Ionenwisselaars

Ionenwisselaars  zijn materialen waarmee opgeloste ionen kunnen worden vervangen door andere ionen met dezelfde lading (d.w.z. positief of negatief); er vindt een ionenwisseling plaats. Ionenwisselaars zijn in de handel verkrijgbaar als kolommen gevuld met een ionenuitwisselingsmateriaal of als membranen waar de te behandelen oplossing doorheen stroomt. De uit te wisselen ionen zijn gebonden aan het ionenuitwisselingsmateriaal, dat op zijn beurt een equivalente hoeveelheid lading afgeeft van eerder gebonden ionen in de oplossing.

Een kationenwisselaar kan bijvoorbeeld calciumkationen, die zijn opgelost in gewoon kraanwater, vervangen door natriumkationen, die aan de ionenwisselaar gebonden zijn. Dergelijke kation-ionenwisselaars zijn ook aanwezig in vaatwassers. Daarin wordt water voor spoelprocessen bereid dat vrij is van calciumkationen, wat anders zou leiden tot de vorming van witte kalkaanslag (kalkaanslag) op de vaat tijdens het drogen en kalkafzetting op verwarmingselementen en in de leidingen van de machine (verkalking). Wanneer deze kationenwisselaar is uitgeput en volledig verzadigd met calciumkationen, moet deze worden geregenereerd. Dit gebeurt door de gebonden calciumkationen weer te verdringen door een sterk geconcentreerde oplossing van natriumchloride (keukenzout) aan te bieden. Dit proces wordt regeneratie van een wisselaar genoemd.

Kation-ionenwisselaars zijn van natuurlijk belang, vooral voor het kationenuitwisselingsvermogen in de bodem. Ze zorgen ervoor dat kationen beschikbaar blijven voor de planten en niet worden weggespoeld door de regen. Voor de sanering van verontreinigde locaties in water en bodem kunnen speciale kationenwisselaars worden vervaardigd die in staat zijn om specifieke zware metaalkationen gericht te verwijderen uit water en bodem.

Het principe van ionenuitwisseling is gebaseerd op het feit dat ionen sterker aan de ionenwisselaar gebonden zijn naarmate hun lading hoger is, en met dezelfde lading, hoe groter hun ionenstraal. Zo wordt Na+ in de ionenwisselaar vervangen door Ca2+, maar ook Ca2+ door Al3+. Het sterkere bindende ion verdringt het zwakkere bindende ion van de bindingsplaatsen van het ionenuitwisselingsmateriaal. Er moet daarom voor worden gezorgd dat het ongewenste ion dat uit de oplossing moet worden verwijderd sterker wordt gebonden dan het ion dat aan de ionenwisselaar is gebonden. Andere belangrijke beïnvloedende factoren hiervoor zijn: de pH-waarde van de oplossing in verband met het type en aantal bindingsplaatsen van het ionenuitwisselingsmateriaal en ook de respectievelijke molaire concentratie. De volgende lijst voor tweewaardige metaalionen laat zien hoe sterk de ionstraal de selectiviteit van een ionenuitwisselingshars beïnvloedt. De waarden gelden voor een oplossing met een pH van 4,0 en calcium als basis met 1,0 voor KM/Ca en een zwakzure kationenuitwisselingshars met een polyacrylraamwerk.

Naast de selectiviteit kunnen door verhoging van een stofconcentratie opgenomen ionen ook weer door het ionenuitwisselingsmateriaal worden verdrongen. Dit laatste wordt uitgevoerd tijdens een regeneratie. De reacties worden hieronder gegeven aan de hand van het voorbeeld van natriumionen, die aanwezig zijn als keukenzout (NaCl) in een waterige oplossing. Voor inname (= laden/werking) en onthechting (= regeneratie) wordt een sterk zure kationenwisselaar gebruikt. Het regeneratiemiddel is zoutzuur.

Basisstructuur van een kationenwisselaar, b.v. B. gesulfoneerd polystyreen
Wanneer geladen, verloopt de reactie van links naar rechts. Als de concentratie van het H3O+-ion in het rechterdeel van de vergelijking wordt verhoogd, verschuift de reactie terug naar links en wordt de wisselaar weer omgezet in de zure vorm en wordt deze geregenereerd. Als de te ontzouten vloeistof en de regeneratieoplossing tijdens het laden/bedrijf en de regeneratie in dezelfde richting door de wisselaar stromen, spreekt men van een meestroomwisselaar; als de stromingsrichting tegengesteld is, is er sprake van een tegenstroomwisselaar. De concentratie van het regeneratiemiddel is typisch 3-10% HCl.

In het gegeven voorbeeld wordt tijdens het laden een verdund zoutzuur gevormd in het drainerende water. Door een tegenioneneffect, afhankelijk van de zoutconcentratie in het ruwe water en de beladingstoestand van de ionenuitwisselingshars, is er een natriumslip tijdens het laden. Er is dus nog een klein natriumgehalte in het zuivere water dat na de wisselaar uitstroomt. Dit kan waarden bereiken van 1 mg Na+/l en hoger, zeker bij een gelijkstroomwisselaar. Bij een tegenstroomwisselaar zijn ze ≤ 0,1 mg Na+/l.