5 GPM; dit garandeert voldoende contact tussen water en hars.

Water kan eventueel ook worden ontkalkt met een osmosemembraan, al is een wisselaar consequenter op dit gebied. Zie hier de voordelen en nadelen van beide opties. Daarnaast zijn er nog anti-kalkmagneten die niet tússen de waterleiding worden geplaatst, maar eromheen. Ze filteren de ionen niet uit het water, maar neutraliseren ze tot op zekere hoogte, waardoor kalkaanslag wordt teruggedrongen.

Gedeïoniseerd kraanwater drinken…

Ionenwisseling is een uitstekende manier om in water opgeloste mineraalzouten uit water te filteren. Toch is het niet per se raadzaam om zulk zuiver/gepurificeerd water te drinken. Mineralen kunnen dan wel kalkaanslag veroorzaken en om die reden worden aangemerkt als ‘onzuiverheden’, maar je lichaam heeft ze evengoed nodig als bouwstof, als elektrolyt en als component van allerhande hormonen, enzymen, vitamines en lichaamssappen.

Je lichaam neemt kleine beetjes van bepaalde mineralen (calcium, magnesium, kalium, fosfor e.a.) op uit kraanwater. Zuiver water is dus niet per definitie gezonder dan ietwat ‘onzuiver’ water.

Regenereren van ionenwisselingshars

In relatief goedkope apparaten zitten wegwerpharskolommen; deze dienen in z’n geheel te worden vervangen voor nieuwe exemplaren. In wat duurdere apparaten zitten filterhuizen met grote (mengbed)harskernen die kunnen worden geregenereerd met behulp van regeneratiezout, waarna ze kunnen worden hergebruikt. Een kwalitatief hoogstaande ionenwisselaar bevat in elk geval een:

• Kationenwisselaar & anionenwisselaar
• Kooldioxide-uitdrijftoren
• Mixed Bed Filter (MBF), bestaande uit een H & OH wisselaar

Na ongeveer één jaar dient hars sowieso te worden vervangen voor spiksplinternieuwe!

Als de kationfilter en de anionfilter verzadigd zijn geraakt, moeten ze in elk geval worden geregenereerd. Met het kation filter geschiedt dit doorgaans met behulp van zoutzuur; bij het anionfilter veelal met natronloog. In principe dient zo’n beetje iedere ionenwisselaar voor particulier thuisgebruik periodiek te worden geregenereerd. In veruit de meeste gevallen kun je het regenereren van harskolommen maar beter overlaten aan professionals omdat er extreem zure en extreem basische stoffen aan te pas komen.

De precieze levensduur van ionenwisselingshars is overigens sterk afhankelijk van de samenstelling van je leidingwater. Daarnaast geldt: hoe beter de kwaliteit van de hars, des te minder vaak je in de weer hoeft… Ga bij de aanschaf van een ionenwisselaar altijd voor een exemplaar met een 10 inch navulbare en vervangbare ionisatiefilter; zo’n apparaat kan in geval van verzadiging gemakkelijk van nieuwe ionenwisselingsharsbolletjes worden voorzien.

In principe zijn er twee manieren van ‘vernieuwen’; de vulling (bruine harskorrels) worden uit de kolom gehaald en de cartridge wordt opnieuw gevuld óf je krijgt een volledig nieuwe harscilinder mee. Er zijn overigens niet veel plekken waar je verzadigde ionenwisselaarsharsen kunt laten regenereren of harskolommen kunt laten hervullen. Zorg dus dat je een beschikbare plek voor ogen hebt voorafgaand aan de aanschaf van een ionenwisselaar.

Verzadigde harsen moeten hoe dan ook op tijd worden vervangen; de verzadiging kan gemakkelijk worden gemeten indien een apparaat is voorzien van een TDS-meter (v.w.b. opgeloste stoffen of een EC-meter (v.w.b. elektrische geleidbaarheid). Gebruik in ieder geval altijd onthardingszout volgens de handleiding van jouw ionenwisselaar en houd het zoutreservoir te allen tijde minstens halfvol.

Voor de regeneratie van harskralen zijn zuren, logen of zouten vereist. Een ionenwisselaar die uitsluitend calcium en magnesium verwijdert, kan veelal worden geregenereerd met een simpele zoutoplossing met natrium(loog) of zelfs rotszout, zeezout of ingedampt zout.

Zelf-regenererende ionisatoren

Hypermoderne ionisatieapparaten en/of ionenwisselaars die zichzelf continu regenereren worden soms ook wel Continue Elektrodeïonisator (CEDI) genoemd. Zulke apparaten zouden in de toekomst interessant kunnen worden voor huishoudens, maar worden vooralsnog niet binnenshuis gebruikt. Hierbij enkele tot nog toe industriële toepassingen van water-deïonisatie:

• Elektrodialyse (ED): water zuiveren met behulp van een elektrodialyse-cel en selectieve ionenwisselende membranen in concentraatcompartimenten (bron)
• Elektrodeïonisatie (EDI) oftewel: geavanceerde vorm van (de)ionisatie voor extreem puur water (bron)
• Continue Elektrodeïonisatie (CEDI): automatisch + continu regenererende vorm van EDI (bron + bron)
• Reverse Electrodialysis (RED) oftewel omgekeerde elektrodialyse, afgeleid van omgekeerde osmose (bron)

Binnen elk van bovengenoemde technieken/apparaten kán in principe elektrolyse plaatsvinden. In theorie kan hiermee water worden gesplitst in H+ en OH- ionen, een eventuele ionenwisselaarhars continu worden geregenereerd en de zuurgraad van water worden gewijzigd.

In betaalbare ionenwisselaars die louter dienen als waterontharder voor leidingwater vind je bovengenoemde technieken overigens niet terug en moet je het stellen met regeneratiezout en vervangbare harsfilters. De meeste particuliere ionenwisselaars werken niet eens op elektriciteit. Hoewel er dus continue elektrodeïonisatoren (CEDI’s) bestaan die met behulp van semipermeabele membranen, elektrisch geladen anoden en kathoden en elektrodialyse (ED) continu worden geregenereerd, worden ze in een standaard ionenwisselaar voor thuisgebruik niet toegepast.

Overigens komen er al wel steeds meer ioniserende en dialyserende elektrolyse-ionisatoren –ook wel ‘water alkalizers’ of ‘water ionizers’ genoemd– voor consumenten op de markt. Deze apparaten zijn echter niet bedoeld om leidingwater te zuiveren en ontharden, maar om drinkwater te ontzuren en basisch c.q. alkalisch te maken. Zulk gealkaliseerd drinkwater staat ook wel bekend als ‘alkalinewater’ of ‘kangenwater’.

Maar al te vaak is ionenuitwisseling een vervolgstap ná ommekeerosmose.

Tot slot

Ionenuitwisseling wordt binnenshuis gerealiseerd met een zogenaamde ionenwisselaar. Dit is een apparaat voorzien van een harsfilter gevuld met (gesulfoneerde) kunstharsen waaraan bepaalde ionen gebonden zijn. In een laboratorium worden de kunstharsbolletjes in een kolom gestopt en geïoniseerd middels kolomchromatografie, waardoor ionenwisselaarsharsen hun eigen uitwisselingsionen kunnen omruilen voor ongewenste ionen uit water.

In principe bestaat een modern ionenwisselingssysteem uit een selectieve zure kationenwisselaar, een selectieve alkalische anionenwisselaar, een mengbedfilter met ‘kati-ani-hars’ en een kooldioxide-uitdrijftoren… Het ionenwisselingsapparaat zorgt ervoor dat de aan de harskralen gebonden onschadelijke kationen en anionen worden omgewisseld voor de ongewenste ionen in het toevoerwater. De behandelde harsen kunnen dus ‘slechte’ ionen aan zich binden en ‘goede’ ionen afstaan aan het water.

Zoals een positief geladen magneet een negatief geladen magneet aantrekt, kunnen ionenwisselaars in water opgeloste ionen aantrekken, aan zich binden en omwisselen voor waterionen, waardoor puurder c.q. zuiverder water ontstaat. In geval van ionenuitwisseling worden anione c.q. anionische en katione c.q. kationische harsen ingezet. De hars in het kationfilter is geïoniseerd en beladen met H+ ionen en het hars in het anionfilter is geïoniseerd en beladen met OH- ionen. Hetzelfde geldt voor het mixed bed filter. Hiermee kunnen specifieke ionen selectief uit water worden verwijderd. (bron)

Eerst worden positief geladen zware metalen zoals lood en kwik uitgewisseld voor kalium. Hardheidsmineralen zoals calcium, magnesium en ijzer worden uitgewisseld voor natrium. Het eindresultaat is dat alle elektrisch geladen onreinheden die in het water aanwezig waren, zijn uitgewisseld tegen H+ en OH- ionen, die tezamen watermoleculen zullen vormen. Zodoende kan met behulp van ionenuitwisseling snel en energie-efficiënt ionenvrij drinkwater worden geproduceerd.

Overigens bevat water dat door een ionenwisselaar is gestuurd nog wel alle niet-elektrisch-geladen (anionische) onzuiverheden, waaronder bepaalde organische stoffen, hormonen, industriële chemicaliën, medicijnresten en eventuele bacteriën en virussen.

Heb jij thuis een ionenwisselaar om jouw leidingwater te zuiveren en ontharden c.q. ontkalken? Laat hieronder weten wat jij vindt van harsfilters voor drinkwater!