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Das Ionenaustauscher ABC: Alles zum Thema Ionenaustausch
Ob in Haushalten, in der Industrie oder in der Medizin – Ionenaustauscher sind wahre Alleskönner, wenn es um die Reinigung und Aufbereitung von Wasser geht. Durch den gezielten Austausch von Ionen mit Ionenaustauschermaterial werden unerwünschte Stoffe effizient aus dem Wasser entfernt, was nicht nur zur Verbesserung der Wasserqualität beiträgt, sondern auch zur Verlängerung der Lebensdauer von Geräten und Anlagen. In diesem Artikel geben wir Ihnen einen umfassenden Überblick über die Grundlagen der Ionenaustauschertechnologie, erklären die verschiedenen Arten von Ionenaustauschern und zeigen Ihnen, welche Vorteile sie in unterschiedlichen Anwendungsbereichen bieten.
Table of Contents
So fing alles an: Die Geschichte der Ionenaustauscher
Die Geschichte der Ionenaustauschertechnologie reicht weit zurück und zeigt, wie tief verwurzelt dieses Verfahren in unserer Kultur und Wissenschaft ist. Bereits im Alten Testament wird auf den Ionenaustausch hingewiesen: So wird berichtet, dass durch das Einlegen von Holz in bitteres Wasser dieses süß und trinkbar wurde. Dieses einfache Prinzip nutzte die natürlichen Ionenaustauscheigenschaften von verrotteter Zellulose. In der modernen Wissenschaft begann die gezielte Nutzung von Ionenaustauschern mit der Entdeckung der Alumosilikate im frühen 20. Jahrhundert. Diese natürlichen Minerale wurden erfolgreich zur Enthärtung von Wasser verwendet. Später folgten synthetische Ionenaustauscherharze auf Basis von Polystyrol und Polyacrylsäuren, die eine noch effizientere Wasseraufbereitung ermöglichten.
Was ist ein Ionenaustauscher?
Ionentauscher und Ionenaustauscherharz werden im Sprachgebrauch der Wasseraufbereitung oft als Synonyme benutzt. Das geht darauf zurück, dass das Harz in den Ionenaustauscher-Patronen das zentrale Element ist, um den Ionenaustausch in einer wässrigen Phase zu ermöglichen. Man nennt es deshalb treffenderweise Ionenaustauscherharz. Es ist mit Ionen beladen, die während des Ionenaustauschverfahrens jene Ionen ersetzen sollen, die im unbehandelten (Ab-)Wasser vorhanden sind, aber nach der Wasseraufbereitung bzw. Abwasserbehandlung nicht mehr enthalten sein sollen.
Es gibt verschiedene Arten von Ionenaustauscherharz. Dazu zählen Kationenharz, Anionenharz sowie Mischbettharz, wobei sich letzteres besonders zur Herstellung von VE-Wasser eignet. Ionentauscher werden daher vor allem in Branchen eingesetzt, wo entmineralisiertes bzw. vollentsalztes Wasser für weitere Produktionsverfahren benötigt wird (siehe Einsatzgebiete weiter unten) oder lediglich spezifische Ionen aus einem Wasserstrom entfernt werden sollen (siehe Selektivaustauscher weiter unten). In der Praxis können jedoch auch Kationen- und Anionenaustauscher kombiniert miteinander eingesetzt werden, um Wasser vollständig zu entsalzen. Worin hierbei der Unterschied zur Vollentsalzung mittels Mischbettfilter (Vollentsalzer) liegt, erläutern wir im Abschnitt „Arten von Ionenaustauschern“.
Kationen- und Anionenharz eignen sich aufgrund der hohen, chemischen Stabilität und Regeneriereffizienz sehr gut zur Herstellung von vollentsalztem Wasser. Dadurch kann das aufbereitete Wasser eine Leitfähigkeit von < 5 µS/cm erreichen. Eine noch geringere Leitfähigkeit (< 1 µS/cm) erreicht man mittels eines Vollentsalzers. Das dabei verwendete Mischbettharz enthält sehr feine, makroporöse Kunststoffkügelchen, das sämtliche Ionen aus dem Wasserstrom aufnimmt.
Bei Ionenaustauscherharz hängt die Kapazität, also wie viel Wasser mit dem Harz aufbereitet werden kann, maßgeblich von der im Wasser befindlichen Anzahl an Ionen und damit von der Wasserqualität ab. Generell muss man hierbei beachten, dass Kationen- und Anionenharz nach einer fachgerechten Ionenaustauscher-Regeneration wiederverwendet werden kann, Mischbettharz nicht. Letzteres wiederzuverwenden, ergibt aus ökonomischer Sicht in den meisten Fällen wenig Sinn, da man das Mischbettharz vor der eigentlichen Regeneration erst aufwendig in seine Bestandteile trennen müsste.
Es lässt sich festhalten: Die Kapazität des Harzes nimmt während der Benutzung mit der Zeit ab. Ob das benutzte Harz den individuellen Qualitätsanforderungen entspricht, kann man bei Vollentsalzern mittels eines Leitfähigkeitsmessgeräts überprüfen. Ebenfalls kann damit der Zeitpunkt einer benötigten Regeneration bzw. eines Harzwechsels genau bestimmt werden. Im Laufe der Zeit erhöht sich zwangsläufig die Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers, da das Harz bereits mit Kationen und Anionen beladen ist. Wir empfehlen Ihnen daher, beim Kauf eines Ionenaustauschers direkt das für Ihren Zweck passende Leitfähigkeitsmessgerät mitzubestellen. Sollten Sie sich dazu entscheiden, einen Ionenaustauscher als Ersatz für einen schnellen Wechsel zu erwerben, reicht ein Leitwertmessgerät pro Betriebsstelle vollkommen aus.
Arten von Ionenaustauschern
Mit Ionenaustauschern können Sie je nach Typ die Wasserhärte beeinflussen sowie das Wasser für bestimmte Anwendungen gezielt teil- oder vollentsalzen. Dabei wählen Sie abhängig vom Einsatzzweck zwischen Anionen- und Kationenaustauschern, Selektivaustauschern und Vollentsalzern. Eine Ionenaustauschersäule spielt dabei eine zentrale Rolle, da sie zur Entfernung von Salzen und Härtebildnern aus dem Wasser dient.
Kationenaustauscher
Bei Kationenaustauschern wird Kationenharz verwendet, um die im Wasser enthaltenen positiven Ionen (Kationen) durch den Wasserbestandteil H+ zu ersetzen. Zu den Kationen gehören Calcium, Magnesium, Natrium, Kalium, Ammonium, Eisen und Mangan. Vor allem Calcium und Magnesium (Härtebildner) sind ausschlaggebend dafür, ob das Wasser weich oder hart ist. Man spricht hierbei von der Wasserhärte. Wenn beispielsweise die örtliche Wasserhärte sehr hoch ist, kann ein Kationenaustauscher in der Natriumform zur Enthärtung von Wasser genutzt werden, indem Calcium-Ionen und Magnesium-Ionen gegen Natriumionen ausgetauscht werden. Auch in Spülmaschinen werden sie in der Regel verbaut, da eine niedrige Wasserhärte die Reinigungsleistung verbessert.
Einer der großen Vorteile von Kationenaustauschern ist, dass diese bei Erschöpfung im Gegensatz zu den meisten Mischbettaustauschern über unseren Regenerierservice für Ionenaustauscher regeneriert und somit wieder vollständig wiederverwendet werden können. Die Regeneration der Ionenaustauscher in Enthärtungsanlagen funktioniert vollautomatisch und ist entweder zeit- oder mengengesteuert, wobei die Kationenaustauscher hier mit Natrium regeneriert werden, was zu einem Verbrauch an Kochsalz führt.
Hinweis: Durch den Austausch von Kationen mit H+-Ionen nimmt der pH-Wert des Wassers mit der Zeit ab und wird sauer. Meist werden Kationenaustauscher deshalb in Kombination mit einem Anionenaustauscher eingesetzt, um Prozesswasser kontinuierlich aufbereiten und vollständig entsalzen zu können. Dafür können Sie entweder einen Kationen- und Anionenaustauscher nacheinander zur Wasseraufbereitung einsetzen oder alternativ einen Vollentsalzer benutzen.
Ausführlichere Informationen zum Kationenaustauscher finden Sie in unserem Artikel „Kationenaustauscher kompakt erklärt„.
Anionenaustauscher
Anionenaustauscher nutzen Anionenharz, um gezielt negativ geladene Ionen wie Sulfat, Nitrat, Chlorid und Hydrogencarbonat aus dem Wasser zu entfernen und gegen Hydroxid-Ionen (OH-) auszutauschen. Es gibt zwei Haupttypen: schwachbasische und starkbasische Anionenaustauscher. Schwachbasische Harze haben eine hohe Kapazität und Oxidationsbeständigkeit, während starkbasische Harze für die Entfernung spezifischer Anionen wie Cyanid geeignet sind.
Makroporöse Harze sind weniger anfällig für Verunreinigungen und haben eine größere innere Porenoberfläche. Anionenaustauscher werden zur Vollentsalzung, Rohwasserfiltration und Edelmetallrückgewinnung eingesetzt. Die Regeneration erfolgt durch Zugabe von Natronlauge, die die gebundenen Anionen verdrängt und das Harz wieder nutzbar macht. Nutzen Sie dafür unseren hauseigenen Regenerationsservice.
Weitere Informationen zum Anionenaustauscher finden Sie in unserem separaten Wissensbeitrag „Anionenaustauscher kompakt erklärt„.
Mischbettaustauscher
Benötigen Sie entmineralisiertes bzw. vollentsalztes Wasser, können Sie Anionenaustauscher und Kationenaustauscher miteinander kombinieren oder einen Mischbettaustauscher bzw. Vollentsalzer einsetzen. Beim Mischbettaustauscher liegen Anionenharz und Kationenharz in einer Mischung vor – dieses sogenannte Mischbettharz kann das Wasser in einem Arbeitsschritt vollständig entsalzen. Verschiedene Materialien werden in Mischbettaustauschern verwendet, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Vollentsalzer funktionieren auf der Basis des lonenaustauschverfahrens, wobei sowohl die negativ geladenen Anionen als auch die positiv geladenen Kationen der Salze, die im Wasser enthalten sind, gegen Wasserstoff- (H⁺) und Hydroxid-Ionen (OH⁻) ausgetauscht werden. Mischbettaustauscher sind in der Anschaffung kostengünstig, haben aber den Nachteil, dass die Regeneration des Harzes aus verschiedenen Gründen meistens nicht wirtschaftlich ist. Sobald die Kapazität nachlässt, und damit die gewünschte Leitfähigkeit nicht mehr erreicht werden kann, muss es ersetzt werden.
Selektivaustauscher
Eine spezielle Art der Ionenaustauscher sind die sogenannten Selektivaustauscher. Diese nehmen, wie der Name vermuten lässt, selektiv Ionen auf und sind deshalb besonders gut geeignet, um die wenigen, jedoch störenden, Fremd-Ionen aus dem Wasser zu entfernen. So gibt es zum Beispiel selektive Ionenaustauscher-Anlagen zur Entfernung von Schwermetallspuren und Perfluoroctansulfonat (PFOS). Solche Selektivtauscher werden innerhalb einer betriebsinternen Abwasserbehandlung nach chemisch-physikalischen Verfahren eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Grenzwerte für Schwermetalle nicht überschritten werden. Sofern die Metall-Ionen kationisch vorliegen, arbeitet man in der Praxis meist mit selektiv arbeitenden Kationenaustauschern.
Der Vorteil eines Selektivaustauschers ist die hohe Zuverlässigkeit, die sichere Einhaltung der Abwassergrenzwerte sowie der einfache Anschluss an die bestehende Abwasserbehandlung. Ebenso können Selektivionenaustauscher regeneriert werden. Dafür wird die bestehende Abwasseranlage zusätzlich mit einer stationären Regenerierstation betrieben. Alternativ können Selektivaustauscher extern regeneriert werden.
Selektivaustauscheranlagen sind innerhalb der betriebsinternen Abwasserbehandlung relevant, um Schwermetallionen wie Chrom, Kupfer und Nickel zu filtern. Doch auch in anderen Bereichen kommen Selektivaustauscher zum Einsatz. So kann zum Beispiel mit einem Nitratfilter bzw. Silikatfilter störendes Nitrat bzw. Silikat aus dem Aquariumswasser entfernt werden. Bei der Edelmetallrückgewinnung werden ebenfalls spezielle Selektivaustauscher eingesetzt, die die komplexiert vorliegenden Edelmetallionen aufnehmen und aufkonzentrieren – erst das macht ein Recycling dieser Mengen wirtschaftlich.
Welche Vorteile haben Ionenaustauscher?
Das Ionenaustauschverfahren ist innerhalb der Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Recyclingtechnik nicht mehr wegzudenken.
Ionenaustauscher lassen sich miteinander kombinieren, zum Beispiel dann, wenn Wasser teilweise oder vollständig entmineralisiert werden soll. Doch nicht nur das macht sie besonders effektiv: Wenn man beispielsweise 1 Liter ungefiltertes Leitungswasser in einen Vollentsalzer hineingibt, bekommt man genau 1 Liter VE-Wasser heraus.
Weiterhin lässt sich festhalten, dass der Reinheitsgrad besser als bei anderen Verfahren ist. Ein Beispiel: Für die Aquaristik eignen sich neben Vollentsalzern ebenso mobile Osmosefilter. Zwar können beide die für Aquarien benötigte, niedrige Leitfähigkeit zuverlässig herstellen, jedoch ist eine Umkehrosmoseanlage von der Qualität der Wasseraufbereitung her nicht mit einem Mischbettfilter zu vergleichen. Benutzen Sie einen Vollentsalzer können Sie problemlos eine Leitfähigkeit von unter 1 µS/cm erreichen. Im direkten Vergleich erreichen Sie mit einem Osmosefilter eine elektrische Leitfähigkeit von circa 20 µS/cm.
Ionenaustauscher lassen sich regenerieren
Kationen- und Anionenaustauscher haben den großen Vorteil, dass sie wiederverwendet werden können. Oder besser gesagt: Das Ionenaustauscherharz ist regenerierbar. Das betrifft allerdings nicht herkömmliche Vollentsalzer, bei denen meist Einwegharz verwendet wird und das Filtergranulat entsorgt und neu eingefüllt werden muss. Somit ergibt sich aus ökonomischer Sicht folgender Unterschied: Kationen- bzw. Anionenaustauscher sind in der Anschaffung vergleichsweise teuer, jedoch sind die laufenden Kosten geringer als bei einem Vollentsalzer.
Sobald der Kationenaustauscher oder Anionenaustauscher erschöpft ist, kann dieser regeneriert werden. Dafür kommen im Falle des Kationenaustauschers Säuren wie beispielsweise Salzsäure zum Einsatz, die die aufgenommenen Kationen herunterwaschen. Beim Anionenaustauscher wird Lauge (z. B. Natronlauge) verwendet, um die aufgenommenen Anionen vom Harz zu befreien.
Durch das regenerierfähige Harz wird unnötiger Müll vermieden, sodass einer umweltgerechten und effizienten Wasseraufbereitung nichts mehr im Wege steht.
Sie möchten noch genauer verstehen, wie die Regeneration von Ionenaustauschern funktioniert? Dann können wir Ihnen unseren Ratgeber „So funktioniert eine Ionenaustauscher-Regeneration“ empfehlen.
Was muss man bei Ionenaustauschern beachten?
Ionenaustauscher entfernen keine organischen Stoffe. Daher werden sie mit einer Reihe von weiteren Verfahren kombiniert, sobald es nicht nur darum geht, Salze aus dem Wasser zu entfernen, sondern darüber hinaus organische Stoffe und Verunreinigungen (z. B. Pflanzenschutzmittel, Medikamentenrückstände) oder Schwebstoffe (partikuläre Verunreinigungen) gefiltert werden sollen. Zudem muss das Wasser für bestimmte Arbeits- und Herstellungsverfahren, zum Beispiel in der Labor- und Halbleitertechnik, zu besonders reinem Wasser ohne jegliche Fremdstoffe (Reinstwasser) aufbereitet werden, wofür spezielle Reinstwasseranlagen eingesetzt werden. Hierbei kommen zusätzlich zum Ionenaustauschverfahren Filtration, Umkehrosmose und auch Adsorption zum Einsatz.
Sobald das Harz des Kationen- bzw. Anionenaustauschers erschöpft ist – also dann, wenn es keine weiteren Ionen mehr aufnehmen kann –, muss es regeneriert werden. Dies lässt sich daran erkennen, dass die Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers rapide ansteigt. Um dies erkennen zu können, ist ein Leitfähigkeitsmessgerät im Abgang des Ionenaustauschers notwendig. Hinsichtlich des Umweltaspekts und der Betriebskosten ist das gegenüber Vollentsalzern mit nicht wiederverwendbarem Mischbettharz ein großer Vorteil. Jedoch bedeutet das auch, sich mehr mit der ordnungsgemäßen Anwendung und Handhabung des Ionenaustauschers beschäftigen zu müssen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch zu wissen, dass das benutzte Harz praktischerweise über den Hausmüll entsorgt werden kann – zumindest solang man damit ausschließlich herkömmliches Leitungswasser filtert. Sobald man Abwasser mit darin enthaltenen Schwermetallionen filtern möchte, muss das Mischbettharz in den Sondermüll entsorgt werden.
Kurze Fragen, kurze Antworten zum Thema "Ionenaustauscher"
Was ist ein Ionenaustauscher?
Ein Ionenaustauscher ist ein Produkt, das mithilfe des verfahrenstechnischen Prinzips des „Ionenaustauschs“ Wasser und andere Flüssigkeiten aufbereitet. Der Ionenaustauscher entfernt dabei Mineralien (d. h. Salze bzw. Ionen) aus der Flüssigkeit, und ersetzt sie mit einem anderen Ionen derselben Ladung (d. h. positive oder negative Ladung).
Wie funktioniert ein Ionenaustauscher?
Ein Ionenaustauscher macht sich das verfahrenstechnische Prinzip des „Ionenaustauschs“ zunutze. Dabei wird ein Ion aus der aufzubereitenden Flüssigkeit vom Ionenaustauscher aufgenommen und gegen ein anderes Ion derselben Ladung ausgetauscht, das sich zuvor auf dem Ionenaustauscher befunden hat. Es findet somit keine Stoffzerstörung des Schadstoffs in der Flüssigkeit statt, sondern lediglich ein stofflicher Austausch in Bezug auf den Ionentyp.
Wo werden Ionenaustauscher eingesetzt?
Die beiden häufigsten Anwendungsfälle von Ionenaustauschern sind die Enthärtung und Vollentsalzung von Wasser. Bei der Enthärtung (umgangssprachlich Entkalkung genannt) werden die Härtebildner Calcium und Magnesium gegen Natrium ausgetauscht, wodurch sich kein Kalk mehr bilden kann. Bei der Vollentsalzung werden dem Wasser hingegen sämtliche Ionen entzogen – es entsteht vollentsalztes Wasser (VE-Wasser genannt), das hauptsächlich in Laboren, Heizungen und in der Industrie eingesetzt wird.
Warum Ionenaustauscher regenerieren?
Ionenaustauscher können nur eine begrenzte Anzahl an Ionen aufnehmen bzw. austauschen. Sobald die Aufnahmekapazität erreicht ist, muss der Ionenaustauscher regeneriert werden. Welche Regenerationslösung hierfür die richtige ist, hängt vom Anwendungsfall ab. Wird ein Ionenaustauscher zur Wasserenthärtung eingesetzt, kommt eine Kochsalzlösung zum Einsatz . Bei der Vollentsalzung wird der Ionenaustauscher mit verdünnten Säuren bzw. Laugen regeneriert.
Was sind Ionenaustauschharze?
Ionenaustauscherharze sind synthetisch hergestellte Kunststoffkügelchen, die auf ihrer Oberfläche chemische funktionelle Gruppen beinhalten, wodurch der Ionenaustausch erst möglich wird. Ionenaustauscherharze werden als Granulat in Behältern, Säulen und Kartuschen eingesetzt, um Wasser und andere flüssige Medien aufzubereiten und störende Mineralien bzw. Ionen zu entfernen.
Wie funktioniert der Ionenaustauscher in der Spülmaschine?
Ionenaustauscher in der Spülmaschine enthärten das Wasser, sodass es nicht zu unerwünschten Flecken auf dem Geschirr kommt. Der Ionenaustauscher entzieht dem Spülmaschinenwasser die für den Kalk verantwortlichen Mineralien Calcium und Magnesium, und ersetzt diese gegen unkritisches Natrium. Für die Regeneration des Ionenaustauschers in der Spülmaschine wird „Spezialsalz für Spülmaschinen“ verwendet, das aus herkömmlichem Kochsalz in einer minderwertigen Qualität besteht. Dabei wird lediglich der Anteil an enthaltenem Natrium für die Regeneration benötigt, um den aufgenommenen Kalk vom Ionenaustauscher „herunterzuwaschen“ – und ihn dadurch erneut einsatzfähig zu machen. Bei der Regeneration verbraucht sich das Spezialsalz, weshalb es von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden muss.
Fazit: Das Thema Ionentauscher ist komplex & vielfältig
Ionenaustauscher spielen eine zentrale Rolle in der modernen Wasseraufbereitung. Sie ermöglichen die gezielte Entfernung von Anionen und Kationen, wodurch die Wasserqualität erheblich verbessert wird. Egal, ob es um die Enthärtung von Haushaltswasser oder die Herstellung von hochreinem Wasser für industrielle Anwendungen geht – Ionenaustauscher bieten zuverlässige Lösungen. Dieser Artikel hat die Vielseitigkeit und Effektivität der Ionenaustauschertechnologie beleuchtet. Nutzen Sie diese Informationen, um die beste Wahl für Ihre Wasseraufbereitungsanforderungen zu treffen und von den Vorteilen dieser fortschrittlichen Technologie zu profitieren. Wenn Sie Hilfe in der industriellen Anwendung von Ionenaustauscher benötigen, stehen wir Ihnen als erfahrender Anbieter für Wasseraufbereitungsanlagen gerne zur Seite.
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