Ionenaustauscher

ÔĽŅ
Ionenaustauscher
Kunstharz-Ionenaustauscher
Ionenaustauscher

Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Materialien, mit denen gel√∂ste Ionen durch andere Ionen gleicher Ladung (d. h. positiv oder negativ) ersetzt werden k√∂nnen; es findet ein Ionentausch statt. Ionentauscher kommen als S√§ulen, die mit einem Ionenaustauschermaterial gef√ľllt sind, oder als Membranen in den Handel und werden von der zu behandelnden L√∂sung durchstr√∂mt. Die auszutauschenden Ionen werden am Ionenaustauschermaterial gebunden, das seinerseits daf√ľr eine √§quivalente Stoffmenge von vorher gebundenen Ionen in die L√∂sung abgibt. Beispielsweise kann ein Kationen-Ionenaustauscher Calcium-Kationen, die im normalen Leitungswasser gel√∂st sind gegen Natrium-Kationen, die an den Ionenaustauscher gebunden sind, austauschen. Solche Kationen-Ionenaustauscher sind auch in Geschirrsp√ľlern vorhanden. In ihnen wird f√ľr die Sp√ľlvorg√§nge Wasser ben√∂tigt, das von Calcium-Kationen frei ist, die sonst zur Bildung von Kalkflecken f√ľhren w√ľrden. Wenn dieser Kationen-Austauscher ersch√∂pft und vollst√§ndig mit Calcium-Kationen abges√§ttigt ist, muss er regeneriert werden. Das geschieht dadurch, dass man die gebundenen Calcium-Kationen durch das Angebot einer m√∂glichst hoch konzentrierten L√∂sung von Natriumchlorid (Kochsalz) wieder verdr√§ngt. Man bezeichnet diesen Vorgang als Regeneration eines Austauschers.

Eine nat√ľrliche Bedeutung haben Kationen-Ionenaustauscher vor allem f√ľr die Kationenaustauschkapazit√§t im Boden. Sie sorgen daf√ľr, dass Kationen f√ľr die Pflanzen verf√ľgbar bleiben und nicht durch den Regen ausgewaschen werden. F√ľr die Altlastensanierung von Gew√§ssern und B√∂den k√∂nnen spezielle Kationen-Austauscher hergestellt werden, die in der Lage sind, ganz gezielt bestimmte Schwermetallkationen aus Gew√§ssern und B√∂den zu entfernen.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Die Menschen nutzten das Prinzip der Ionenaustauscher lange bevor die chemischen Hintergr√ľnde verstanden wurden.

Im Zweiten Buch Mose findet sich ein Hinweis auf die wohl √§lteste Erw√§hnung des Ionenaustauschprozesses. Es wird auf die √úberf√ľhrung von bitterem in trinkbares Wasser durch Einlegen von alten Baumst√§mmen hingewiesen. Verrottete Zellulose ist ein guter Austauscher f√ľr Magnesium-Ionen.[1]

Da kamen sie nach Mara; aber sie konnten das Wasser von Mara nicht trinken, denn es war sehr bitter. Daher nannte man den Ort Mara. Da murrte das Volk wider Mose und sprach: Was sollen wir trinken? Er schrie zu dem Herrn, und der Herr zeigte ihm ein Holz; das warf er ins Wasser, da wurde es s√ľ√ü. (Ex 15,23-25 EU)

Die ersten in der Technik gezielt verwendeten Ionenaustauscher waren Alumosilikate, die reversibel Erdalkali- und Alkaliionen aus einer L√∂sung aufnehmen bzw. abgeben k√∂nnen. Nat√ľrliche Austauscher dieses Typs sind z. B. bestimmte Vulkanaschen. Die ersten k√ľnstlichen Alumosilikate wurden als Permutit¬ģ Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt und f√ľr die Enth√§rtung von W√§ssern verwendet.

Weitere Entwicklungen waren schwach saure Ionenaustauscher auf Basis von speziellen Kohlen und schwach basische Ionenaustauscher auf Basis von Phenolharzen. Alle diese √§lteren Austauschtypen waren mechanisch gebrochene und nach bestimmten Korngr√∂√üen gesiebte Granulate. Mit der Entwicklung der Phenolharze konnten sp√§ter kugelf√∂rmige Harze direkt gewonnen werden. Mit stark basischen Ionenaustauscher wurde es m√∂glich, auch Silikate aus dem Rohwasser zu entfernen. Heutige Austauschharze basieren √ľberwiegend auf Polystyrol und Polyacrylat.

Funktionsweise

Das Prinzip des Ionentausches beruht darauf, dass Ionen um so st√§rker an den Ionenaustauscher gebunden werden, je h√∂her ihre Ladung und je gr√∂√üer ihr Ionenradius ist. Zum Beispiel wird Na+ im Ionentauscher durch Ca2+ verdr√§ngt, aber auch Ca2+ durch Al3+. Das st√§rker bindende Ion verdr√§ngt das schw√§cher bindende Ion von den Bindungsstellen des Ionentauschermaterials. Es muss also daf√ľr gesorgt werden, dass das unerw√ľnschte Ion, das aus der L√∂sung entfernt werden soll, st√§rker gebunden wird als das Ion, das an den Ionenaustauscher gebunden ist. Daf√ľr sind weitere wichtige Einflussfaktoren: der pH-Wert der L√∂sung im Zusammenhang mit der Art und der Anzahl der Bindungsstellen des Ionenaustauschermaterials und auch die jeweilige Stoffkonzentration.

Wie stark der Ionenradius die Selektivit√§t eines Ionenaustauschharzes beeinflusst zeigt die nachfolgende Auflistung f√ľr zweiwertige Metallionen. Die Werte sind f√ľr eine L√∂sung mit dem pH-Wert 4,0 und Calcium als Basis mit 1,0 f√ľr KM/Ca und einem schwach sauren Kationenaustauschharz mit Polyacrylger√ľst g√ľltig:[2]

Metallion KM/Ca Metallion KM/Ca Metallion KM/Ca
Hg+2 2800 Ni+2 57 Fe+2 4,0
Cu+2 2300 Zn+2 17 Mn+2 1,2
Pb+2 1200 Cd+2 15 Ca+2 1,0

Neben der Selektivit√§t k√∂nnen auch durch Vergr√∂√üerung einer Stoffkonzentration aufgenommene Ionen wieder vom Ionenaustauschmaterial verdr√§ngt werden. Letzteres wird bei einer Regeneration durchgef√ľhrt. Nachfolgend werden die Reaktionen am Beispiel von Natriumionen, die als Kochsalz (NaCl) in einer w√§ssrigen L√∂sung vorliegen, angegeben. F√ľr Aufnahme (=Beladung/Betrieb) und Abl√∂sung (=Regeneration) wird ein stark saures Kationenaustauschharz verwendet. Das Regeneriermittel ist Salzs√§ure.

\mathrm{R-SO_3H + Na^+ + Cl^- + H_2O \ \rightleftharpoons \ R-SO_3Na + H_3O^+ + Cl^-}
R ‚ąí SO3: Grundger√ľst des Harzes, z. B. sulfoniertes Polystyrol

Bei Beladung verl√§uft die Reaktion von links nach rechts. Wird die Konzentration des H3O+-Ions im rechten Teil der Gleichung gesteigert, verschiebt sich die Reaktion wieder nach links und der Austauscher wird in die S√§ureform zur√ľckgewandelt, er wird regeneriert. Wenn der Austauscher bei Beladung/Betrieb und Regeneration in der gleichen Richtung von der zu entsalzenden Fl√ľssigkeit und der Regenerierl√∂sung durchstr√∂mt wird, spricht man von einem Gleichstromaustauscher, bei einer entgegengesetzten Str√∂mungsrichtung von einem Gegenstromaustauscher. Die Konzentration des Regeneriermittels liegt normalerweise bei 3‚Äď10 % HCl.

Im angef√ľhrten Beispiel wird bei der Beladung im ablaufenden Wasser eine verd√ľnnte Salzs√§ure gebildet. Durch einen Gegenioneneffekt kommt es in Abh√§ngigkeit von der Salzkonzentration im Rohwasser und dem Beladungszustand des Ionenaustauschharzes zu einem Natriumschlupf bei der Beladung. Im ablaufenden Reinwasser nach dem Austauscher ist deshalb noch ein kleiner Natriumgehalt vorhanden. Dieser kann besonders bei einem Gleichstromaustauscher Werte von 1 mg Na+/l und h√∂her erreichen. Bei einem Gegenstromaustauscher liegen sie bei ‚ȧ 0,1 mg Na+/l.

Arten von Ionenaustauschern

Je nachdem welche Art von Ionen ausgetauscht werden, unterscheidet man Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Im Fall eines Kationenaustauschers ist die aktive Gruppe eine anionische Gruppe, wie beispielsweise Sulfonsäuregruppen, oder Carboxygruppen mit abdissoziierbarem Kation. Man unterscheidet schwachsaure Kationenaustauscher (Carboxygruppen) und stark saure mit Sulfonsäuregruppen.

Bei den Anionenaustauschern enthalten stark basische Sorten quartäre Ammoniumgruppen als aktive Gruppen, die ihr Gegenion austauschen können. Generell werden Anionenaustauscher Typ I und Typ II verwendet. Erstere sind bei geringerer Austauschkapazität thermisch stabiler als Harze vom Typ II. Nähere Angaben zur austauschaktiven Ammoniumgruppe → hier.

Schwach basischen Austauscher enthalten Aminogruppen an die die Anionen freier S√§uren angelagert werden. Die S√§ureanionen sind reversibel gebunden. Mit Laugen werden bei der Regeneration die freien Aminogruppen wieder zur√ľckgebildet. Abh√§ngig vom Typ der Aminogruppe ‚Äď prim√§re (R‚ÄďNH2), sekund√§re (R-NH-R) oder terti√§re (R3-N)-Aminogruppe ist die Basizit√§t der Austauscher schwach bis mittelbasisch.

Amphotere Austauscher k√∂nnen gleichzeitig Anionen und Kationen austauschen. Kationenaustauscher tauschen gel√∂st vorliegende Kationen (positiv geladene Ionen) gegen andere Kationen aus, die Bestandteil des Austauschmaterials sind. Kationenaustausch-Materialien sind selbst Salze, wobei die Kationen (in Gleichung unten: Z+) leicht in L√∂sung gehen k√∂nnen, also mobil (beweglich) sind. Die polymeren und wasserunl√∂slichen Anionen (in Gleichung unten: Qm‚ąí) des Kationenaustausch-Materials sind station√§r, also unbeweglich. Als allgemeine Gleichung f√ľr den Prozess des Austausches einwertiger Kationen (Ka+) aus einem gel√∂st vorliegenden Salz (Ka+ + An‚ąí) durch den Ionenaustauscher [(Z+)nQm‚ąí] kann man schreiben:

x \ \text{Ka}^+ + x \ \text{An}^- + [(\text{Z}^+)_n\text{Q}^{m-}] \longrightarrow  x \ \text{Z}^+ + x \ \text{An}^- + [(\text{Z}^+)_{n-x} (\text{Ka}^+)_x\text{Q}^{m-}]

Anionenaustauscher tauschen entsprechend Anionen (negativ geladene Ionen) eines gelösten Salzes gegen andere Anionen aus. Hierbei liegen die stationären Kationen des Ionenaustauschers polymer vor, während die Anionen des Anionenaustauschers mobil sind.

Beispiele f√ľr Ionenaustausch-Materialien

Technische Ionenaustauschsäulen

W√§hrend im Labor mit Austauschharzen gef√ľllte S√§ulen aus Glas oder Kunststoff verwendet werden, sind in technischen Anlagen die S√§ulen als Beh√§lter ausgef√ľhrt. Diese Beh√§lter sind √ľberwiegend aus Stahl mit innerer Hartgummierung gefertigt. Im Beh√§lter sind Drainagesysteme oder D√ľsenb√∂den f√ľr den Ein- und/oder Austritt der behandelten Fl√ľssigkeit und der Regenerierl√∂sungen eingebaut. Je nach Ausf√ľhrung der Austauscher bzw. dessen Funktion werden folgende Typen verwendet:

In den ersten 4 Austauschertypen werden entweder Kationen- oder Anionenaustauschharze eingef√ľllt. Entsprechend werden schwach und stark saure bzw. schwach und stark basische Ionenaustauschharze verwendet. F√ľr eine Entsalzung sind mindestens 2 Austauscher erforderlich, damit Kationen und Anionen entfernt werden k√∂nnen. Die restlichen 3 Typen arbeiten mit Kationen- und Anionenaustauschharzen. Hier ist in einem Beh√§lter eine Entsalzung m√∂glich.

Eine typische Vollentsalzungsanlage enth√§lt einen Austauscher f√ľr Kationen, einen Austauscher f√ľr Anionen und, falls Deionat mit einer Restleitf√§higkeit von < 1,0 ¬ĶS/cm erzeugt werden soll, einen Mischbettaustauscher. Diese Kombination wird auch als Entsalzungsstra√üe bezeichnet. Zwischen Kationen- und Anionenaustauscher wird h√§ufig noch ein Rieselbeh√§lter zur CO2-Entfernung angeordnet. Letzterer reduziert die aus der Carbonath√§rte gebildete freie Kohlens√§ure auf < 10 mg/l. Dies ist wirtschaftlicher als die Entfernung √ľber Anionenaustauscher.

Bei kontinuierlicher Reinwassererzeugung sind zwei Stra√üen erforderlich. Eine Stra√üe ist in Betrieb und die zweite Stra√üe befindet sich in Regeneration oder wird bereitgehalten. Die normale Betriebszeit einer Stra√üe vor einer Regeneration betr√§gt mehr als 6 Stunden. Erfolgt die Auslegung der Anlage f√ľr weniger als 4 Stunden, so spricht man von einer Kurztaktanlage.

Au√üer den vorstehend angef√ľhrten Anlagen, die alle als Satzanlagen arbeiten, gibt es in der Technik auch Anlagen, die kontinuierlich arbeiten. F√ľr diesen Typ der Entsalzungsanlage, sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, die allerdings nur selten in der Praxis verwendet werden. N√§heres hierzu unter Kontinuierliche Ionenaustauschanlagen.

Kunstharz-Ionenaustauscher

Kunstharz-Ionenaustauscher k√∂nnen sich im Aufbau ihrer Polymer-/Polykondensatger√ľste unterscheiden: man spricht von Gelharzen oder makropor√∂sen Harzen. Die ersten Austauscher dieser Art wurden von Dr. P. R. Grie√übach in der Farbenfabrik Wolfen (damals Teil der I.G. Farben), in den 1930er Jahren entwickelt und unter dem Handelsnamen Wofatit ( Wolfener Farbenfabrik Permutit-Ersatz) auf den Markt gebracht.[3] Aktuelle Handelsnamen sind Lewatit (Lanxess), Dowex (Dow Chemicals) und Amberlite (Rohm and Haas). Die Harzaustauscher sind ein Mittel um verschiedenste Arten von W√§ssern und w√§sserigen L√∂sungen aufzubereiten.

Wenn organische Ionenaustauscher f√ľr die Aufbereitung von Trink- und Brauchwasser oder im Bereich der Nahrungsmittelindustrie verwendet werden, sind besondere Anforderungen f√ľr die Qualit√§t einzuhalten. Herstellungsbedingt k√∂nnen neue Austauscher w√§hrend der ersten Betriebszeit Monomere an die behandelte Fl√ľssigkeit abgeben. Der zul√§ssige Schlupf von organischen Bestandteilen ist limitiert. Der Grenzwert f√ľr die Abgabe an TOC betr√§gt gesetzlich in Deutschland max. 3,0 mg/l.[4]

Nachfolgend eine Tabelle mit den generellen Kenndaten, die f√ľr die verschiedenen Sorten der Ionenaustauschharze von den Herstellerfirmen angegeben werden. Die aufgef√ľhrten Daten sind die Kenndaten eines stark sauren Kationenaustauschharzes und die Regeneriermittel Salzs√§ure (HCl) und Schwefels√§ure (H2SO4):[5]

Einheit Daten
Harztyp Polystyrolharz, Gelharz, funktionelle Gruppe: Sulfonsäure
Kornform mm Kugeln, 0,3 ‚Äď 1,2
Temperaturbereich  ¬įC bis 120
pH‚ÄďBereich keine Beschr√§nkung
Sch√ľttgewicht g/l 800 ‚Äď 900 (feuchtes Harz)
Nutzbare Volumenkapazit√§t (NVK) val CaO/l max.1,85 (max. 1,4)¬į
Totale Volumenkapazität val/l 2,2 (feuchtes Harz)
min. Schichth√∂he Harzbett mm 600 (900)¬į
Regeneriermittelaufwand g 100 %HCl/l bis 200 (bis 90)¬į
Konzentration Regeneriermittel % HCl 4‚Äď6 (8‚Äď10)¬į
Regeneriermittelaufwand g 100 % H2SO4/l bis 250 (50‚Äď120)¬į
Konzentration Regeneriermittel % H2SO4 1,5‚Äď6 (1,5‚Äď10)¬į
Waschwasserbedarf l/l 4 ‚Äď 7 (2 ‚Äď 3,5)¬į
spez. Belastung Betrieb l/h¬∑l 4 ‚Äď 40 (bis 180)¬į¬į
R√ľcksp√ľlung m/h 7 ‚Äď 15 (normal nicht erforderlich)¬į
Druckverlust je m+m/h 0,15 ‚Äď 0,2 mWS bei 20 ¬įC
Lieferform, normal mit Natrium beladen
Quellung Na‚Äď ‚Üí H‚ÄďForm % 5 ‚Äď 10

¬į vor Klammer = bei Gleichstrom, in Klammer = bei Gegenstrom

¬į¬į vor Klammer bei Wasserentsalzung, in Klammer bei Kondensatentsalzung


Aus organisch belasteten W√§ssern mit Huminstoffen nehmen besonders Gelharze beispielsweise Humins√§uren auf, die bei einer Regeneration des Ionenaustauschers nicht entfernt werden k√∂nnen; sie f√ľhren zu dem so genannten Fouling der Ionenaustauscher.

Besonders Anionenaustauschharze sind vom Fouling betroffen und werden durch die Aufnahme solcher Verbindungen amphoter, da die Anionenaustauschharze dann Basen- und S√§uregruppen tragen. Bei einer Regeneration der Austauscher mit Natronlauge werden nun auch Natriumionen gebunden. Insgesamt wird durch das Fouling sowohl die Leistung der Austauscher durch Blockierung aktiver Basengruppen vermindert, der Waschwasserbedarf bei Auswaschen der Regenerierlauge vergr√∂√üert, wie auch die Reinwasserqualit√§t durch h√∂heren Natriumschlupf verschlechtert. Nach diversen Betriebszyklen werden die Ionenaustauschharze weitgehend inaktiv und m√ľssen ausgetauscht werden. Durch die Entwicklung von makropor√∂sen Ionenaustauschharze wurde die Entfernung der organischen Substanzen verbessert.

F√ľr Ionenaustausch von Oberfl√§chenw√§ssern wie Moorw√§ssern und Schwarzw√§ssern mit hoher Konzentration an organischen Substanzen k√∂nnen so genannte Scavenger-Austauscher vorgeschaltet werden. Die Scavenger-Austauscher haben nur die Aufgabe, st√∂rende Huminstoffe abzufangen. Bei Anlagen mit Mehrkammeraustauschern kann auch eine Kammer als Scavengerstufe ausgebildet sein. Durch geeignete Rezepturen und Bedingungen bei der Herstellung k√∂nnen die Eigenschaften in weiten Grenzen gesteuert werden, so dass es m√∂glich ist Austauscher herzustellen, die f√ľr bestimmte Ionen selektiv sind (z. B. Lewatit Mk51 f√ľr Borat).

Regeneration

Die Regeneration von Ionenaustauschern beruht auf der Tatsache, dass der Ionenaustausch eine Gleichgewichtsreaktion ist. Tats√§chlich findet auch im Betrieb gleichzeitig die gew√ľnschte Hin- und die nicht gew√ľnschte R√ľckreaktion statt. Beim Einsatz des Ionentauschers √ľberwiegt jedoch die Hinreaktion. Die R√ľckreaktion wird bei der Regeneration gef√∂rdert, indem ein √úberschuss an ‚Äěschw√§cheren‚Äú Ionen zugegeben wird, denn viele schw√§chere Ionen verdr√§ngen die vom Austauscher bevorzugten, ‚Äěst√§rkeren‚Äú Ionen. (Siehe auch: Prinzip vom kleinsten Zwang)

Die Regeneration wird im Gleich- oder im Gegenstrom durchgef√ľhrt, was sich auf die Flie√ürichtung der Fl√ľssigkeiten w√§hrend des Betriebes (auch Beladung genannt) und der Regeneration bezieht. Bei Gleichstrom wird der Ionenaustauscher sowohl im Betrieb als auch bei der Regeneration in der gleichen Richtung durchstr√∂mt. Bei Gegenstrom verl√§uft die Regeneration entgegengesetzt der Beladung. Zur Regeneration werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Die wichtigsten Verfahren sind Gleichstrom-, Gegenstrom-, Verbund- und progressive Regeneration. Sie haben verschiedene Vor- und Nachteile im Hinblick auf Chemikalienaufwand und Regenerationswirkung. In Abh√§ngigkeit von den unterschiedlichen Ionenaustauschharze werden √ľblicherweise folgende Regenerierchemikalien verwendet:

  • F√ľr Kationenaustauscher: verd√ľnnte Schwefels√§ure oder Salzs√§ure, sowie w√§ssrige Kochsalzl√∂sung.
  • F√ľr Anionenaustauscher: w√§ssrige Ammoniakl√∂sung, verd√ľnnte Natronlauge und Natriumcarbonat oder w√§ssrige Kochsalzl√∂sung

Es sind auch Verfahren entwickelt worden, Austauscher mit Hilfe des elektrischen Stroms zu Regenerieren, dabei wird der Austauscher (besonders f√ľr Mischbettaustauscher) zwischen zwei Austauschermembranen (KAT und AAT) gef√ľllt und Spannung angelegt. Die Ionen wandern im Feld und werden durch den Anolyten(S√§ure) und den Katolyten(Lauge) gebunden und dadurch abgetrennt.Die Membranen verhindern eine Diffusion der Elektrolyten zur√ľck zum Austaucher. Mischbettaustauscher m√ľssen, wenn sie nicht elektrolytisch regeneriert werden, durch Sp√ľlen von unten in S√§ulen getrennt werden (der AAT setzt sich oben ab).

In den 1970er wurde untersucht, ob statt Chemikalien auch Unterschiede in der Temperatur f√ľr einen Ionenaustausch und die Regeneration ausreichen. Es wurden Ionenaustauschharze entwickelt, die bei Zimmertemperatur Kat- und Anionen aus einer Salzl√∂sung aufnehmen und bei Erw√§rmung gegen H+ und OH‚ąí‚ąíIonen wieder abgeben. Die Gleichung f√ľr diese Reaktionen lauten:

\mathrm{R_a^+ OH^- + R_c^- H^+ + Na^+ +Cl^- \rightleftharpoons R_a^+Cl^- + R_c^-Na^+ + H_2O}
Anionenharz in OH-Form + Kationenharz in H-Form reagieren mit Na- + Cl-Ionen zu Kationenharz in Natrium- und Anionenharz in Chlorid-Form + Wasser

Bei 20 ¬įC verl√§uft die Reaktion von links nach rechts. Bei Erw√§rmung auf 80 ¬įC werden die aufgenommenen Ionen wieder abgegeben, die Reaktion verl√§uft umgekehrt und die Harze in die regenerierte Form umgewandelt. Bei milden Brackw√§ssern kann eine √ľber 80 %ige Entsalzung erreicht werden. Als Sirotherm Process wurden in den USA erste Versuchsanlagen mit Erfolg getestet.[6] Durch die Verteuerung der Energiekosten konnte sich dieses Verfahren bisher aber wirtschaftlich in der Praxis nicht durchsetzen.

Durch Aufnahme von Verunreinigungen blockierte und dadurch weitgehend inaktive Ionenaustauschharze ‚Äď beispielsweise Kationenaustauscher mit Eiwei√üverbindungen oder Anionenaustauscher mit Humins√§uren ‚Äď k√∂nnen mit warmer alkalischer Kochsalzl√∂sung behandelt werden. Hierdurch sind h√§ufig diese Verunreinigungen zumindest teilweise wieder abl√∂sbar. Nach einer derartigen Spezialbehandlung ist zus√§tzlich eine normale Regeneration erforderlich.

Verwendung von Ionentauschern

Ionentauscher werden sehr oft zur Enthärtung, Umsalzung, Teilentsalzung oder Vollentsalzung von Wasser oder wässerigen Lösungen verwendet.

Pulverisierte Ionenaustauscher werden f√ľr die Entfernung von geringen Verunreinigungen wie Farbstoffe, Metallspuren, giftige org. Chlorverbindungen usw. aus w√§ssrigen L√∂sungen oder nichtw√§ssrigen Fl√ľssigkeiten z. B. durch eine Anschwemmfiltration[7] eingesetzt.

Ionenaustauscher mit feiner K√∂rnung und in gr√∂√üeren Schichth√∂hen werden f√ľr die chromatographische Trennung von organischen Verbindungen verwendet. Ein Beispiel ist die Separation von Glucose und Fructose aus den Gemischen, die bei der Fermentierung von Maisst√§rke zu Invertzucker anfallen.

Ionenaustauschharze werden in der Chemie auch als Katalysatoren f√ľr diverse Synthesen eingesetzt. Diese Verwendung wird zum Teil auch in nichtw√§ssrigen L√∂sungen durchgef√ľhrt.

Weitere wichtige Anwendungen f√ľr Ionenaustauscher sind:

  • Herstellung von demineralisiertem Wasser: oft auch als Deionat oder f√§lschlicherweise als destilliertes Wasser (Wasser, das durch Destillation gereinigt wurde) bezeichnet. Mit Hilfe von Kationen- und Anionentauschern werden unerw√ľnschte Salze aus dem Wasser entfernt. In der Wissenschaft und Technik bezeichnet man demineralisiertes Wasser daher auch als Deionat oder VE-Wasser (voll entsalzt).
  • Elektronikindustrie: F√ľr die Herstellung von elektronischen Bausteinen ‚Äď insbesondere bei der Chipherstellung ‚Äď wird extrem sauberes Deionat, auch als Reinstwasser bezeichnet, ben√∂tigt. F√ľr die Herstellung von Reinstwasser wird Deionat mit einer Leitf√§higkeit < 0,08 ¬ĶS/cm zus√§tzlich noch √ľber Kerzenfilter, Porengr√∂√üe ‚ȧ 1 Mikron, gefiltert und mit UV-Licht zwecks Keimt√∂tung behandelt.
  • Reinigung von Zuckersaftl√∂sungen: F√ľr die Reinigung von Zuckers√§ften bei der Herstellung von Zucker (Saccharose), Glucose- bzw. Fructosekonzentraten werden ebenfalls Kationen- und Anionentauscher verwendet. Hiermit werden Salze, Eiwei√üstoffe und Farbstoffe aus den Rohl√∂sungen entfernt und die Reinheit der Endprodukte verbessert. Weiterhin wird die Funktion der verwendeten Fermente bei der Gewinnung von Glucose bzw. Fructose aus Maisst√§rke verbessert. Durch Umsalzung der bei der R√ľbenzucker anfallenden Restmelasse kann die Zuckerausbeute verbessert werden. Wird bereits der rohe Zuckerr√ľbensaft entsalzt, so kann dieser durch Eindampfen im Vakuum direkt auf Wei√üzucker verarbeitet werden, ohne Melasseanfall. Aus dem Regenerationsabwasser k√∂nnen nebenher noch andere in der R√ľbe enthaltene Stoffe gewonnen werden.
  • Brauwasser: Das bei der Herstellung von Bier verwendete Brauwasser darf keinen hohen Gehalt an Carbonath√§rte aufweisen. Weiterhin sollen die Magnesium- und Calciumsalzen in einem bestimmten Verh√§ltnis vorliegen. Nat√ľrliche W√§sser entsprechen h√§ufig nicht diesen Vorgaben. Brauw√§sser werden deshalb √ľber schwach saure Kationenaustauscher teilentkarbonisiert. Die Regeneration der Austauscher wird mit Salz- oder Schwefels√§ure durchgef√ľhrt.
  • Urangewinnung: Neben der R√ľckgewinnung von insbesondere +2-wertigen Metallionen aus Abw√§ssern, wird bei der Urangewinnung aus Erz gezielt das Ionenaustauschverfahren zur Uranherstellung verwendet. Das Erz wird mittels alkalischem Carbonat aufgeschlossen. Aus der entstehenden L√∂sung kann mit schwach sauren Kationaustauschern oder mit stark basischen Anionenaustauscher das Uran aufkonzentriert werden. Aus den Regeneraten wird dann das Uran als Oxid, auch yellow cake genannt, ausgef√§llt.
  • In Geschirrsp√ľlmaschinen: hier werden Ionenaustauscher verwendet, um die Maschine vor Ca2+- und Mg2+-Ionen zu sch√ľtzen, die zu Kesselstein (umgangssprachlich: Verkalkung) f√ľhren k√∂nnen. Diese Ionen werden durch Na+-Ionen ersetzt und nicht, wie bei anderen Austauschern durch ‚Äěsaure‚Äú H+-Ionen, die das Metall der Sp√ľlmaschine und Gl√§ser angreifen w√ľrden. Da ein eingebauter Ionentauscher nach einiger Zeit mit Ca2+- und Mg2+-Ionen beladen ist und nicht mehr funktionieren w√ľrde, muss dieser wieder regeneriert werden. Dazu gibt es spezielles Regeneriersalz, das immer wieder zugegeben werden muss.
Haushalts- Wasserfilter
  • In Wasserfiltern: diese ‚ÄěFilter‚Äú enthalten meist nicht nur einen Ionentauscher um das Wasser zu entkalken und um damit Kalkablagerungen in Wasserkochern zu verhindern, sondern meist auch Aktivkohle-Filter um geruchs- und geschmacksst√∂rende Stoffe zu entfernen.
  • In Waschmitteln: auch hier soll der Ionentauscher den Calciumcarbonatgehalt des Wasser herabsetzten um die Bildung von Kalkseifen zu verhindern. Dadurch wird weniger Waschmittel ben√∂tigt. Ein wichtiger Ionentauscher in Waschmitteln ist beispielsweise der Stoff Zeolith A.
  • Reinigung von Abwasser: Ein Beispiel ist die Reinigung der Abw√§sser, die beim Galvanisieren zur√ľckbleiben, also bei der Herstellung von Metall√ľberz√ľgen. Diese Abw√§sser enthalten giftige Schwermetall-Ionen, die nicht in Kl√§ranlagen abgegeben werden k√∂nnen. Dadurch werden auch die wertvollen Ausgangsstoffe wieder gewonnen.
  • Reinigung und R√ľckgewinnung von Phenolen aus Abwasser:Phenolhaltige Chemieabw√§sser m√ľssen bei h√∂heren Gehalten an Phenolen, Bisphenolen und p-Nitrophenol vorgereinigt werden. Ohne eine Abtrennung dieser Inhaltsstoffe w√ľrde in einer Kl√§ranlage die biologische Reinigungstufe stark behindert oder weitgehend blockiert. Mit speziellen makropor√∂sen Anionenaustauschern k√∂nnen derartig verunreinigte Abw√§sser vorgereinigt werden. Bei h√∂heren Gehalten im Abwasser kann aus den Regenerationsabw√§ssern das Chemikal auch wieder zur√ľckgewonnen werden.[8]
  • In der Arzneimittelindustrie werden Ionenaustauschharze zur Aufkonzentrierung, Reinigung wie die Entfernung von Salzen und organischen Verunreinigungen und der Entf√§rbung verwendet. Der verwendete Typ des Ionenaustauschers ist dabei abh√§ngig von den gew√ľnschten und erforderlichen Reaktionen. Schwach basische Austauscher werden √ľberwiegend f√ľr Reinigung von Aminos√§uren und Abtrennung von Antibiotika mit Carbons√§uregruppen eingesetzt. Antibiotika mit basischen Gruppen werden dagegen mit schwach sauren Austauscher behandelt. Letzterer Austauschertyp wird beispielsweise auch f√ľr die Herstellung von Vitamin B‚Äď12 verwendet. Stark basische Austauscher werden besonders f√ľr die Entf√§rbung eingesetzt. Stark saure Austauscher erm√∂glichen die Abtrennung und Isolierung von Alkaloiden.
  • In der Medizin: zum Beispiel zur Abgabe von Wirkstoffen, indem im K√∂rper vorhandene Protonen (H+-Ionen) oder Metall-Ionen in den Ionentauscher aufgenommen werden und der im Ionentauscher enthaltene Wirkstoff abgegeben wird. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung einer Hyperkali√§mie, indem K+-Ionen aus dem K√∂rper entfernt werden und durch Na+-Ionen ersetzt werden. Bei der Therapie der Hypercholesterin√§mie verwendet man Anionenaustauscher (als sogenannte Ionenaustauscherharze), um negativ geladene Gallens√§uren im Darm zu binden und im Austausch beispielsweise Citronens√§ure abzugeben. Dadurch wird der enterohepatische Kreislauf der Gallens√§uren gehemmt, die Leber muss vermehrt Gallens√§uren aus Cholesterin herstellen und der LDL-Cholesterinspiegel im Blut sinkt um 25‚Äď30 %. [9] Als positive Nebeneffekte sind ein Anstieg des sich g√ľnstig auswirkenden HDL-Cholesterins um 3‚Äď8 % und die Zunahme der Dichte der LDL-Rezeptoren zu werten, die zu einer vermehrten Extraktion des LDL aus dem Blut f√ľhrt. Nachteilig k√∂nnen Obstipation (Verstopfung), √úbelkeit und eine verminderte Resorption fettl√∂slicher Vitamine A, D, E, K auftreten.
  • Hydrokultur: Das in der Hydrokultur verwendete Granulat versorgt die Pflanzen durch Ionenaustausch mit Mineralien.
  • Trennung der Seltenerdmetalle: Mit gro√üem Erfolg wurde die Ionenaustauschmethode bei der zuvor √§u√üerst umst√§ndlichen und schwierigen Trennung der verschiedenen Seltenerdmetalle angewandt. In der Kernforschung erwiesen sich ihre Vorteile beim Abtrennen des Plutoniums vom Uran und dessen Kernspaltprodukten. Durch Ionenaustausch konnte man erstmals das Seltenerdmetall Promethium sowie einige Transurane nachweisen und isolieren.
  • In der Aquaristik: Bei empfindlichen Fischen oder Weichtieren, wie Garnelen, zur Entfernung unerw√ľnschter Ionen (z. B. Kupfer-Ionen). Auch zum Entfernen von Nitrit NO2‚ąí und Nitrat NO3‚ąí (Nitratfilter) im S√ľsswasseraquarium, falls bakteriell-biologische Filter nicht realisierbar sind.

Ionenaustauschermembran

Als Ionenaustauschermembran (auch Ionentauschmembran) bezeichnet man d√ľnne Folien (Dicke: 20‚Äď100 Mikrometer), die nur von Ionen mit einem bestimmten Ladungsvorzeichen passiert werden k√∂nnen. ‚ÄěAnionentauschermembranen‚Äú sind durchl√§ssig f√ľr elektrisch negativ geladene Teilchen (Anionen), w√§hrend ‚ÄěKationentauschermembranen‚Äú nur elektrisch positive geladene Teilchen (Kationen) hindurchlassen.

Ionentauschermembranen dienen als ladungsselektive Filter, mit deren Hilfe Kationen oder Anionen gezielt aus Lösungen entfernt werden können. Derartige Membranen werden in der Elektrodialyse zur Anreicherung von Salzlösungen bzw. zum Abtrennen von Salzen verwendet und zur Herstellung von Säuren und Laugen aus Salzlösungen eingesetzt.

Technische Ionentauschermembranen (z. B. Amberplex) bestehen aus Wasser ‚Äď gequollenen Polymernetzwerken, an denen √ľber kovalente Bindungen elektrisch geladene chemische Gruppen (z. B. COO‚ąí, SO3‚ąí, PO4‚ąí, NR4+) fixiert sind. Die Gesamtladung der Membran wird durch mobile Gegenionen ausgeglichen, die in der w√§ssrigen Phase gel√∂st sind. Diese mobilen Gegenionen k√∂nnen durch andere mobile Ionen mit gleichem Ladungsvorzeichen ausgetauscht werden, sobald die Membran in Kontakt mit einer Salzl√∂sung gebracht wird. Folglich k√∂nnen alle Ionen mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die mobilen Gegenionen diese Membran passieren, w√§hrend entgegengesetzt geladene Ionen ‚Äď mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die fixierten Ionen des Membrannetzwerkes ‚Äď abgewiesen werden. Dieser Mechanismus wird als ‚ÄěDonnan-Ausschluss‚Äú (nach Frederick George Donnan) bezeichnet und bewirkt, dass man Ionenaustauschmembranen als ladungsselektive Filter verwenden kann.

Die Selektivit√§t, S+/-, einer Ionenaustauschmembran ist definiert als das Verh√§ltnis der Konzentrationen von Kationen zu Anionen in der Membran. Diese Gr√∂√üe nimmt mit steigender Salzkonzentration ab, d. h. in konzentrierten Salzl√∂sungen (Salzkonzentration > 10‚Äď15 mol/L) werden die Membranen wirkungslos. Die Berechnung der Kationen-/Anionenselektivit√§t ist √§u√üerst schwierig, weil S+/- gleichzeitig von der Ionenaktivit√§t und dem osmotischen Druck innerhalb der Membran abh√§ngt.

Quellen

  1. ‚ÜĎ http://www.buetzer.info/fileadmin/pb/HTML-Files/WebHelp/Ladungen_in_Oberfl_chenschichten.htm
  2. ‚ÜĎ Rohm und Haas Co.; In: amber-hi-lites; No. 162, Fall 1979, S. 2.
  3. ‚ÜĎ Bayer AG; In: Ionenaustauscher; 1999, K+W Kunst- und Werbedruck, Bad Oeynhausen, S. 10.
  4. ‚ÜĎ Bundesgesetzblatt 28 Nr.1 1985; F√ľr: Gesundheitliche Beurteilung von Kunststoffen im Rahmen des Lebensmittel- und Bedarfsgegenst√§ndegesetzes.
  5. ‚ÜĎ die Daten basieren √ľberwiegend auf: Produkt-Datenbl√§tter der Firmen f√ľr die Typen Lewatit S 100 und Amberlite IR 120.
  6. ‚ÜĎ Calvin Calmon, Harris Gold: New directions in ion exchange; In: Environmental Science & Technologie; 1976 October, Volume 10, Number 10, pages 980-984.
  7. ‚ÜĎ Erkl√§rung von Anschwemmfiltern
  8. ‚ÜĎ Evan H. Crook, Roger P. McDonnel and James t. Mc.Nulty: Removal and Recovery of Phenols from Industriel Waste Effluents; In: Ind. Eng. Chem., Prod. Res. Dev., 1975, Vol. 14, No. 2 page 113-118.
  9. ‚ÜĎ Prof. Dr. W. Strobl: Genetische Faktoren der Krankheitsentstehung: Famili√§re Hypercholesterinamie

Literatur

  • Gerd Kr√ľger: Ionenaustauscher ‚Äď ein √úberblick. Chemiker-Zeitung 79(21), S. 733‚Äď737 (1955), Chemiker-Zeitung 79(22), S. 768‚Äď772 (1955), Chemiker-Zeitung 79(23), S. 804‚Äď806 (1955), ISSN 0009-2894
  • Friedrich Martinola: Ionenaustauscher und Adsorber ‚Äď vielseitige Hilfsmittel der chemischen Industrie. Chemie Ingenieur Technik 51(7), S. 728‚Äď736 (1979), ISSN 1522-2640
  • Holleman-Wiberg, 1956: Lehrbuch der anorg. Chemie S. 330
  • Babcock-Handbuch, 1962: Wasser
  • Rohm and Haas Comp., ‚Äěamber-hi-lites‚Äú, No. 127 March 1972, No. 132 Jan. 1973, No. 142 Sept. 1974, No. 160 Winter 1978‚Äď79, No. 174 Spring 1984,
  • Produktprospekte der Herstellfirmen von Ionenaustauschharze, z. B. Lanxess f√ľr Lewatit, Rohm and Haas f√ľr Amberlite usw.

Weblinks

Siehe auch


Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen W√∂rterb√ľchern nach:

  • Ionenaustauscher ‚ÄĒ Io|nen|aus|tau|scher ‚Ć©m. 3; Chem.‚Ć™ hochmolekularer Stoff, der die Eigenschaft hat, Ionen abzuspalten u. daf√ľr andere in einer L√∂sung befindliche Ionen aufzunehmen * * * Io|nen|aus|tau|scher: Sammelbez. f√ľr nat√ľrliche oder synthetische Stoffe, die ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Ionenaustauscher ‚ÄĒ jonitinis ńĮrenginys statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. ion exchanger vok. Ionenaustauschanlage, f; Ionenaustauscher, m rus. –ł–ĺ–Ĺ–ł—ā–Ĺ–į—Ź —É—Ā—ā–į–Ĺ–ĺ–≤–ļ–į, f; –ł–ĺ–Ĺ–ĺ–ĺ–Ī–ľ–Ķ–Ĺ–Ĺ–į—Ź —É—Ā—ā–į–Ĺ–ĺ–≤–ļ–į, f pranc. √©changeur des ions, m; √©changeur ionique, m ‚Ķ   Radioelektronikos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Ionenaustauscher ‚ÄĒ I|o|nen|aus|tau|scher ‚Ć©[io: ] m.; Gen.: s, Pl.: ; Physik‚Ć™ hochmolekularer Stoff, der die Eigenschaft hat, Ionen abzuspalten u. daf√ľr andere in einer L√∂sung befindliche Ionen anzunehmen ‚Ķ   Lexikalische Deutsches W√∂rterbuch

  • Ionenaustauscher ‚ÄĒ IoŐĪnen|aus|tauscher m; s, (meist Mehrz.): hochmolekulare, unl√∂sliche chemische Substanzen, die die angelagerten Ionen gegen anders geladene Molek√ľle austauschen (z. B. zur Bindung von Gallens√§uren) ‚Ķ   Das W√∂rterbuch medizinischer Fachausdr√ľcke

  • Ionenaustauscher-Chromatografie ‚ÄĒ Die Ionenaustauschchromatographie ist eine analytische Methode in der Chemie oder Biologie. Mit Hilfe dieses chromatografischen Verfahren k√∂nnen Stoffe getrennt werden. An einer polymeren Matrix befinden sich geladene funktionelle Gruppen, die… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Ionenaustauscher-Chromatographie ‚ÄĒ Die Ionenaustauschchromatographie ist eine analytische Methode in der Chemie oder Biologie. Mit Hilfe dieses chromatografischen Verfahren k√∂nnen Stoffe getrennt werden. An einer polymeren Matrix befinden sich geladene funktionelle Gruppen, die… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Redox-Ionenaustauscher ‚ÄĒ ReŐ£|d|ox Io|nen|aus|tau|scher: svw. ‚ÜĎ Redoxaustauscher ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Anionen-Austauscher ‚ÄĒ Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Materialien, mit denen gel√∂ste Ionen gegen andere Ionen gleicher Ladung ersetzt werden k√∂nnen; es findet ein Ionentausch statt. Ionentauscher kommen als S√§ulen, die mit einem Ionenaustauschermaterial… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Anionenaustauscher ‚ÄĒ Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Materialien, mit denen gel√∂ste Ionen gegen andere Ionen gleicher Ladung ersetzt werden k√∂nnen; es findet ein Ionentausch statt. Ionentauscher kommen als S√§ulen, die mit einem Ionenaustauschermaterial… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Anionenaustauscherharze ‚ÄĒ Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Materialien, mit denen gel√∂ste Ionen gegen andere Ionen gleicher Ladung ersetzt werden k√∂nnen; es findet ein Ionentausch statt. Ionentauscher kommen als S√§ulen, die mit einem Ionenaustauschermaterial… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia


Share the article and excerpts

Direct link
… Do a right-click on the link above
and select ‚ÄúCopy Link‚ÄĚ

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.