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Anionenaustauscher kompakt erklärt
In der Natur trifft man niemals Wasser in reiner Form an, stattdessen ist es je nach Quelle, Region und Jahreszeit mit Salzen und organischen Substanzen versetzt. Bevor es für industrielle bzw. privathäusliche Zwecke genutzt werden kann, muss Rohwasser zunächst aufwendig aufbereitet werden. Soll das aufzubereitende Wasser entsalzt werden, kommt beispielsweise das Verfahren des Ionenaustauschs in Frage. Dafür braucht es Kationen- und Anionenaustauscher. Um letztere soll es in diesem Beitrag gehen. Erfahren Sie, was ein Anionenaustauscher ist, warum man im selben Kontext von Anionenaustauscherharzen spricht und ob bzw. wie sich Anionenaustauscher regenerieren lassen.
Inhaltsverzeichnis
Kationen- und Anionenaustauscher oder auch: Yin und Yang
Um eine ganzheitliche Perspektive auf das Thema zu bekommen, lohnt sich ein Prolog zum Überbegriff Ionenaustauscher. Wie Sie sich womöglich schon denken können, sind Kationen- und Anionenaustauscher spezielle Ionenaustauscher, wobei Kationenaustauscher positiv geladene Ionen (Kationen, z. B. Magnesium oder Calcium) gegen Wasserstoff- (H+) oder Natrium-Ionen (Na+) tauschen. Anionenaustauscher dagegen ersetzen negativ geladene Anionen (dazu gleich mehr). Innerhalb der kommunalen und gewerblichen Wasseraufbereitung kommt sowohl die Kationen- als auch die Anionen-Variante. von Ionenaustauschern zum Einsatz, damit Wasser vollständig entsalzt werden kann. In gewisser Weise kann man sie mit dem Prinzip von Yin und Yang vergleichen – zwei entgegengesetzte, sich aber dennoch ergänzende Prinzipien.
Hinweis: Erfahren Sie hier mehr über den Aufbau und die Funktionsweise von Kationenaustauschern.
Was ist ein Anionenaustauscher?
Die Begriffe Anionenaustauscher bzw. Anionenaustauscherharze werden in der Fachliteratur synonym verwendet. Das liegt daran, dass das Harz im Tank des Anionenaustauschers das zentrale Element ist, um den Ionenaustausch in einer wässrigen Phase zu ermöglichen. Konkret heißt das: Wasser strömt von oben in den Drucktank des Ionenaustauschers, bei Kontakt mit dem nicht löslichen, aber quellbaren Anionenharz lädt es sich mit den unerwünschten Anionen des zu behandelnden Wassers auf und gibt im Gegenzug Hydroxid-Ionen (OH-) ab. Zu den Anionen gehören zum Beispiel Nitrat, Sulfat, Chlorid und Hydrogencarbonat.
- Schwachbasischer Anionenaustauscher (zur Rohwasserfiltration)
- Starkbasischer Anionenaustauscher (z. B. zur Cyanid-Entfernung)
Anionenaustauscher: Stark oder schwach? Hauptsache basisch!
Man unterscheidet in zwei Typen: Schwach- und starkbasische Anionenaustauscher. Starkbasische Anionenaustauscher bestehen aus vernetzten Polystyrol- oder Polyacrylatharzen mit austauschaktiven, quartären Ammoniumgruppen und verhalten sich wie starke Basen, indem sie mit Anionen schwacher Säuren reagieren. Zudem unterteilen sie sich abermals in zwei Typen: Typ l -Harze (sehr starkbasisch) und Typ ll -Harze (starkbasisch). In diesem Zusammenhang werden beispielsweise Typ l -Harze den Typ ll -Harzen vorgezogen, wenn Anionen wie freies Cyanid (CN-) oder Hydrogencarbonat (HCO3) entfernt werden müssen. In der Praxis werden den starkbasischen Anionenaustauschern oft schwachbasische vorgeschaltet, damit der Regeneriermechanismus effektiver wird, was zu geringeren Betriebskosten führt.
Schwachbasische Anionenaustauscher sind in der Regel Harze auf Polystyrolbasis mit tertiären Ammoniumgruppen, sie sind oxidationsanfälligen starkbasischen Harzen meist vorgeschaltet (z. B. in der Abwasserbehandlung). Im Fachjargon nennt man solche Austauscher auch „schwache Basen“, die sehr gut Anionen starker Säuren absorbieren und wegen ihrer relativ großen Kapazität (100 % größer als die von starkbasischen Harzen) sowie ihrer Oxidationsbeständigkeit bevorzugt zur Kreislaufführung von Industrieabwasser eingesetzt werden. In Fachkreisen werden schwachsaure Anionenaustauscher außerdem für ihre hohe Regeneriereffektivität geschätzt, im Gegensatz zu anderen Austauschertypen geben sie die absorbierten Anionen bereits bei geringem Überschuss an Regenerierlauge wieder ab.
Was sind makroporöse Anionenaustauscher?
Oft liest man von makroporösen oder gelförmigen Ionenaustauschern. Im selben Kontext ist auch von mono- bzw. heterodispersen Harzen die Rede. Darum geht es dabei: Heutzutage bevorzugt man für Ionenaustauscher makroporöse Harze, da diese im Vergleich zu gelförmigen eine größere innere Porenoberfläche besitzen, was sie weniger anfällig für Verblockung (Fouling) und somit toleranter gegenüber höheren Organik-Zulaufkonzentrationen macht. Mono- bzw. heterodispers bezieht sich auf die Bauweise der Harze, besser gesagt auf die sogenannten Korngrößenverteilungen. Harze mit einem nur sehr geringen Kornspektrum nennt man monodispers, solche mit einem relativ breiten Kornspektrum von 0,3 bis 1,3 mm werden als heterodisperse Harze bezeichnet.
Wo werden Anionenaustauscher eingesetzt?
Sowohl starkbasische als auch schwachbasische Anionenaustauscher werden zur kontinuierlichen Aufbereitung von Spül- bzw. Kreislaufwasser sowie zur Rückgewinnung von Edelmetallen genutzt. Letztere kommen außerdem zur Rückgewinnung von Elektrolyten in der Galvanotechnik wie z. B. für Chromsäure in Frage.
Man kann festhalten, dass Anionenaustauscher in der Wasseraufbereitung bei folgenden Verfahren zum Einsatz kommen:
- Rohwasserfiltration: Die in Rohwasser enthaltenen Partikel und Kationen werden zunächst mittels Kiesfilter und Kationenaustauscher entfernt, bevor das gefilterte Wasser (Filtrat genannt) anschließend mit Hilfe eines schwachbasischen Anionenaustauschers von störenden Anionen befreit wird.
- Vollentsalzung bzw. Reinstwasseraufbereitung: Um Wasser vollständig zu entsalzen, kommen im zweiten Schritt der Entsalzung Anionenaustauscher zum Einsatz. Soll Betriebswasser besonders rein sein (= sehr geringe Leitfähigkeit), führt die Kombination aus starksaurem Kationenaustauscher und starkbasischem Anionenaustauscher zur gewünschten Reinstwasserqualität (Mischbettaustauscher).
- Selektivaustausch: Selektiv arbeitende Anionenaustauscher werden beispielsweise dort benötigt, wo Leitungswasser von Nitrat befreit werden muss. Durch das Anionenharz werden Nitrat-Ionen gegen Chlorid- oder Hydrogencarbonat-Ionen ersetzt.
- Edelmetallrückgewinnung: Auch hier werden spezielle Anionenaustauscher eingesetzt, um komplexiert vorliegende Edelmetall-Ionen aufzunehmen und aufzukonzentrieren.
Lassen sich Anionenaustauscher regenerieren?
Genau wie Kationenaustauscher lassen sich Anionenaustauscher regenerieren, sobald sie vollständig mit Anionen beladen sind. Das funktioniert so: Die aus dem Wasser entfernten Anionen werden mit Hilfe eines großen Überschusses an Lauge (z. B. Natronlauge) verdrängt. Das dabei entstandene Regenerat ist stark alkalisch (= mit den gelösten Anionen sowie mit der überschüssigen Lauge belastet) und muss behandelt werden. Die Ionenaustauscher werden anschließend gespült, um etwaige Chemikalienreste zu entfernen. Dies, etwa bei Nitratfiltern auf Ionenaustauscher-Basis, funktioniert bei sehr großen, industriellen Anlagen vollautomatisch.
Sie wollen noch mehr Informationen und nützliche Tipps zur Regeneration von Ionenaustauschern? Dann empfehlen wir Ihnen unseren Ratgeber „So funktioniert eine Ionenaustauscher-Regeneration“.
Was gibt es bei Anionenaustauschern sonst noch zu beachten?
Wenn es um Vollentsalzung geht, also der vollständigen Entfernung von unterwünschten Ionen aus dem Wasser, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten der Wasseraufbereitung mittels Ionenaustauschs. Entweder kommen Kationen- und Anionenaustauscher getrennt und somit nacheinander geschaltet zum Einsatz – oder in Form eines Mischbettaustauschers (oft auch Vollentsalzer genannt). Das Besondere an Vollentsalzern ist, dass sie beide Formen an Ionenaustauschern in sich vereinen, sodass Wasser in nur einem Arbeitsschritt vollständig entsalzt wird. Diese Verfahrensweise ist vor allem dann wichtig, wenn es um die Herstellung von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) oder Reinstwasser geht.
Das wiederum verlangt erweitertes Fachwissen in Bezug auf daran angrenzende Themen wie Materialbeständigkeit und Korrosion. Denn sehr reines bzw. entsalztes Wasser ohne wasserfremde Ionen, ist ein saures Endprodukt mit geringer Leitfähigkeit bzw. einem geringem pH-Wert und kann zu Korrosion in alten Rohrleitungen oder auch Haushaltsgeräten führen.
Die beschriebenen Inhalte zum Ionenaustausch und zu Anionenaustauschern sind der Verständlichkeit halber vereinfacht dargestellt, wodurch der Eindruck entstehen könnte, dass die Handhabung für jedermann uneingeschränkt zu empfehlen ist. Jedoch darf man nicht vergessen, dass das Verfahren des Ionenaustauschs komplex ist und Austauscherpatronen stets durch einen Fachmann installiert, regelmäßig gewartet und ordnungsgemäß regeneriert werden sollten.
Bei Fragen zur Anwendung, Funktionsweise oder Regeneration eines Anionenaustauschers können Sie uns gern eine Nachricht über das Kontaktformular oder per E-Mail senden.
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