Ionenaustauscher

Ionenaustauscher sind Materialien, die es ermöglichen, gelöste Ionen durch andere Ionen derselben Ladung (d. h. positiv oder negativ) zu ersetzen; es findet ein Ionenaustausch statt. Ionenaustauscher sind im Handel als mit einem Ionenaustauschermaterial gefüllte Säulen oder als Membranen erhältlich, durch die die zu behandelnde Lösung fließt. Die auszutauschenden Ionen werden an das Ionenaustauschermaterial gebunden, das wiederum eine äquivalente Ladungsmenge von zuvor gebundenen Ionen an die Lösung abgibt.

Beispielsweise kann ein Kationenaustauscher in gewöhnlichem Leitungswasser gelöste Calciumkationen durch an den Ionenaustauscher gebundene Natriumkationen ersetzen. Solche Kationenaustauscher sind auch in Geschirrspülmaschinen vorhanden. Es bereitet Spülwasser frei von Calciumkationen auf, die sonst beim Trocknen zur Bildung von weißen Ablagerungen (Kalk) auf dem Geschirr und zu Ablagerungen an Heizkörpern und in den Maschinenleitungen (Verkalkung) führen würden. Wenn dieser Kationenaustauscher erschöpft und vollständig mit Calciumkationen gesättigt ist, muss er regeneriert werden. Dies geschieht, indem die gebundenen Calciumkationen durch das Anbieten einer hochkonzentrierten Natriumchloridlösung (Speisesalz) wieder verdrängt werden. Dieser Vorgang wird als Tauscherregeneration bezeichnet.

Kationenaustauscher sind von natürlicher Bedeutung, insbesondere für die Kationenaustauschkapazität im Boden. Sie sorgen dafür, dass Kationen pflanzenverfügbar bleiben und nicht vom Regen weggespült werden. Für die Sanierung kontaminierter Stellen in Wasser und Boden können spezielle Kationenaustauscher hergestellt werden, die in der Lage sind, gezielt Schwermetallkationen aus Wasser und Boden zu entfernen.

Das Prinzip des Ionenaustausches beruht darauf, dass Ionen umso stärker an den Ionenaustauscher gebunden werden, je höher ihre Ladung ist, und bei gleicher Ladung, je größer ihr Ionenradius ist. Beispielsweise wird im Ionenaustauscher Na+ durch Ca2+ ersetzt, aber auch Ca2+ durch Al3+. Das stärker bindende Ion verdrängt das schwächer bindende Ion von den Bindungsstellen des Ionenaustauschermaterials. Es ist daher darauf zu achten, dass das aus der Lösung zu entfernende unerwünschte Ion stärker gebunden wird als das an den Ionenaustauscher gebundene Ion. Weitere wichtige Einflussfaktoren hierfür sind: der pH-Wert der Lösung in Abhängigkeit von Art und Anzahl der Bindungsstellen des Ionenaustauschermaterials sowie die jeweilige molare Konzentration. Die folgende Liste für zweiwertige Metallionen zeigt, wie stark der Ionenradius die Selektivität eines Ionenaustauscherharzes beeinflusst. Die Werte gelten für eine Lösung mit einem pH-Wert von 4,0 und Calcium als Basis mit 1,0 für KM/Ca und einem schwach sauren Kationenaustauscherharz mit Polyacrylgerüst.

Neben der Selektivität können aufgenommene Ionen auch durch Erhöhung einer Stoffkonzentration durch das Ionenaustauschermaterial verdrängt werden. Letzteres wird während einer Regeneration durchgeführt. Die Reaktionen werden im Folgenden am Beispiel von Natriumionen angegeben, die als Kochsalz (NaCl) in wässriger Lösung vorliegen. Zur Aufnahme (= Beladung/Funktion) und Ablösung (= Regenerierung) wird ein stark saurer Kationenaustauscher verwendet. Das Regenerierungsmittel ist Salzsäure.

Grundstruktur eines Kationenaustauschers, z.B. B. sulfoniertes Polystyrol
Bei Beladung läuft die Reaktion von links nach rechts ab. Wenn die Konzentration des H3O+-Ions im rechten Teil der Gleichung erhöht wird, verschiebt sich die Reaktion wieder nach links und der Austauscher wird wieder in die Säureform umgewandelt und regeneriert. Fließen die zu entsalzende Flüssigkeit und die Regenerierlösung beim Laden/Betrieb und Regenerieren in gleicher Richtung durch den Tauscher, spricht man von einem Gleichstromtauscher; bei entgegengesetzter Strömungsrichtung spricht man von einem Gegenstromtauscher. Die Konzentration des Regenerierungsmittels beträgt typischerweise 3–10 % HCl.

Im angeführten Beispiel bildet sich beim Beladen im ablaufenden Wasser eine verdünnte Salzsäure. Aufgrund eines Gegenioneneffekts kommt es je nach Salzkonzentration im Rohwasser und Ladezustand des Ionenaustauscherharzes zu einem Natriumschlupf beim Laden. Das nach dem Austauscher abfließende Reinwasser enthält daher noch einen geringen Natriumgehalt. Dieser kann insbesondere bei einem DC-Wärmetauscher Werte von 1 mg Na+/l und höher erreichen. Bei einem Gegenstromtauscher sind sie ≤ 0,1 mg Na+/l.