Wie funktioniert ein Ionenaustauscher?

Die Funktion der Ionenaustauscher steckt bereits im Namen: Ionen werden ausgetauscht. 

Ionentauscher sind Materialien, die bei Kontakt zu gelösten Ionen, ihrerseits schwach gebundene Ionen abgeben und im Gegenzug neue Ionen an sich binden. Dabei werden nur Teilchen gleichnamiger Ladung gegeneinander ausgetauscht. Also positiv geladene Kationen gegen Kationen und negativ geladene Anionen gegen Anionen.

Aufgrund des Ionenaustauschs können bestimmte Teilchen gezielt aus einem Stoff entfernt beziehungsweise reduziert und gegen andere Teilchen ersetzt werden. Hierdurch haben Ionentauscher vielseitige Einsatzbereiche.

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Wie funktioniert ein Ionenaustauscher?

Die Funktion der Ionenaustauscher steckt bereits im Namen: Ionen werden ausgetauscht. 

Ionentauscher sind Materialien, die bei Kontakt zu gelösten Ionen, ihrerseits schwach gebundene Ionen abgeben und im Gegenzug neue Ionen an sich binden. Dabei werden nur Teilchen gleichnamiger Ladung gegeneinander ausgetauscht. Also positiv geladene Kationen gegen Kationen und negativ geladene Anionen gegen Anionen.

Aufgrund des Ionenaustauschs können bestimmte Teilchen gezielt aus einem Stoff entfernt beziehungsweise reduziert und gegen andere Teilchen ersetzt werden. Hierdurch haben Ionentauscher vielseitige Einsatzbereiche.

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Genaue Erklärung von Ionen

Eine der wesentlichen Eigenschaften von Wasser ist seine Eigenschaft als universales Lösungsmittel. Damit ein Stoff allerdings in Wasser gelöst werden kann, müssen dort Moleküle vorhanden sein, die eine Wechselwirkung mit den Molekülen des zu lösenden Materials eingehen. Bei diesem Vorgang werden die Ionenbindungen aufgespalten und es entstehen voneinander völlig unabhängige Ionen, und zwar die positiv geladenen Kationen und die negativ geladenen Anionen. Auf dem Weg von der Quelle bis zum Endverbraucher lösen sich im Wasser zahlreiche Mineralien, Salze und Gase. Ihre Gesamtheit ist verantwortlich für den Salzgehalt im Wasser und bestimmt letztendlich die elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Mediums. Die Wasserhärte dagegen hängt vom Gesamtanteil der enthaltenen Calcium- und Magnesiumionen ab. Es gibt nun zahlreiche Anwendungsbereiche, für die die gelösten Stoffe das Wasser ungeeignet machen, etwa für die häusliche Spülmaschine. Hier hilft eine gezielte Aufbereitung mit entsprechenden Ionenaustauschern, damit das Wasser nutzbar wird. Bestimmte Ionenaustauscherharze sorgen dafür, dass alle ionogen gelösten Mineralien und Salze entfernt werden.

Geschichte der Ionenaustauscher

Unbewusst hat der Mensch das Prinzp von Ionenaustauschern schon lange genutzt, bevor die chemischen Hintergründe auch nur ansatzweise erforscht und verstanden waren. Das wahrscheinlich älteste schriftliche Zeugnis für einen Austauschprozess steht in der Bibel im Zweiten Buch Mose. Auf dem Zug von Ägypten ins gelobte Land litt das israelische Volk großen Durst. Als es endlich auf eine Wasserstelle traf, war das Wasser bitter und ungenießbar. Darauf bat Mose Gott um Hilfe, und der zeigte ihm Holz, das Mose ins Wasser werfen sollte. Danach war das Wasser wieder trinkbar.

Dies ist ein Hinweis darauf, dass durch die Zugabe von altem Holz bitteres in trinkbares Wasser überführt werden kann. Und tatsächlich ist Zellulose ein guter Ionenaustauscher für Wasser, das zu viele Magnesium-Ionen enthält.

Zum ersten Mal bewusst als Ionenaustauscher wurden Alumosilikate verwendet. Diese Substanzen sind in der Lage, Erdalkali- und Alkali-Ionen reversibel zu handhaben, also aufzunehmen und wieder abzugeben.
In der Natur kommen sie in bestimmten Ablagerungen von Vulkangestein vor. Anfang des 20. Jahrhunderts gelang die Herstellung der ersten künstlichen Alumosilikate, die unter dem Namen Permutit auf den Markt kamen. Sie wurden für die Enthärtung von Wasser eingesetzt.

Die nächsten technischen Entwicklungen waren schwach saure und schwach basische Ionenaustauscher. Erstere entstanden auf der Grundlage spezieller Kohlen, Letztere aus Phenolharzen. Gemeinsam war allen älteren Typen an Austauschern, dass sie mechanisch gebrochen und als Granulate auf bestimmte Korngrößen gesiebt wurden. Durch Weiterentwicklungen bei den Phenolharzen gelang es später, kugelförmige Polymere auf direktem Wege zu gewinnen. Stark basische Ionenaustauscher ermöglichten es, aus Rohwasser Silikate herauszulösen. Moderne Austauscher entstehen zum größten Teil auf der Basis von modifizierten Polyacrylsäuren und Polystyrolen.

Wo werden Ionenaustauscher eingesetzt?

Ionentauschende Materialien finden sich in zahlreichen Gebieten. So kommt beispielsweise Mischbettharz zur Herstellung von VE-Wasser zum Einsatz, da alle unerwünschten Salze entfernt werden. Das sogenannte vollentsalzte Wasser wird wiederum in der Aquaristik, Technik, Medizin und Wissenschaft verwendet. Entkarbonisierungsharz ist ein Bestandteil von Enthärtungsanlagen.

Das Enthärtungsanlagen Harz verringert den Karbonatgehalt des Wassers, was beispielsweise für die Aufbereitung von Kühlwasser erforderlich ist. Zudem kommen derartige Ionenaustauscher in der Spülmaschine und in anderer Form auch in einigen Waschmitteln zum Einsatz. Silberharz fungiert hingegen nicht nur als Ionenaustauscher für die Wasserenthärtung, bei der Magnesium- und Kalzium-Ionen gegen Natrium-Ionen ersetzt werden. Es hat auch eine keimabtötende Wirkung und kann daher in Filtern als Ionenaustauscher für Trinkwasser eingesetzt werden. 

Die Verwendungsmöglichkeiten richten sich also nach der Art des ionenaustauschenden Materials. Wenn Sie Ionentauscherharz kaufen, sollten Sie demnach genau auf die angedachte Verwendung achten. 

Was sind die Vorteile eines Ionenaustauschers?

Die Vorzüge der Ionentauscher liegen in den niedrigen Kosten, den einfachen und vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten und der vergleichsweise langen Lebensdauer. Zudem sind die Ionentauscher wartungsarm. Dennoch ist es nötig, die Materialien regelmäßig zu regenerieren. 

Warum muss der Ionenaustauscher regeneriert werden?

Beim Ionenaustausch handelt es sich um eine chemische Reaktion, bei der das Material schwachgebundene Ionen abgibt und dafür stärker zu bindende Ionen aufnimmt. Im Falle der Wasserenthärter gibt das Material Natrium ab und bindet Magnesium und Kalzium - also die Bestandteile von Kalk. Mit der Zeit nimmt die Anzahl der vorhandenen Natrium-Ionen hierdurch ab. Somit ist eine wirkungsvolle Enthärtung des Wassers nicht mehr möglich. Dennoch ist es dann nicht nötig, sofort einen neuen Ionenaustauscher zu kaufen. Stattdessen kann dieser regeneriert werden. Hierbei wird durch eine konzentrierte Natriumlösung eine Abgabe der Kalkbestandteile und eine Aufnahme der Natrium-Ionen erreicht. In der Folge ist der gewünschte Ionenaustausch wieder möglich.

Wasserenthärtung mit Ionenaustauschern

Ein grundlegendes Verfahren der Technologie ist die Enthärtung von Wasser mittels Ionenaustauschern. Das hat triftige Gründe, denn Wasserenthärtung war die erste industriell genutzte Methode zur Wasseraufbereitung. Zunächst geschah dies mit natürlichen Materialien, später mit künstlich produzierten Polymeren. Heute verwendet man normalerweise sulfoniertes Polystyrol in Natriumform als stark sauren Kationentauscher.

Das Wasser durchströmt den Kationentauscher, wobei dieser die Härtebildner Calcium und Magnesium aufnimmt und gegen Natriumionen austauscht. Nach diesem Prozess ist das Wasser völlig frei von härtebildenden Salzen und kann als Weichwasser bezeichnet werden. Die Kapazität des Austauschers ist erschöpft, sobald all seine Natriumionen gegen Magnesium- und Calcium-Ionen ausgetauscht wurden. Man kann diesen Vorgang auch vollständig umkehren und dadurch die Enthärtungsanlage wieder in einen betriebsbereiten Zustand versetzen. Dieser Prozess wird als Regeneration bezeichnet.

Selektiver Ionenaustausch

Um bestimmte Ionen zu lösen und aus wässrigen Flüssigkeiten zu entfernen, werden so genannte Selektivaustauscher verwendet. Dabei handelt es sich um speziell hergestellte Ionenaustauscherharze, die für den jeweiligen Einsatzzweck aufbereitet und angepasst werden.

Selektivtauscherharze finden zum Beispiel Anwendung in Galvanikprozessen, sei es, um gelöste Schwermetall-Ionen aus den Abwässern herauszufiltern, oder um diese umgekehrt zurückzugewinnen. Auf diese Weise kann man etwa Nickel-Ionen wieder aus dem Abwasser entnehmen. Im Zuge der Regeneration der Selektivtauscherharze entfernt man die Nickel-Ionen aus dem Substrat und erhält als Resultat eine stark konzentrierte Nickel-Lösung.

Selektivtauscher erlauben vielfältige Einsatzmöglichkeiten, denn sie können sowohl Kationen als auch Anionen selektieren und austauschen. Dabei handelt es sich meist um sehr spezielle Anwendungen, die vor der realen Praxis im Labor ausgiebig getestet und ausgewertet werden.

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