mini|Kunstharz-Ionenaustauscher­kartusche mini|Ionenaustauscher­säule Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Materialien, mit denen gelöste Ionen durch andere Ionen gleicher (positiver oder negativer) Ladung ersetzt werden können; demnach findet ein Ionentausch statt. Ionenaustauscher sind mit einem Ionenaustauschermaterial, dem Ionenaustauscherharz, gefüllt und werden in Säulen bzw. Kartuschen (s. Abb.) oder als Membranen verkauft. Die zu behandelnde Lösung durchströmt den Ionenaustauscher, dabei werden die unerwünschten Ionen am Ionenaustauscherharz gebunden und eine äquivalente Ladungsmenge von vorher gebundenen Ionen in die Lösung abgegeben.

Beispielsweise kann ein Kationen-Austauscher Calcium-Ionen, die im normalen Leitungswasser gelöst sind, austauschen gegen Natrium-Ionen, die an den Ionenaustauscher gebunden sind. Solche Kationenaustauscher sind auch in Geschirrspülern vorhanden. In ihnen wird für Spülvorgänge Wasser aufbereitet, das frei von Calcium-Ionen ist. Ohne Kationenaustauscher kann es schnell zur Bildung von weißen Kalkablagerungen (Kalkflecken) auf dem Geschirr kommen oder sich Kesselstein an Heizelementen und in Rohrleitungen der Maschine ablagern (Verkalkung).

Wenn der Kationenaustauscher erschöpft und somit vollständig mit Calcium-Ionen beladen ist, muss er regeneriert werden: Die gebundenen Calcium-Ionen werden durch eine möglichst hoch konzentrierte Lösung, z. B. Natriumchlorid (Kochsalz), wieder verdrängt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Regeneration eines Ionenaustauschers.

Eine natürliche Bedeutung haben Kationenaustauscher vor allem für die Kationenaustauschkapazität im Boden. Sie sorgen dafür, dass Kationen für die Pflanzen verfügbar bleiben und nicht durch den Regen ausgewaschen werden. Für die Altlastensanierung von Gewässern und Böden können spezielle Kationenaustauscher hergestellt werden, die in der Lage sind, gezielt bestimmte Schwermetallkationen aus Gewässern und Böden zu entfernen.

Geschichte Die Menschen nutzten das Prinzip der Ionenaustauscher, lange bevor die chemischen Hintergründe verstanden wurden.

Im Zweiten Buch Mose findet sich implizit die wohl älteste Erwähnung des Ionenaustauschprozesses: Es wird auf die Überführung von bitterem in trinkbares Wasser durch Einlegen von alten Baumstämmen hingewiesen – verrottete Zellulose ist ein guter Austauscher für Magnesium-Ionen:Ladungen in Oberflächenschichten

Die ersten in der Technik gezielt verwendeten Ionenaustauscher waren Alumosilikate, die reversibel Erdalkali- und Alkaliionen aus einer Lösung aufnehmen bzw. abgeben können. Natürliche Austauscher dieses Typs sind z. B. in bestimmten vulkanischen Ablagerungen enthalten. Die ersten künstlichen Alumosilikate wurden zu Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt und unter dem Namen Permutit für die Enthärtung von Wässern verwendet.

Weitere Entwicklungen waren schwach saure Ionenaustauscher auf Basis spezieller Kohlen bzw. KarbonsäureharzePaul Martini: Über das Wesen und die Behandlung des essentiellen Hochdrucks. In: Münchener Medizinische Wochenschrift. Band 95, Nr. 1, 2. Januar 1953, S. 33–42 (O. Bollinger-Vorlesung, gehalten in München am 11. Dezember 1952), hier: S. 39 (zu Ionenaustauschern, die ihre Wasserstoff-Kationen gegen andere positiv geladene Ionen wie Natrium im Magen-Darm-Inhalt austauschen und so dem Körper Natrium entziehen können). schwach basische Ionenaustauscher auf Basis von Phenolharzen. Alle diese älteren Austauschtypen waren mechanisch gebrochene und nach bestimmten Korngrößen gesiebte Granulate.

Später konnten mit der Entwicklung der Phenolharze kugelförmige Polymere direkt gewonnen werden. Mit stark basischen Ionenaustauschern wurde es möglich, auch Silikate aus dem Rohwasser zu entfernen.

Heutige Austauscher basieren überwiegend auf modifizierten Polystyrolen und Polyacrylsäuren.

Funktionsweise mini|444px|Schema eines Wasserenthärtungsprozesses: Calciumionen im Wasser werden durch Natriumionen ersetzt. Die Calciumionen werden vom Ionenaustauscher gebunden. Das Prinzip des Ionentausches beruht darauf, dass Ionen umso stärker an den Ionenaustauscher gebunden werden, je höher ihre Ladung, und bei gleicher Ladung, je größer ihr Ionenradius ist. Zum Beispiel wird Na+ im Ionentauscher durch Ca2+ verdrängt, aber auch Ca2+ durch Al3+.

Das stärker bindende Ion verdrängt das schwächer bindende Ion von den Bindungsstellen des Ionentauschermaterials. Also muss dafür gesorgt werden, dass das unerwünschte Ion, das aus der Lösung entfernt werden soll, stärker gebunden wird als das Ion, das an den Ionenaustauscher gebunden ist.

Metallion KM/Ca Hg2+ 2800 Cu2+ 2300 Pb2+ 1200 Ni2+ 57 Zn2+ 17 Cd2+ 15 Fe2+ 4,0 Mn2+ 1,2 Ca2+ 1,0 Wie stark der Ionenradius die Selektivität eines Ionenaustauschharzes beeinflusst, zeigt nebenstehende Auflistung für zweiwertige Metallionen. Die Werte gelten für eine Lösung mit dem pH-Wert 4,0, Calcium als Basis und einem schwach sauren Kationenaustauschharz mit Polyacrylgerüst.Rohm und Haas Co.; In: amber-hi-lites. Nr. 162, Fall 1979, S. 2.

Weitere wichtige Einflussfaktoren dafür sind: der pH-Wert der Lösung im Zusammenhang mit der Art und der Anzahl der Bindungsstellen des Ionenaustauschermaterials die jeweilige Stoffmengenkonzentration. Durch Vergrößerung einer Stoffkonzentration können aufgenommene Ionen wieder vom Ionenaustauschmaterial verdrängt werden; letzteres wird bei einer Regeneration durchgeführt.

Nachfolgend werden die Reaktionen am Beispiel von Natriumionen angegeben, die als Kochsalz (NaCl) in einer wässrigen Lösung vorliegen. Für Aufnahme (= Beladung/Betrieb) und Ablösung (= Regeneration) wird ein stark saures Kationenaustauschharz verwendet. Das Regeneriermittel ist Salzsäure (HCl), deren Konzentration normalerweise bei 3–10 % liegt.

: Grundgerüst eines Kationenaustauschers, wie sulfoniertes Polystyrol

Bei Beladung verläuft die Reaktion von links nach rechts.

Wird die Konzentration des H3O+-Ions im rechten Teil der Gleichung gesteigert, so verschiebt sich die Reaktion wieder nach links, und der Austauscher wird in die Säureform zurückgewandelt, er wird regeneriert.

Wenn der Austauscher bei Beladung/Betrieb und Regeneration in der gleichen Richtung von der zu entsalzenden Flüssigkeit und der Regenerierlösung durchströmt wird, spricht man von einem Gleichstromaustauscher, bei einer entgegengesetzten Strömungsrichtung von einem Gegenstromaustauscher.

Im angeführten Beispiel wird bei der Beladung im ablaufenden Wasser eine verdünnte Salzsäure gebildet. Durch einen Gegenioneneffekt kommt es in Abhängigkeit von der Salzkonzentration im Rohwasser und dem Beladungszustand des Ionenaustauschharzes zu einem Natriumschlupf bei der Beladung, d. h. nicht alle gelösten Natriumionen werden im Austauscher gebunden; im ablaufenden Reinwasser nach dem Austauscher ist deshalb noch ein kleiner Natriumgehalt vorhanden. Dieser kann besonders bei einem Gleichstromaustauscher Werte von 1 mg Na+/l und höher erreichen. Bei einem Gegenstromaustauscher liegen sie bei ≤ 0,1 mg Na+/l.

Arten Kationenaustauscher Kationenaustauscher tauschen Kationen (positiv geladene Ionen) eines gelösten Salzes gegen andere Kationen aus, die Bestandteil des Austauschmaterials sind.

Kationenaustausch-Materialien (also die Ionenaustauscherharze) sind selbst Salze, deren Kationen (in Gleichung unten Z+) leicht in Lösung gehen, also mobil (beweglich) sind polymere und wasserunlösliche Anionen (in Gleichung unten Qm−) stationär, also unbeweglich, sind.

Als allgemeine Gleichung für den Prozess des Austausches einwertiger Kationen (Ka+) aus einem gelöst vorliegenden Salz (Ka+ + An−) durch den Ionenaustauscher [(Z+)nQm−] kann man schreiben:

Im Fall eines Kationenaustauschers ist die aktive Gruppe eine anionische Gruppe. Man unterscheidet schwachsaure Kationenaustauscher mit Carboxygruppen und abdissoziierbarem Kation starksaure Kationenaustauscher mit Sulfonsäuregruppen.

Anionenaustauscher Anionenaustauscher tauschen gelöst vorliegende Anionen (negativ geladene Ionen) gegen andere Anionen aus. Hierbei liegen die stationären Kationen des Anionenaustauschers polymer vor, während die Anionen mobil sind.

Starkbasische Anionenaustauscher enthalten Sorten quartäre Ammoniumgruppen als aktive Gruppen, die ihr Gegenion austauschen können.

Generell werden starkbasische Anionenaustauscher Typ I und Typ II verwendet. Ein Typ-I-Anionenaustauscher ist thermisch stabiler, hat aber eine geringere Austauschkapazität als ein Typ-II-Austauscher. Die austauschaktive Gruppe des Typ-I-Austauschers ist eine Trimethyl-ammonium-Gruppe ( –N+(CH3)3 ). Beim Typ II ist mindestens eine der drei Methylgruppen ersetzt durch eine Hydroxyethylgruppe ( –CH2–CH2–OH ).G. Kühne und F. Martinola; In: Ionenaustauscher – ihre Beständigkeit gegen chemische und physikalische Einwirkungen; VGB Kraftwerkstechnik, 57, Heft 3, März 1977, S. 176.

Schwachbasische Anionenaustauscher enthalten Aminogruppen, an welche die Anionen freier Säuren angelagert bzw. reversibel gebunden werden. Bei der Regeneration werden die freien Aminogruppen mit Laugen wieder zurückgebildet. Abhängig vom Typ der Aminogruppe – primär (–NH2), sekundär (–NHR) oder tertiär (–NR2) – ist die Basizität der Austauscher schwach bis mittelbasisch.

Amphotere Austauscher Amphotere Austauscher können gleichzeitig Anionen und Kationen austauschen.

Beispiele für Ionenaustausch-Materialien Aluminiumoxid Chlorophyll Colestyramin, Colesevelam (faulendes) Holz Kunstharz-Ionenaustauscher funktionalisierte Sepharose Tonmineralien wie Montmorillonit Zeolithe [natürlich oder künstlich, z. B. Zeolith A (Sasil)].

Technische Ionenaustauschsäulen Während im Labor mit Austauschharzen gefüllte Säulen aus Glas oder Kunststoff verwendet werden, sind in technischen Anlagen die Säulen als Behälter ausgeführt. Diese Behälter sind überwiegend aus Stahl mit innerer Hartgummierung gefertigt. Im Behälter sind Drainagesysteme oder Düsenböden für den Ein- und/oder Austritt der behandelten Flüssigkeit und der Regenerierlösungen eingebaut. Je nach Ausführung der Austauscher bzw. dessen Funktion werden folgende Typen verwendet:

Gleichstromaustauscher Gegenstromaustauscher Schichtbettaustauscher Mehrkammeraustauscher Mischbettaustauscher, auch in Sonderausführung als Triobett Doppelflussaustauscher Sandwichaustauscher

In den ersten vier Austauschertypen werden entweder Kationen- oder Anionenaustauschharze eingefüllt. Entsprechend werden schwach und stark saure bzw. schwach und stark basische Ionenaustauschharze verwendet. Für eine Entsalzung sind mindestens zwei Austauscher erforderlich, damit Kationen und Anionen entfernt werden können. Die restlichen drei Typen arbeiten mit Kationen- und Anionenaustauschharzen. Hier ist in einem Behälter eine Entsalzung möglich.

Eine typische Vollentsalzungsanlage enthält einen Austauscher für Kationen, einen Austauscher für Anionen und, falls Deionat mit einer Restleitfähigkeit von < 1,0 µS/cm erzeugt werden soll, einen Mischbettaustauscher. Diese Kombination wird auch als Entsalzungsstraße bezeichnet. Zwischen Kationen- und Anionenaustauscher wird häufig noch ein Rieselbehälter zur CO2-Entfernung angeordnet. Letzterer reduziert die aus der Carbonathärte gebildete freie Kohlensäure auf < 10 mg/l. Dies ist wirtschaftlicher als die Entfernung über Anionenaustauscher.

Bei kontinuierlicher Reinwassererzeugung sind zwei Straßen erforderlich. Eine Straße ist in Betrieb und die zweite Straße befindet sich in Regeneration oder wird bereitgehalten. Die normale Betriebszeit einer Straße vor einer Regeneration beträgt mehr als 6 Stunden. Erfolgt die Auslegung der Anlage für weniger als 4 Stunden, so spricht man von einer Kurztaktanlage.