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Kationenaustauscher kompakt erklärt
Dass natürliches Wasser aufgrund der darin enthaltenen Salze und organischen Verunreinigungen zunächst aufbereitet werden muss, bevor man es als Trink- bzw. Leitungswasser deklarieren darf, ist Ihnen wahrscheinlich bekannt. Eine bewährte Methode, um Wasser von Salzen zu befreien, ist das Verfahren des Ionenaustauschs. Dabei kommen je nach Anwendungsfall Ionenaustauscher zum Einsatz, die Kationen bzw. Anionen durch Ionen gleicher Ladung austauschen. Möchte man Leitungswasser entkalken oder teilentsalzen, kommen sogenannte Kationenaustauscher zum Einsatz. Erfahren Sie, was ein Kationenaustauscherharz ist, welche Funktion es hat und ob bzw. wie sich Kationenaustauscher regenerieren lassen.
Inhaltsverzeichnis
Ionenaustauscher – was war das gleich nochmal?
Bevor wir uns konkret mit Kationenaustauschern befassen, vorweg ein paar grundsätzliche Gedanken zu Ionenaustauschern. Ionenaustauscher bestehen aus in Wasser nichtlöslichen, aber quellbaren Austauscherharzen mit sogenannten „substituierten ionenaktiven Gruppen“. Diese fest verbundenen Ankergruppen (Fest-Ionen) befinden sich auf der gesamten Oberfläche des Harzkorns und sind mit frei beweglichen Gegen-Ionen beladen. Letztere werden beim Ionenaustausch mit den unerwünschten Ionen aus der wässrigen Lösung ausgetauscht. Wichtig hierbei: Der Ionenaustausch kann stets nur zwischen Ionen gleicher Ladung erfolgen. Daher kommen je nach Anwendungszweck Kationen- und/oder Anionenaustauscher zum Einsatz.
Ionenaustauscher und Ionenaustauscherharz werden in Fachtexten oft synonym verwendet. Das hat damit zu tun, dass das Harz in den Ionenaustauscher-Säulen das zentrale Element ist, um den Ionenaustausch in einer wässrigen Phase zu ermöglichen. Wie viel Wasser mit dem Harz aufbereitet werden kann, hängt maßgeblich von der Ionenkonzentration und damit von der Wasserqualität ab. Außerdem gilt: Die Kapazität des verwendeten Harzes nimmt während der Benutzung mit der Zeit ab, da das Harz zunehmend mit den unerwünschten Ionen beladen wird. Dann muss es entweder regeneriert oder (im Fall von Einwegharzen, z. B. bei Mischbettfiltern), im Haus- bzw. Sondermüll entsorgt und gegen ein neues Harz ersetzt werden. Abhängig vom Einsatzzweck kommen folgende Ionenaustauscher-Arten zum Einsatz:
- Kationenaustauscher (z. B. zur Wasserenthärtung)
- Anionenaustauscher (unerlässlich bei der Teil- und Vollentsalzung)
- Selektivaustauscher (zur Entfernung von Schwermetallspuren)
Was ist ein Kationenaustauscher?
Bei Kationenaustauschern wird Kationenharz verwendet, um die im Wasser enthaltenen positiven Ionen (Kationen) durch den Wasserbestandteil H+ oder Natrium-Ionen zu ersetzen. Zu den Kationen gehören Calcium, Magnesium, Natrium, Kalium, Ammonium, Eisen, Mangan, Nickel, Kupfer, Zink und Blei. In diesem Zusammenhang spricht man bei herkömmlichem Leitungs- oder Betriebswasser oft von Wasserenthärtung. Die sogenannten Härtebildner (Calcium und Magnesium) werden durch Natrium-Ionen ersetzt, wodurch hartes Wasser weich wird. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen unseren Ratgeber zur Wasserhärte . Aber gehen wir noch einmal einen Schritt zurück in die Theorie und schauen uns die verschiedenen Unterkategorien an Kationenaustauschern an.
Kationenaustauscher: Stark oder schwach? Hauptsache sauer!
In der (Polymer-)Matrix eines Kationenaustauschers befindet sich stets ein fixiertes Säureanion als funktionelle Gruppe. Diese funktionelle Gruppe macht das chemische Phänomen des Ionenaustauschs erst möglich. Um die „ionische Neutralität“ zu gewährleisten, sind Kationenaustauscher zusätzlich mit positiv geladenen Gegen-Ionen in Form von H+-Ionen oder Na+-Ionen beladen. Kurzum: Beim Ionenaustausch bleibt das Ionenverhältnis zu jeder Zeit ausgeglichen.
Man unterscheidet in zwei Arten: Stark- bzw. schwachsaure Kationenaustauscher. Starksaure Kationenaustauscher besitzen ein fest am Harz gebundenes Sulfonsäureanion (-SO₃⁻) und können nur in wässrigen Lösungen mit einem pH-Wert >1 beladen werden – was bei der Entsalzung kein Problem darstellt. Die hierfür verwendeten Harze sind meist auf Polystyrolbasis und entweder makroporös oder gelförmig.
Erstere sind durch ihre poröse Struktur widerstandsfähiger und werden daher oft in anspruchsvollen industriellen Anwendungen eingesetzt. Starksaure Kationenaustauscherharze sind im pH-Bereich von 0 bis 14 einsetzbar und bis 120 °C beständig. Weiterhin weisen sie eine gute „Kornstabilität“ auf, wodurch sie gegen Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid beständig sind. Diese Eigenschaften machen sie nicht nur sehr robust, sondern auch zum Mittel der Wahl, wenn Wasser enthärtet werden muss (z. B. in der Abwasser- und Recyclingtechnik).
Schwachsaure Kationenaustauscher bestehen aus einem mit Divinylbenzol vernetzten Polyacrylat-Gerüst und werden in der Praxis meist als makroporöse Harze verwendet. Auch schwachsaure Kationenaustauscher weisen eine gute Oxidationsbeständigkeit sowie Kornstabilität auf und sind bis ca. ca. 100 °C temperaturbeständig.
Vulkanasche zur Entsalzung?
Heutzutage setzt man wegen ihrer hohen chemischen Resistenz fast ausschließlich auf Kunstharze auf Basis von Polystyrol- oder Acrylharz. Früher wurden dagegen oft anorganische Substanzen wie Tonminerale oder Silikatsalze verwendet – und sogar Vulkanasche wurde als Austauschmaterial benutzt.
Kationenaustauscher-Einmaleins: monodispers, makroporös …
Bis in die 1970er-Jahre wurden meist gelförmige Kationenaustauscher verwendet, deren Matrix man sich folgendermaßen vorstellen muss: Mikroskopisch kleine Kügelchen formieren sich in unregelmäßigen Abständen zu einem Gerüst. Während des Ionenaustauschs „drängen sich“ die Kationen aus der Lösung durch die Mikroporen. Der Nachteil von gelförmigen Kationenaustauschern besteht darin, dass die Mikroporen durch organische Stoffe verblocken können (Fouling-Effekt). Deshalb kommen in der Praxis heutzutage meist makroporöse Kationenaustauscher zum Einsatz. Durch die größere Porenoberfläche sind sie weniger anfällig für Fouling und somit toleranter gegenüber höheren Organik-Zulaufkonzentrationen als gelförmige Matrixen.
Darüber hinaus werden Ionenaustauschharze anhand der verschiedenen Korngrößenverteilungen unterteilt: Harze mit einem relativ breiten Kornspektrum von 0,3 bis 1,3 mm nennt man heterodispers, solche mit einer fest definierten Korngrößenverteilung (mit nur sehr geringer Abweichung) werden als monodisperse Harze bezeichnet.
Wo werden Kationenaustauscher eingesetzt?
Wenn beispielsweise die örtliche Wasserhärte sehr hoch ist, kann ein stark saurer Kationenaustauscher in der Natriumform an der Wasserleitung angeschlossen und zur Enthärtung von Wasser genutzt werden. Auch in Spülmaschinen werden sie in der Regel verbaut, da eine niedrige Wasserhärte die Reinigungsleistung verbessert. Das harte Wasser läuft hierbei zunächst in eine Vorrichtung mit den in der Na-Form vorliegenden Austauscher-Ionen (der Kationenaustauscher). Erst dann wird das enthärtete Leitungswasser in die Spülkammer eingeleitet. In der H+-Beladungsform werden sie außerdem zur kontinuierlichen Aufbereitung von Spül- bzw. Kreislaufwasser sowie zur Reinigung saurer Prozesslösungen eingesetzt.
Schwach saure Kationenaustauscher werden oft in der Aquaristik zur Kalibrierung des Salzgehalts von Aquarienwasser und zur Rückgewinnung von Buntmetallen genutzt.
Es lässt sich festhalten, dass Kationenaustauscher in der Wasseraufbereitung bei folgenden Verfahren eingesetzt werden:
- Enthärtung: Kationenaustauscher spielen bei der Wasserenthärtung eine bedeutende Rolle. Durch die im Leitungswasser enthaltene Karbonathärte (umgangssprachlich sagt man „Kalk“) kann es in Rohrleitungen und Haushaltsgeräten zu Kesselstein bzw. Kalkablagerungen kommen. Selbst sehr kleine Kalkschichten führen langfristig zu einem höherem Energieverbrauch und somit zu höheren Kosten. Um das zu verhindern, wird das aufzubereitende Wasser innerhalb der Wasseraufbereitung durch Entkalkungsanlagen von den kalkverursachenden Härtebildnern Magnesium und Calcium befreit.
- Vollentsalzung: Wenn Wasser vollständig entsalzt werden soll, werden Kationenaustauscher als erste Filtersäule vor einem nachgeschalteten Anionenaustauscher eingesetzt, um dabei störende Kationen wie Magnesium oder Kalium gegen Wasserstoff(H⁺)-Ionen auszutauschen.
- Selektivaustausch: Selektivaustauscher sind anderen Ionenaustauschern meist nachgeschaltet, da sie, wie es der Name bereits sagt, sehr gut bestimmte Substanzen (Ionen) selektiert aufnehmen können. In der Praxis sind das zum Beispiel Schwermetallspuren wie Kupfer und Zink. Solche selektiv arbeitenden Kationenaustauscher kommen innerhalb einer betriebsinternen Abwasserbehandlung zum Einsatz, um sicherzustellen, dass die Grenzwerte für Schwermetalle nicht überschritten werden.
Lassen sich Kationenaustauscher regenerieren?
Ja, das ist eine der großen Vorteile von Kationenaustauschern. Im Gegensatz zu den meisten Mischbettaustauschern (Vollentsalzung) können Kationenaustauscherharze vollständig regeneriert und somit wiederverwendet werden. Das Prinzip dahinter lässt sich so erklären: Das Harz in der Kationenaustauscher-Säule belädt sich bei jedem Produktionszyklus mit Kationen, bis alle freien Ankerplätze innerhalb seiner Ionen-Matrix belegt sind. Sobald das der Fall ist – und der Kationenaustauscher vorher mit H+-Ionen beladen war –, steigt die Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers rapide – die Reinigungsfähigkeit des Kationenionenaustauschers ist nun quasi gleich null. Nun muss das Harz regeneriert werden . In der Regel werden die Austauscher entweder mit Kochsalz (Enthärtung) oder mit Salz- bzw. Schwefelsäure regeneriert (Vollentsalzung). Die Regeneration funktioniert in den Enthärtungsanlagen vollautomatisch und ist entweder zeit- oder mengengesteuert.
Was gibt es bei Kationenaustauschern sonst noch zu beachten?
Kationenaustauscher entfernen keine organischen Stoffe, sondern lediglich positiv geladene Ionen. Daher werden sie innerhalb der Wasseraufbereitung mit anderen Verfahren wie der mechanischen Filtration oder Adsorption bzw. bei der Vollentsalzung mit Anionenaustauschern kombiniert.
Die hier skizzierten Inhalte zum Ionenaustausch und zu Kationenaustauschern im Speziellen sind teilweise stark vereinfacht beschrieben, wodurch der Eindruck entstehen könnte, dass die Anwendung ohne Einschränkungen zu empfehlen ist. Hierbei darf man allerdings nicht vergessen, dass das Verfahren des Ionenaustauschs komplex ist und die Austauscherpatronen stets durch einen Fachmann ordnungsgemäß installiert und regelmäßig gewartet sowie regeneriert werden sollten.
Bei Fragen zur Handhabung, Funktionsweise oder Regeneration eines Kationenaustauschers können Sie uns gern eine Nachricht über das Kontaktformular oder per E-Mail senden. Wir helfen Ihnen in einem persönlichen Gespräch, den für Ihren Einsatzzweck optimal passenden Kationenaustauscher zu finden.
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