IONENAUSTAUSCHER FÜR DIE GEZIELTE WASSERAUFBEREITUNG
Wasser enthält unter anderen gelöste unsichtbare Stoffe wie Calcium, Natrium, Magnesium oder Carbonate. Diese gelösten Mineralien und Salze bilden sich zu elektrischen Ladungsträgern, den sogenannten Ionen, aus. Die Menge der einzelnen Ionen im Wasser sind aufgrund verschiedener Einflussfaktoren unterschiedlich. Ionenaustauscher optimieren den Gehalt an Ionen im Wasser abgestimmt auf den Anwendungsbereich.
IONEN ALS PRODUKT DES LÖSUNGSVORGANGS EINES STOFFS
Wasser ist ein Lösungsmittel, in dem sich natürlich und künstlich eingebrachte Stoffe lösen. Beim Lösungsvorgang ergibt sich eine Wechselwirkung. Diese führt zur Auflösung der Ionenbindung an den ursprünglichen Stoff. Das Ergebnis sind unabhängige elektrische Ladungsträger (Ionen) in Form von Kationen und Anionen. Diese verleihen dem Wasser unterschiedliche Eigenschaften, die der Verbraucher abhängig vom Einsatzbereich als positiv oder negativ empfindet.
So beeinflusst beispielsweise ein hoher Anteil gelösten Calciums und Magnesiums die Härte des Wassers. Der Ionenaustauscher entfernt die überschüssigen Calcium- und Magnesium-Kationen und tauscht sie gegen Natrium-Kationen aus. Das Ergebnis sind signifikant geringere Ablagerungen in Form von Kesselstein in Haushaltsgeräten oder industriellen Anlagen.
SO FUNKTIONIEREN IONENAUSTAUSCHER
Ionenaustauscher funktionieren nach dem Prinzip „Der Stärkere verdrängt den Schwächeren“. Die Grundlage für dieses Verfahren bildet die Bindungsfähigkeit der Ionen. Diese hängt von der Höhe der Ladung und dem Ionenradius ab. Je höher die elektrische Ladung und je kleiner der Ionenradius ist, umso bindungsstärker ist das Ion. Soll nun Wasser enthärtet werden, ist das Ionenaustauscher-Material mit dem bindungsschwächeren Natrium (Na+) gesättigt. Durchströmt nun das mit dem bindungsstarken Calcium (Ca²+ ) angereicherte Wasser den Ionenaustauscher, verdrängt es das Na+, und heftet sich an. Das Na+ geht anstelle des Calciums in die Flüssigkeit über.
Vor allem im industriellen Bereich ist es immer wieder erforderlich, den Ionenaustausch vor der Ableitung als Abwasser rückgängig zu machen. In diesem Fall erfolgt die Regeneration, indem viele bindungsschwache Ionen die wenigen bindungsstarken Ionen verdrängen.
Um die bindungsschwachen Ionen überhaupt einbringen zu können, muss der Ionenaustauscher mit geeignetem Material gefüllt sein. Diese Ionenaustausch-Materialien eignen sich für das Verfahren.
– Natürliche und künstliche Zeolithe
– Tonmineralien
– Chlorophyll
– Ionenaustauscherharze (Kunstharze)
– Aluminiumoxid
– Verrottete Zellulose (Holz)
Welches Material zum Einsatz kommt, hängt von seiner Reaktion auf die verschiedenen Kationen und Anionen ab und welche Ionen schlussendlich entsprechend dem Verwendungszweck getauscht oder entfernt werden.
IONENAUSTAUSCH FÜR JEDEN EINSATZBEREICH
Abhängig vom Einsatzbereich des Wassers erfolgt der Ionenaustausch immer abgestimmt auf die Anforderungen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung intelligenter Harze verfeinert das Verfahren immer mehr und optimiert die nachfolgend beschriebenen Verfahren.
– Wasserenthärtung
– Teilentsalzung von Wasser
– Selektiver Ionenaustausch
– Vollentsalzung
Bei der Wasserenthärtung tauscht der Ionentauscher die Ionen von Calcium und Magnesium gegen Natrium-Ionen aus. Damit entfernt das Verfahren die härtebildenden Salze. Da jedoch auch zu weiches Wasser Nachteile aufweist, ist ein gezielt durchgeführter Prozess erforderlich. Die Verfahrenssteuerung erfolgt unter anderem über die Auswahl des Ionenaustausch-Materials. Bei dieser Form der Wasserenthärtung spricht man von Umsalzung.
Eine Teilentsalzung entkarbonisiert das Wasser, um die Bildung von Kalkstein zu verhindern. Für diesen Zweck tauscht der Ionenaustauscher die an Kohlensäure gebundenen Calcium- und Magnesiumionen (Hydrogencarbonat) gegen Wasserstoff-Ionen. Das Ergebnis ist weicheres Wasser mit geringerem Salzgehalt und durch die frei gewordene Kohlensäure saurem Charakter.
Beim selektiven Ionenaustausch erfolgt ein gezielter Austausch von Anionen oder Kationen. Dieses Verfahren kommt nur im industriellen Bereich zum Einsatz und nutzt als Ionenaustausch-Material spezielle Harze. Als Anwendungsbeispiel dient die Entfernung gelöster Schwermetall-Ionen aus Galvanikabwässern.
Bei der Vollentsalzung produziert der Ionenaustauscher reines Wasser. Dabei entfernt er in einem mehrstufigen Verfahren alle im Wasser gelösten Salze. Das Ergebnis ist demineralisiertes Wasser, auch unter dem Begriff VE-Wasser geführt.
IONENAUSTAUSCHER IM PRAKTISCHEN EINSATZ
Der Einsatzbereich von Ionenaustauschern reicht vom gewerblichen Einsatz bis zur privaten Wasserenthärtungsanlage. Beim Ionenaustauscher handelt es sich in erster Linie um das eingesetzte Material. Das den Ionentauscher umgebende Gerät steuert die Funktion und gewährleistet die erforderlichen Rahmenbedingungen.
Ionentauscher sind in Geschirrspül- und Kaffeemaschinen integriert. Viele im privaten und gewerblichen Bereich eingesetzte Wasserfilter sind ebenfalls mit entsprechenden Materialien ausgestattet, um das Wasser zu enthärten. So kommt in Waschmitteln häufig Zeolith A als Ionentauscher und damit Enthärter zum Einsatz und das Granulat von Hydrokulturen gewährleistet so über den Ionenaustausch die Versorgung der Pflanzen mit wichtigen Mineralien.
In der Medizin findet der Ionenaustausch ebenfalls ein breites Anwendungsspektrum. So werden beispielsweise die Hypercholesterinämie und die Hyperkaliämie erfolgreich nach diesem Prinzip behandelt.
KLEINER GESCHICHTLICHER EXKURS
Der Ionenaustauscher ist seit Jahrtausenden ein wichtiger Begleiter der Menschheit. Auch wenn die verfahrenstechnischen und chemischen Hintergründe unbekannt waren, wurde das Prinzip bereits sehr früh eingesetzt. Als Beweis dient das Zweite Buch Mose, wo der zuverlässig älteste Hinweis auf diesen Prozess hinterlegt ist. Als Ionentauscher kam verrottetes Holz zum Einsatz, das sich hervorragend für den Austausch von Magnesium-Ionen eignet und für das Volk um Moses ungenießbares Wasser in wohlschmeckendes Trinkwasser verwandelte.
Gezielt entwickelte Ionenaustauscher wurden erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts eingesetzt. Es handelte sich um Alumosilikate, die in der Lage waren, Alkali- und Erdalkali-Ionen aus Lösungen aufzunehmen. Gefolgt wurden diese Materialien von schwach sauren Ionenaustauschern in Form spezieller Kohlen und basischen Austauschern auf Phenolharz-Basis.