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Ionenaustauscher-Regeneration – so funktioniert's
Vielleicht haben Sie sich bereits mit Ionenaustauschern beschäftigt, interessieren sich für deren Funktionsweise, oder bereiten selbst Wasser mit Ionenaustauscher auf? So oder so stoßen Sie irgendwann auf das Thema Ionenaustauscher-Regeneration. Denn: Wasseraufbereitung mittels Ionenaustauscher ist nur dann effektiv, wenn das Austauscherharz fachgerecht regeneriert wird.
Inhaltsverzeichnis
Warum sollte man Ionenaustauscher regenerieren (lassen)?
Ionenaustauscher nehmen innerhalb der Wasseraufbereitung bzw. Abwasserbehandlung positiv geladene bzw. negativ geladene Ionen aus dem Rohwasser auf und tauschen diese gegen Ionen gleicher Ladung aus. Durch den Ionenaustausch erreicht man demnach die gewünschte Wasserqualität, jedoch erschöpft sich dabei allmählich das in der Ionenaustauscher-Patrone vorhandene Kunstharz – es muss ersetzt respektive regeneriert werden. Ohne regelmäßige Regeneration der Ionenaustauscher wird die Wasseraufbereitungsanlage schon bald nicht mehr die an sie gestellten Qualitätsanforderungen erfüllen können.
So weit, so selbsterklärend? Mitnichten! Aber der Reihe nach. Schauen wir uns zunächst an, was ein Ionenaustauscher ist, wie er funktioniert und wofür man Ionenaustauscher benötigt.
Ionenaustauscher und ihre Verwendung
Ist die Rede von Ionenaustauschern, meint man eigentlich das Kunstharz – das Ionenaustauscherharz –, das sich in den Austauscher-Patronen befindet. Gleich mehr dazu, was das Harz eigentlich genau ist und weshalb es während der Wasseraufbereitung nach und nach „erschöpft“. Vorerst zurück zu unserem Ionenaustauscher-Einmaleins. Mittels eines hochwertigen Kunstharzes werden nun die unerwünschten Ionen aus der Lösung gegen Ionen gleicher Ladung ausgetauscht. Es gibt Kationen- und Anionenaustauscher – abhängig von der benötigten Wasserqualität tauschen sie die sich im Wasser befindlichen Kationen wie zum Beispiel Calcium und Magnesium bzw. Anionen wie Chlorid und Nitrat gegen die Wasserbestandteile Wasserstoff und Hydrogencarbonat (Entsalzung) aus. Bei der Wasserenthärtung werden die aufgenommenen Kationen durch Natrium-Ionen ersetzt. Und bei Mischbettaustauschern, welche auf Basis des Ionenaustauschs funktionieren, kann Wasser in einem einzigen Prozessschritt vollständig von jeglichen Salzen befreit werden
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass es neben Kationen- und Anionenaustauscher auch Selektivaustauscher gibt. Diese verwendet man beispielsweise als Nitrat- oder Silikatfilter in der Aquaristik oder in der Schlussfiltration bei der Entfernung von Schwermetallen bei Industrieabwasser.
Mögliche Einsatzgebiete von Ionenaustauschern sind:
- die Herstellung von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) z. B. in der Aquaristik
- die Erzeugung von entmineralisiertem Wasser für Labortechnik
- die kontinuierliche Aufbereitung von Spülwasser
- die Medizintechnik, bspw. zur Herstellung von sterilem Reinstwasser
- die gezielte Entfernung spezifischer Ionen z. B. Schwermetalle (Selektivaustauscher)
- die Rückgewinnung von gelösten Edelmetallen aus einem Wasserstrom (Edelmetallfänger)
Ionenaustauscher Regeneration: Was genau wird eigentlich womit regeneriert?
Nun wissen wir, dass mit Ionenaustauscher eigentlich das Ionenaustauscherharz gemeint ist. Das spezielle Filtergranulat ist nicht in Wasser löslich, jedoch quellbar und mit unzähligen Ionen beladen, die schließlich mit denen aus der Lösung bzw. aus dem aufzubereitenden Rohwasser ausgetauscht werden. Oder anders gesagt: Das Filtergranulat bindet die verschiedenen Salze aus dem Wasser an sich und ersetzt sie durch entsprechend gleichsinnig geladene Ionen.
Dabei belädt sich das Kunstharz nach und nach mit Ionen. Sehr wichtig in diesem Zusammenhang: Dessen Kapazität, sprich wie viel Wasser mit dem Harz aufbereitet werden kann, hängt maßgeblich von der Ionenkonzentration im Wasser und damit von der Wasserqualität ab. Enthält das Wasser eine hohe Ionenkonzentration bzw. Leitfähigkeit, müssen mehr Ionen ausgetauscht werden, was eine geringere Standzeit des Austauschers zur Folge hat. Nach mehreren Produktionszyklen ist das Harz schließlich voll beladen – nämlich dann, wenn alle freien Ankerplätze innerhalb der Ionen-Matrix belegt sind. Ab jetzt ist die Reinigungsfähigkeit des lonenaustauschers eingeschränkt, was sich z. B. bei der Vollentsalzung dadurch bemerkbar macht, dass die Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers rapide ansteigt. Das Ionentauscherharz muss regeneriert werden.
Kationen- und Anionenharz können nach einer fachgerechten Regeneration vollständig wiederverwendet werden. Die Regeneration von zum Beispiel Ionenaustauschern in Enthärtungsanlagen funktioniert dabei automatisiert und ist zeit- oder mengengesteuert. Mischbettfilter bzw. Vollentsalzer zu regenerieren und somit erneut zur Wasseraufbereitung zu verwenden, ergibt hingegen aus ökonomischer Sicht selten Sinn: Man müsste das Mischbettharz vor der eigentlichen Regeneration zunächst aufwendig in seine Bestandteile trennen. Mehr dazu weiter unten in dem Punkt „Sonderfall: Mischbettfilter-Regeneration“.
Um Ionenaustauscher fachgerecht zu regenerieren, verwendet man abhängig vom Aufbau der Anlage unterschiedliche Regenerierchemikalien. In der Regel wird Salzsäure zur Regeneration von Kationenaustauschern und Natronlauge zur Regeneration von Anionenaustauschern genutzt.
Neben Salzsäure kommt ebenso Natriumchlorid zum Einsatz, um Kationenaustauscher zu regenerieren. Zur Regeneration von Anionenaustauschern gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten, hierbei kommen Laugen zum Einsatz: Dazu zählen die erwähnte Natronlauge und Kalilauge.
Wie funktioniert die Regeneration von Ionenaustauschern?
Wir wissen bereits, wie Ionenaustauscher funktionieren und weshalb man das Harz nach einer bestimmten Zeit regenerieren muss. Welche Faktoren den Zeitpunkt der Regeneration beeinflussen, wird auch gleich erläutern. Zunächst wollen wir uns einmal anschauen, welche Methoden es gibt, um Ionenaustauscher zu regenerieren und wie diese funktionieren.
Ionenaustauscher werden in Säulen bzw. (Filter-)Kolonnen betrieben, oft in einer Straße, da man aus ökonomischen Gründen Ionenaustauscher nacheinander schaltet (z. B. beim Schwebebett-Verfahren). In der Regel erfolgen der Ionenaustausch und die Regeneration getrennt voneinander, im Fachjargon nennt man dies diskontinuierliches Verfahren. Das heißt: Dem Betriebslauf, sprich ein Produktionszyklus innerhalb der Wasseraufbereitung, folgt die Regeneration der beladenen Ionenaustauscherharze.
Generell unterscheidet man zwischen zwei Regenerationsmethoden:
- Gleichstromregeneration: Hierbei fließen die aufzubereitende Lösung sowie das Regeneriermittel innerhalb der Regeneriersäule in dieselbe Richtung, und zwar in der Betriebsweise des „Abstomverfahrens“ von oben nach unten (wird am häufigsten verwendet).
- Gegenstromregeneration: Das Regeneriermittel fließt entgegengesetzt zum Betriebslauf. Dies wird beim sogenannten Schwebebett-Verfahren, welches auch Aufstromverfahren genannt wird, eingesetzt (Betriebslauf von unten nach oben, Regeneration von oben nach unten).
So weit, so theoretisch. Im Folgenden wollen wir dem Ganzen ein bisschen mehr Kontext geben und die einzelnen Regenerationsstufen bzw. -methoden näher beleuchten.
Ionenaustauscher und Regenerationsstufen
Prinzipiell kann man sich bei Ionenaustauschern den Regenerationsvorgang so vorstellen: Wenn die Filtersäule vollständig mit Fremd-Ionen beladen ist, wird das Harzbett zunächst rückgespült, um Schwebstoffe zu entfernen und das Bett zu lockern (nur beim Abstomverfahren). Der Hauptvorgang ist das Einführen des Regeneriermittels, das die vom Ionenaustauscherharz aufgenommenen und ausgetauschten Fremd-Ionen verdrängt und gegen die Regenerations-Ionen ersetzt (H⁺- oder OH⁻-Ionen). Das entstandene Regenerat ist stark sauer bzw. stark alkalisch und mit den gelösten Ionen belastet. Abschließend wäscht man das Ionenaustauscherbett bei Betriebsgeschwindigkeit so lange, bis sich die gewünschte Wasserqualität eingestellt hat.
Dieses Prinzip wird bei den meisten Ionenaustauschverfahren wie der Enthärtung, Entkarbonisierung oder Nitratentfernung angewandt. Um jedoch Ionenaustauscher zu regenerieren, die Wasser vollständig entsalzen sollen – im Fachjargon spricht man von Mischbettfiltern oder Vollentsalzern –, benötigt man sowohl Säuren als auch Basen. Denn bei der Vollentsalzung müssen Kationen- und Anionenaustauscher separat regeneriert werden.
Aber zurück zu unseren Regenerationsmethoden.
Gleich- vs. Gegenstromverfahren
Die Gleichstromregeneration wurde vor allem zu Beginn der Ionenaustauschtechnologie angewendet. Dabei fließen sowohl die aufzubereitende Lösung als auch das Regeneriermittel von oben nach unten durch die Filterkolonne, deswegen der Name „Gleichstromregeneration“. Im Vergleich dazu fließt das Regeneriermittel bei der Gegenstrommethode in entgegengesetzter Richtung zum Betriebslauf. Um es nicht unnötig kompliziert zu machen, verzichten wir an dieser Stelle auf eine weitere Spezifizierung der in der Praxis angewandten Gegenstromverfahren. Vielmehr interessieren uns die Vor- und Nachteile des Gleich- bzw. Gegenstromverfahrens.
In der Praxis hat sich die Gegenstromregeneration durchgesetzt. Das hat im Wesentlichen zwei Gründe. Wenn wir uns das obige Bild (Abbildung 1) anschauen, fällt auf, dass das Regeneriermittel das erschöpfte Harz nicht durch das gesamte Harzbett verdrängen muss, sondern zunächst die Schichten regeneriert, die am wenigsten beladen sind. Oder anders formuliert: Diejenigen Harzschichten, die beim Betrieb zuletzt durchströmt werden, kommen mit reinem Regeneriermittel in Kontakt.
Schauen wir uns dagegen das Bild aus Abbildung 2 an, sehen wir, dass diese kontaminierten Harzschichten bei der Regeneration der Gleichstromfilter mit einer bereits verunreinigten Regenerierlösung behandelt werden. Kurzum: Das Ionentauscherharz kann nicht vollständig regeneriert werden, wodurch die Wasserqualität negativ beeinflusst wird. In der Wasseraufbereitung spricht man hierbei von einem „Ionenschlupf“ , der bei der Gleichstromregeneration lediglich durch erhöhten Chemikalieneinsatz minimiert werden kann.
Das ist auch gleichzeitig der entscheidende Vorteil der Gegenstromregeneration: Hier ist der Ionenschlupf, also der kontaminierte Ionenrest, viel geringer. Das heißt: Der Verbrauch an Chemikalien ist deutlich geringer, was die Betriebskosten erheblich senkt. Bei Gegenstromverfahren wie dem Schwebebett-Verfahren erfolgt die Beladung und Regeneration in Austauschern abwechselnd, d. h. dass für eine kontinuierliche Aufbereitung zwei Austauscherstraßen nötig sind.
Abschließend noch eine wichtige Regel, wenn man Ionenaustauscher in Serie schaltet: Sobald ein schwacher Austauscher (z. B. schwach basischer Anionenaustauscher) zusammen mit einem starken (z. B. stark basischen Anionenaustauscher) in Serie betrieben wird, muss das Rohwasser stets zuerst durch den schwachen Austauscher und anschließend durch den starken fließen. Umgekehrt verhält es sich mit der Regeneration. Das Regeneriermittel fließt bei jedem Zyklus erst durch den starken, dann durch schwachen Austauscher. Das hat damit zu tun, dass der nachgelagerte starke Austauscher einen Überschuss an reinem Regeneriermittel benötigt, der schwache Austauscher hingegen ist aufgrund seiner hohen Kapazität leicht zu regenerieren und benötigt weitaus weniger Regeneriermittel.
Sonderfall: Mischbettfilter-Regeneration
Ein Vollentsalzer ist ein spezieller Ionenaustauscher, mit dem Sie Wasser in nur einem Schritt von gelösten Ionen verschiedenster Salze befreien können. Man nennt sie auch Mischbettaustauscher oder Mischbett-Vollentsalzer, weil sie zwei Typen von Austauschern (Anionenaustauscher und Kationenaustauscher) in ihrem Austauscherharz vereinen. Für diese kombinierte Art der Wasseraufbereitung verwendet man ein spezielles Filtergranulat, das Mischbettharz.
Würde man Fachexperten, beispielsweise Ingenieure oder Aquarianer, nach der Effektivität von Mischbettfiltern fragen, bekäme man wahrscheinlich die Antwort, dass diese im Kontext der Wasseraufbereitung UND anschließenden Regeneration Fluch und Segen zugleich sind. Warum? Zwar lässt sich VE-Wasser mit Hilfe eines Vollentsalzers kosteneffizient herstellen, jedoch müssen sie bei vollständiger Beladung jedes Mal regeneriert werden – doch im Gegensatz zu Kationen- oder Anionenaustauschern ist das Mischbettharz nur unter großem Aufwand regenerierbar.
Sobald seine Kapazität nachlässt, und damit die gewünschte Wasserqualität nicht mehr eingehalten werden kann, muss es in den meisten Fällen gegen ein neues, hochwertiges Harz ersetzt werden. Wollte man es dennoch regenerieren, müsste man das Filtergranulat, womit das gemischte Anionen- und Kationenharz gemeint ist, erst zeit- und kostenaufwendig voneinander trennen. Wirtschaftlich gesehen lohnt sich die Mischbettfilter-Regeneration erst dann, wenn es sich um aufzubereitende Mengen von mindestens 500 Litern handelt. Der Vollständigkeit halber sei gesagt, dass wir neben Einwegharzen auch regenerierfähiges Mischbettharz für unsere Kunden anbieten. Sollten Sie dazu explizit Fragen haben, können Sie sich selbstverständlich gern bei uns melden. Am besten funktioniert das über unser Kontaktformular.
Übrigens: Neues Mischbettharz können Sie mit Hilfe eines Harztrichters unkompliziert und eigenhändig nachfüllen. Falls Sie den Harzwechsel nicht selbst durchführen möchten, können Sie alternativ unseren Regenerierservice für Ionenaustauscher in Anspruch nehmen. Sie schicken uns Ihren Ionenaustauscher zu, wir senden ihn Ihnen innerhalb weniger Tage funktionsbereit und einsatzfähig zurück.
Wann muss man das Ionentauscherharz regenerieren?
Während des Ionenaustauschs nimmt die Kapazität des Harzes mit der Zeit ab. Das Austauscherharz muss regeneriert werden, sobald es erschöpft ist, also ab dem Zeitpunkt, an dem es keine weiteren Ionen mehr aufnehmen kann. Man erkennt dies daran, dass die elektrische Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers ansteigt. Um dem vorzubeugen und somit eine gleichbleibend hohe Wasserqualität zu gewährleisten, ist ein nachgeschaltetes Leitfähigkeitsmessgerät innerhalb der Wasseraufbereitungsstraße notwendig. Das trifft jedoch nur dann zu, wenn man Ionenaustauscher zur Vollentsalzung einsetzt. Bei Enthärtungsanlagen oder Selektivaustauschern muss man in diesem Zusammenhang Folgendes beachten: Betreibt man eine Enthärtungsanlage, gilt es zunächst mittels eines Volumenstromzählers zu ermitteln, nach wie vielen Litern Wasser das Harz erschöpft sein müsste. Das Praktische daran: Die Regeneration wird anschließend automatisch durchgeführt.
Eine weitere Ausnahme stellt die Regeneration von Selektivionenaustauschern dar. Zwar können diese auch extern regeneriert werden, in der Regel wird die bestehende Abwasseranlage jedoch mit einer stationären Regenerierstation betrieben.
Unser Tipp bei Vollentsalzern: Wir empfehlen Ihnen, beim Kauf eines Ionenaustauschers das für Ihren Zweck passende Leitfähigkeitsmessgerät dazu zu bestellen. Falls Sie beabsichtigen, einen zweiten Ionenaustauscher als Ersatz für einen schnellen Wechsel zu erwerben, benötigen Sie lediglich ein Leitwertmessgerät pro Betriebsstelle.
Noch mehr Wissenswertes zu Ionenaustauschern und deren Regeneration
Ionenaustauscher arbeiten sehr effektiv, wenngleich sie nicht allein solche Leistung erbringen können. Damit ein Ionenaustauscher langfristig und zuverlässig seinen Zweck erfüllt, sollte man Folgendes berücksichtigen:
- Ionenaustauscher entfernen keine organischen Stoffe und Verunreinigungen, dafür benötigt man zusätzliche Verfahren wie die mechanische Filtration, Adsorption oder Destillation. Eine entsprechende Vorreinigung des Rohwassers ist unerlässlich, um Störungen beim Betrieb der Anlage zu verhindern. Beispielsweise gilt es vor dem Ionenaustausch organische Verunreinigungen wie Schwebstoffe, Öle oder halogenierte Kohlenwasserstoffe herauszufiltern.
- Weiterhin lässt sich die Betriebsdauer von zum Beispiel Kationen- und Anionenaustauschern durch eine fachgerechte Anwendung und Handhabung erhöhen. Dadurch, dass das Harz hierbei nach der Regeneration vollständig wiederverwendet werden kann, muss man sich genaustens mit der Funktionsweise der Ionenaustauscher und dem Prozess der Regeneration auskennen.
- Muss das Harz aus bestimmten Gründen ersetzt werden, kann es praktischerweise über den Hausmüll entsorgt werden – aber nur solange man herkömmliches Leitungswasser aufbereitet. Möchte man Abwasser mit darin enthaltenen Schwermetallpartikeln filtern, muss das kontaminierte Mischbettharz über den Sondermüll entsorgt werden.
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Fazit: Erst die Regeneration macht Ionenaustauscher so effektiv!
Mittels Ionenaustauscher kann man Lösungen von Salzen befreien. Jedoch ist das Kunstharz, das die Kationen und Anionen aus der Lösung aufnimmt und gegen Ionen gleicher Ladung austauscht, nach einer bestimmten Anzahl an Betriebsläufen erschöpft – das Ionentauscherharz muss regeneriert werden. Wann dieser Zeitpunkt erreicht ist, hängt maßgeblich von der Kapazität des Ionenaustauschers und der Wasserqualität des aufzubereitenden Wassers ab. Zur Regeneration spült man die Austauscherkolonnen mit Säuren, Laugen oder Salzen. Kationen- und Antionenaustauscherharz ist regenerierfähig, sodass man es für weitere Produktionszyklen wiederverwenden kann. Aus wirtschaftlichen Gründen greift man bei Mischbettfiltern meist zu Einwegharzen, die anschließend über den Hausmüll entsorgt werden. Das ist jedoch nur möglich, wenn das aufbereitete Wasser nicht mit Schwermetallen belastet ist. Welche Regenerationsmethode für den individuellen Anwendungsfall die richtige ist, hängt stets von der Art und dem Aufbau der verwendeten Ionenaustauscher ab.
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