Żywice jonowymienne

Złoża żywic jonowymiennych mogą skutecznie usunąć zjonizowane związki chemiczne z wody przez zamianę ich na jony H+ i OH-. Żywice jonowymienne są to porowate ziarna, mniejsze od 1 mm, wytworzone z nierozpuszczalnych polimerów z dużą ilością poprzecznych wiązań i silnie zjonizowanych miejsc wymiany. Jony z roztworu migrują do wnętrza ziaren; gdzie, jako funkcja ich względnych gęstości ładunku (ładunek na objętość zhydratyzowaną), rywalizują o miejsca wymiany. Ziarna są albo kationowe albo anionowe. Silnie kationowe żywice są pochodnymi kwasu polisulfonowego i polistyrenu krzyżowo wiązanego z dwuwinylobenzenem. Silnie anionowe żywice są pochodnymi wodorotlenku amonowego czwartorzędowego benzylotrójmetylu (typ 1) lub czwartorzędowego benzylodwumetyloetylu (typ 2) i polistyrenu krzyżowo wiązanego z dwuwinylobenzenem.

Złoża żywic jonowymiennych są dostępne jako wkłady lub cylindry i są typowo używane przez jakiś okres czasu a potem wymieniane, gdy kationy i aniony wymienią większość H+ i OH- w aktywnych miejscach  żywic. Cylindry mogą być zasilane bezpośrednio wodą pitną celem zapewnienia wody oczyszczonej na żądanie wprost z wody wodociągowej. Cylindry te są albo zwracane do stacji regeneracji celem ponownego naładowania po ich wyczerpaniu, albo są wyrzucane. Lepszą czystość wody oraz wydłużoną żywotność żywicy można osiągnąć przez wstępne uzdatnienie wody zasilającej metodą odwróconej osmozy poprzedzającej wymianę jonową: takie jest podejście często stosowane w laboratoryjnych aparatach do oczyszczania wody. To także służy uniknięciu blokowania powierzchni aktywnej żywicy przez duże cząsteczki organiczne, które w innym przypadku redukowały by ich pojemność.

Bardzo duża powierzchnia żywic jonowymiennych czyni z nich potencjalnie wylęgarnię mikroorganizmów oraz może prowadzić do uwalniania drobnych ich fragmentów oraz rozpuszczalnych składników. Z tych powodów, powinny być używane żywice dobrej jakości, a objętości złóż utrzymywane tak małe, na ile to jest racjonalnie możliwe. Zwykle instaluje się dodatkowe filtry po złożach dla wyłapania drobnych cząstek oraz innych stałych substancji. Nagromadzenie bakterii może być zminimalizowane przez częstą recyrkulację wody oraz regularną wymianę wkładów.

Gdy złoża jonowymienne wyczerpują się, uwalniają impulsowo zanieczyszczenia zgromadzone wcześniej z wody. Silnie związane zanieczyszczenia mogą wypierać słabo związane zanieczyszczenia, tak że pierwsze impulsy zanieczyszczeń prawdopodobnie będą słabo zjonizowanymi substancjami mającymi mały wpływ na rezystywność produkowanej wody. Monitorowanie rezystywności prawdopodobnie nie wykryje tego początkowego uwalniania słabo zjonizowanych związków, w tym organiki z ładunkiem, krzemianów i boranów. Taka sytuacja jest zilustrowana na rysunku poniżej, pokazującym uwalnianie krzemianów, oraz organiki, gdy TOC wcześniej niż rezystywność spada wyraźnie, w trakcie początku wyczerpywania się złoża żywicy jonowymiennej.

Zależność pomiędzy spadkiem rezystywności wody ultraczystej a wcześniejszym wzrostem stężenia uwalniających się ze złoża żywicy jonowymiennej związków organicznych oraz krzemianów

Nie wykrywane uwalnianie słabo związanych jonowych zanieczyszczeń może być powstrzymane przez monitorowanie wielostopniowe, które stosuje dwa identyczne złoża żywicy jonowymiennej szeregowo z monitorem rezystywności pomiędzy nimi. Gdy pierwsze (pierwotne) złoże zaczyna się wyczerpywać, uwolnione słabo zjonizowane związki są wiązane przez drugie ('polerujące') złoże i stąd nie są obecne w finalnej wodzie produkowanej. Rezystywność jest mierzona po pierwszym etapie w celu wykrycia wyczerpanie złoża. Drugie złoże jest następnie przesuwane na pozycję pierwszego, a nowe instalowane na pozycji drugiej. Taka strategia czyni efektywne użycie żywicy, ponieważ pierwsze złoże nie musi być wymienianie zanim pośrednia rezystywność nie spadnie poniżej 1 MΩ·cm @ 25°C, co jest łatwo wykrywalne, drugie złoże wciąż będzie posiadać faktycznie całą swoją pojemność, gdy jest przesuwane na pozycję pierwotną.

Inne, mniej efektywne, podejścia to wymiana złóż dobrze przed ich wyczerpaniem albo użycie specjalizowanych żywic, które wiążą słabo zjonizowane związki silniej.

Przy odpowiednim doborze żywic, uzdatniania wstępnego oraz zaprojektowania systemu, wymiana jonowa pozwala na osiągnięcie najniższych możliwych poziomów zanieczyszczenia jonowego.