Ionenaustauschverfahren

Die wichtigsten Verfahren zur äußeren Wasseraufbereitung sind Ionenaustauschverfahren. Vorwiegend kommen dabei synthetische, organische Ionenaustauscher mit einer Matrix aus Polystyrol oder Polyacrylat und funktionellen Säure- oder Basegruppen zur Anwendung. Die funktionellen Gruppen sind Sulfonsäure -SO3H Carboxyl-COOH, quartäres Ammoniumhydroxid - NR3OH oder tertiäres Amin - NR2. An diesen Gruppen finden die grundlegenden Ionenaustauschreaktionen statt, die im Folgenden beispielhaft dargestellt werden:

a)       "Enthärtung" durch Natriumionenaustausch mit einem stark sauren Ionenaustauscher in der Na-Form

Matrix - (SO3Na)2 + Ca 2+ = Matrix - (SO3)2 Ca + 2Na+

Bei diesem Vorgang werden sämtliche im Wasser enthaltenen Kationen gegen Natriumionen ausgetauscht, Anionen hingegen nehmen am Austauschvorgang nicht teil. Der Gesamtsalzgehalt und der pH-Wert bleiben daher praktisch unverändert. Nach Erschöpfung der Austauschkapazität des Harzes muss eine Regeneration erfolgen, wobei die Austauschreaktion durch Spülung mit einer Kochsalzlösung umgekehrt wird.

b)       Kationenaustausch mit einem stark sauren Ionenaustauscher in der H-Form

Matrix - SO3H + Na+ + H2O = Matrix - SO3Na + H3O+

Hierbei werden sämtliche im Wasser enthaltenen Kationen gegen Hydroniumionen H3O+ ausgetauscht. Das Hydrogencarbonat reagiert mit einem Teil der gebildeten Hydroniumionen zu Wasser und Kohlendioxid bzw. zu Kohlensäure. Die Konzentration der anderen Anionen bleibt unverändert. Aus Chloriden, Sulfaten, Nitraten etc. werden folglich Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure etc. Die Regeneration erfolgt mit starken Mineralsäuren, wie Salzsäure oder Schwefelsäure.

c)       "Entcarbonisierung" durch Kationenaustausch mit einem schwach sauren Ionenaustauscher in der H-Form

Matrix (-COOH)2 + Ca2+ + 2HCO3- = Matrix (-COO)2 Ca+CO2+H2O

Der Austauschvorgang läuft prinzipiell ab wie unter Punkt b beschrieben, jedoch können schwach saure Ionenaustauscher keine starken Säuren freisetzen. Der Kationenaustausch läuft daher nur in Gegenwart von Basen ab. Das Hydrogencarbonation HCO3- ist eine Base, aus der die (schwache) Kohlensäure entsteht. Der Austauschvorgang mit Kationen in natürlichem Wasser läuft daher nur im Äquivalent zu der vorhandenen Hydrogencarbonatkonzentration ab. Gleichzeitig wird eine "Entcarbonisierung" erreicht. Die Regeneration erfolgt mit Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure), ist aber prinzipiell auch mit schwachen Säuren (z.B. Kohlensäure) möglich. Der erforderliche Regeneriermittelüberschuss ist erheblich geringer als bei stark sauren Ionenaustauschern.

d)       Anionenaustausch mit einem stark basischen Ionenaustauscher in der OH-Form

Matrix - NR3OH + Cl- = Matrix - NR3Cl + OH-

Bei diesem Vorgang werden sämtliche im Wasser enthaltenen Anionen gegen Hydroxidionen OH- ausgetauscht, Kationen hingegen nehmen am Austauschvorgang nicht teil. Aus den Natrium-, Kalium-, Calciumsalzen etc. werden folglich die entsprechenden Laugen. Werden Säuren diesem Austauschvorgang unterzogen, entsteht entmineralisiertes Wasser. Die Regeneration erfolgt mit starken Basen, wie Natronlauge.

e)       Anionenaustausch mit einem schwach basischen Ionenaustauscher

Matrix - NR2 + H3O+ + Cl- = Matrix - NR2HCl + H2O

Ein schwach basischer Ionenaustauscher kann keine starken Basen freisetzen, folglich läuft ein zu Punkt d analoger Ionenaustausch nur in Gegenwart von Säuren ab, so dass entstehende OH--Ionen neutralisiert werden. Die Anionen schwacher Säuren (die selbst basisch wirken, z.B. Hydrogencarbonat HCO3-, Silikat SiO32-) werden nicht ausgetauscht. Die Regeneration erfolgt üblicherweise mit starken Basen, prinzipiell ist jedoch auch die Regeneration mit schwachen Basen, (z.B. Hydrogencarbonat HCO3-) möglich. Der erforderliche Regeneriermittelüberschuss ist erheblich geringer als bei stark basischen Ionenaustauschern.

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