IONINVAIHTO ON monen muun käyttösovelluksen lisäksi vedenkäsittelytekniikka, jolla valmistetaan suurin osa teollisuuden käyttämästä suolattomasta ja pehmennetystä vedestä. Teknologia perustuu ioninvaihtohartsiin, jolla on kyky oman kemiansa kautta. Siinä vaihdetaan käsiteltävässä vedessä olevat kationit ja anionit hartsiin regeneroinnissa ladattuun ioniin. Ajojakson aikana regeneroinnissa hapolla ja emäksellä elvytetyt hartsit vaihtavat kapasiteettinsa verran ioneja ja tekevät prosessin mitoituksen mukaisen määrän suolatonta vettä seuraavien pääreaktioiden mukaisesti:

kationinvaihtohartsi (R-) R-H+ + Na+ + Cl- ➔ R-Na+ + H+ + Cl- anioninvaihtohartsi (R+) R+OH- + H+ + Cl- ➔ R+Cl- + H2O

Ioninvaihtoprosessin erittäin tärkeä ominaisuus on sen jaksollisuus. Ajojaksot ja regeneroinnit seuraavat toisiaan. Kyseessä on panosprosessi, jossa käytössä pidettävyys on toiminnan perusedellytys.

Tästä tuotantoon kuuluvasta normaalista toiminnasta voidaan ja pitää erottaa määräajoin tehtävät kunnossapitotoimet tai paremminkin ennakkohuoltotoimet, joissa pätevät samat lainalaisuudet kuin missä tahansa muussa kokonaisuudessa: kriittiset kohteet tulee olla luokiteltu, huollon suunnittelua tehdään lyhyellä, mutta myös pidemmällä aikavälillä ja toimenpiteiden sekä huomioiden kirjaaminen tehdään sovittujen käytäntöjen mukaisesti.

Hartsien kunnosta on pidettävä huolta

Hartseilla on tärkein osa ioninvaihtoon perustuvassa suolanpoistossa. Niiden kunnosta huolehtiminen ja kunnonmuutoksen ennakointi on prosessin toiminnan kannalta keskeistä. Ioninvaihtohartsit ovat kulutustavaraa, ja niiden käyttöikä vaihtelee hartsityypistä sekä käsiteltävästä vedenlaadusta toiseen. Käyttöiän ja tuotetun vedenlaadun kannalta erityisen haastavia ovat kationihartseille vedet, joissa on suuret kiintoaine-, rauta-, alumiini- ja kovuussuolapitoisuudet. Lisäksi rasvat ja öljyt ovat myrkkyä hartsien kinetiikalla.

Vähitellen tapahtuva ilmiö likaa vähitellen anionihartsin. Ratkaisuna on määräajoin tehtävä erityispesu suolalla ja natriumhydroksidilla.

Anioninvaihdin sijoitetaan prosessissa kationinvaihtimen jälkeen. Näin se on suojassa mekaanisesti ja kemiallisesti kationinvaihdinta likaavilta komponenteilta. Anionihartsin käyttöikää ja toimintaa vaarantaa käsiteltävän veden suuret orgaanisten aineiden pitoisuudet, jotka lähes poikkeuksetta ovat luonteeltaan anionisia ja suurimolekyylisiä. Orgaaninen likaantuminen on tapahtuma, jossa hartsin ajojakson aikana vedestä poistama aines ei regeneroinnissa ehdi poistua hartsista vaan jää sinne. Jaksottaisesti toistuva ilmiö likaa vähitellen anionihartsin. Ratkaisuna on määräajoin tehtävä erityispesu suolalla ja natriumhydroksidilla (kuva 1). Käsiteltävän veden korkea silikaattipitoisuus saattaa myös liata anionihartsin. Silikaatin taipumus polymeroitua hartsin sisään on estettävissä oikein toteutetulla regeneroinnilla.

Ioninvaihtohartseista tulee pitää huolta jatkuvasti. Muutokset niiden kunnossa havaitaan vertaamalla ajojaksossa läpi ajettua vesimäärää ja laatua. Tästä käytössäpidettävyydestä erotettavalla ennakkohuollolla tarkoitetaan hartsien kohdalla tyypillisesti vuosittain tehtäviä erityispesuja, tuplaelvytyksiä ja rikkoutuneen hartsin poistoa.

Erityispesuilla tarkoitetaan jo aiemmin mainitun suolapesun kaltaisia toimia. Kationihartseille tehtäviä erityispesuja

ovat raudan ja alumiinin poistamiseen tarkoitettu suolahappopesu, kovuuden aiheuttaman likaantumisen pesu suolahapolla sekä typpihapolla tai tehokkaimmillaan kompleksinmuodostajilla.

Öljylikaantuneen hartsin kunnon voi palauttaa ainakin osittain ionisoitumattomalla pinta-aktiivisella pesuaineella.

Hartsivalmistajat ovat kehittäneet tähän käyttötarkoitukseen erityistuotteita. Tuplaelvytyksessä normaali regenerointiohjelma ajetaan läpi siten, että kemikaalimäärä tuplataan pidentämällä

kemikaalisyötön aikaa. Hartsin ja elvytyskemikaalin kontaktiaikaa pidentämällä tehostettu regenerointi on tehtävä aina, kun hartsi poistetaan vaihtimesta tai sille on tehty jokin muu kuin elvyttävä erityispesu.

Ioninvaihtoprosessista on olemassa muutama toisistaan poikkeava sovellus. Yhteistä kaikille on, että ne tavoittelevat parempaa kemikaalitaloutta, hyvää käsitellyn veden laatua sekä mahdollisimman pientä jätevesimäärää.

Käytännössä merkittävimmät erot prosesseissa ovat seuraavat:

• Ajetaanko käsiteltävä vesi vaihtimeen alhaalta vai ylhäältä?

• Ajetaanko elvytyskemikaalit samasta suunnasta (myötävirtaprosessi) vai eri suunnasta (vastavirtaprosessi) kuin käsiteltävä vesi?

• Tarvitaanko prosessiin minimikiertopumppua?

• Onko vastavirtahuuhtelu vaihtimissa mahdollista?

Hartsien kannalta suurin merkitys on siinä, saadaanko käytön aikana pienemmiksi partikkeleiksi hajonnut hartsi poistettua normaalien regenerointien yhteydessä tapahtuvilla vastavirtahuuhteluilla. Erillistä pesusäiliötä voi suositella kaikille prosesseille, mutta ehdottoman tärkeää se on prosesseille, joissa vastavirtahuuhtelu ei ole mahdollista. Hajonnut hartsi, kuten muukin kiintoaine, aiheuttaa painehäviön kasvua ja kanavoitumista vaihtimessa heikentäen prosessin toimintaa. Pesusäiliössä tehty paineilmalla tehostettu vastavirtahuuhtelu mahdollistaa hajonneen hartsin poiston.

Mittalaitteiden toiminta on varmistettava

Vedenkäsittelyä ei voi hallita ilman mittalaitteita. Ioninvaihtoprosessia valvotaan ja ohjataan virtausmittauksien, painemittauksien, lämpötilamittauksien ja veden puhtautta mittaavien mittalaitteiden sekä analysaattoreiden avulla.

Hartseihin saadaan pieni väriero esimerkiksi suolahappopesulla, jolloin alhaalla oleva kationihartsi tulee H+ muotoon ja anionihartsi vaalenee.

Painetta ja erityisesti painehäviötä vaihtimien yli mitataan hartsipatjan ja itse vaihtimen fysikaalisen kunnon seuraamiseksi. Lämpötilan mittauksella on erityinen rooli anioninvaihtimen regeneroinnissa, sillä siinä natriumhydroksidiliuoksen (NaOH) lämpötila nostetaan 40 asteeseen silikaatin liukoisuuden lisäämiseksi. Lämpötilamittauksessa oleva 20 – 25 prosentin virhe johtaisi joko heikkoon regenerointitulokseen tai virheen ollessa alaspäin hartsin eliniän lyhenemiseen noin 10 – 8 vuodesta 6 vuoteen.

Virtausmittauksen rooli korostuu prosesseissa, joissa hartsi pakataan vaihtimen yläosaan ajojakson aikana. Hartsipatjan pudotessa tai pyörähtäessä vedenlaatu heikkenee välittömästi. Minimivirtausta pidetään tarvittaessa yllä kiertopumpulla. Pumppu saa ohjaustietonsa virtausmittauksesta, joka vaikuttaa suoraan prosessin toimintaan.

Edellä esitellyille mittalaitteille määräajoin tehtävä puhdistaminen riittää ennakkohuolloksi, mutta veden puhtautta mittaavien analysaattoreiden ennakkohuolto on perinteisesti erittäin suunnitelmallista ja määrävälein tapahtuvaa toimintaa. Ioninvaihdosta mitataan jatkuvatoimisesti veden sähkönjohtokykyä sekä silikaatti- ja natriumpitoisuutta. Silikaatti- ja 

Tarkastettavia kohteita ovat yhteet, materiaalipaksuudet ja kosteuden tai huurujen poistoon käytetyt laitteet.

natriumanalysaattorihuollot voidaan ulkoistaa laitetoimittajalle, mutta prosessin tärkeimpänä mittauksena toimiva sähkönjohtokyky jää yleensä vaille huomioita.

Veden sähkönjohtokyky kuvaa vedessä olevien liuenneiden aineiden kokonaispitoisuutta ja kertoo suoraan ioninvaihdon toiminnan. Sähkönjohtokyky on luotettava mittaus. Mittaustulos riippuu lämpötilasta ja vaikka mittareissa onkin sisäänrakennettu lämpötilakompensointi, lämpötila-anturi on se, jonka toiminta tulee säännöllisesti tarkistaa. Anturien puhdistaminen tulee kuulua ennakkohuolto-ohjelmaan. Mikäli regeneroinnissa käytetään johtokykymittausta oikeiden elvytysliuosten pitoisuusprosenttien varmistamiseksi, nämä mittarit tulee kalibroida vuosittain.

Yhteenveto prosessin toiminnasta

Kuten muissakin vedenkäsittelyprosessissa, ioninvaihtoprosessissa on venttiileitä, pumppuja ja toimilaitteita, jotka varmistavat prosessin toiminnan. Erityishuomio ioninvaihtoprosessissa tulee kohdentaa mahdolliseen esisuodattimeen, minimikiertopumppuun, vaihtimien sisäpuoliseen kuntoon, hartsinpidättimiin sekä välipohjiin ja suuttimiin.

Aina kun vaihdin on tyhjä, sinne kannattaa kurkata. Tarkastettavia ja huollettavia kohtia ovat mahdollinen pinnoitus, näkölasit ja jakotukit. Jakotukkien kunnon voi todentaa ajamalla vettä niistä läpi ja kumioidun vaihtimen pinnoitusta voi ohentuneista kohdista tarkistaa magneetilla. Vaihtimen sisältä käsin tulee tarkistaa myös välipohjien kannakoinnit sekä suuttimet ts. ”tatit”. Erityyppisissä prosesseissa suuttimien rakenteet vaihtelevat jonkin verran toisistaan.

Yhteistä näille kaikille on se, että mikäli ne on kiinnitetty kierteillä itse välipohjaan tai vastakappaleeseen, ne tulevat löystymään jollain aikavälillä. Tattien kiristys takaa sen, että hartsia ei karkaa pois vaihtimesta. Hartsinpidätin on erityinen putkeen asennettava suodatinverkko, joka estää karanneen hartsin kulkeutumisen eteenpäin prosessissa toiseen vaihtimeen tai käsiteltyyn veteen. Hartsinpidättimet tulee huoltaa vuosittain. Puhdistus ja silmäkoon tarkistus tulee kuulua perustoimenpiteisiin.

Sekavaihdin on erityinen osa ioninvaihdon suolanpoistoprosessissa. Tässä vaihtimessa kationi- ja anionihartsi sijoitetaan samaan vaihtimeen. Ajojakson aikana hartsit ovat sekoitettuna optimaalisen käsittelytuloksen aikaansaamiseksi, mutta regenerointia varten hartsit tulee erottaa toisistaan. Hartsit erotetaan toisistaan oikein mitoitetun vastavirtahuuhtelun avulla. Erotuksen tuloksena kationihartsi jää vaihtimen alaosaan ja anionihartsi kerrostuu yläosaan.

Oikein mitoitetussa sekavaihtimessa hartsien rajapinta asettuu elvytyskemikaalien keräilytukin kohdalle. Käsitellyn veden laatu heikkenee samassa suhteessa, missä hartsit ylittävät keräilytukin. Perinteisesti sekavaihtimeen tarkoitetut hartsit erotetaan toisistaan hartseihin lisättävän värikomponentin ansioista. Tällöin rajapinta on helppo tarkistaa vaikka jokaisen elvytyksen yhteydessä. Erityisiä toimenpiteitä tarvitaan, jos haluaa lähes samanväristen hartsien rajapinnan näkyviin. Tällaisessa tapauksessa hartseihin saadaan pieni väriero esimerkiksi suolahappopesulla, jolloin alhaalla oleva kationihartsi tulee H+ muotoon ja anionihartsi vaalenee, kun OH- ryhmät poistuvat siitä.

Elvytyskeskuksessa on muistettava kemikaaliturvallisuus

Kemikaaliturvallisuuden korostuminen on lisännyt huomiota kemikaalienkäsittelyyn liittyvissä toimenpiteissä sekä prosessien käytössä ja huollossa. Ioninvaihtoprosessin toiminnan kannalta regenerointi tai kotoisasti elvytys on vaihe, jossa prosessin toiminta lähes aina ratkaistaan. Usein ioninvaihtoon liittyvät toimintaongelmat liittyvät ongelmiin elvytyksessä.

Elvytyskeskus koostuu useimmiten kemikaalien varastosäiliöistä, sulkuventtiileistä, annostelupumpuista, virtausmittauksista, laimennusveden putkistosta venttiileineen ja toimilaitteineen sekä sekoittimesta. Virtausmittauksista ja laimennusveden eli elvytysliuoksen lämmittämisestä on mainittu jo aikaisemmin. Muita erityishuomion arvoisia ja siten ennakkohuolto-ohjelmaan mukaan otettavia kohteita ovat annostelupumput, varastosäiliöt ja sulkuventtiilit.

Annostelupumput saavat harvoin sen huomion, minkä ne ansaitsisivat. Isompien siirto-, paineenkorotus- tai syöttöpumppujen tavoin niille tulee rakentaa huolto-ohjelma, jossa annostelupäät ja mahdolliset kalvot tai männät tarkistetaan. Varastosäiliöiden kuntoa valvotaan yleensä riittävästi kemikaaliturvallisuusohjelmien puitteissa. Tarkastettavia kohteita ovat yhteet, materiaalipaksuudet ja kosteuden tai huurujen poistoon käytetyt laitteet. Sulkuventtiilien vuodot ovat erityisen vahingollisia elvytyskemikaalilinjoissa. Käytännössä kemikaalit ovat aina kahden venttiilin takana itse vedenkäsittelyprosessista. On kuitenkin hyvä muistaa, että jo pienikin kemikaalivuoto saattaa sekoittaa ioninvaihdon ajojakson toiminnan.

Jani Vuorinen,
Asiantuntija,
vesi-ihminen.fi