Ionenaustauscher

1. Elektrolyte, die eine Ionenart (Anion oder Kation) leicht austauschen können. Das Gegenion wird in einer festen Matrix, festgehalten. Anorganische Ionenaustauscher kommen in der Natur vor (Bentonite, Montmorillonite, Palygorskite, Zeolithe und andere Aluminiumsilicate).
2. Anlage auf dem Prinzip des Ionenaustausches; z. B. zur Herstellung von Reinwasser, zur Reinigung von Abwasser und galvanischen Spülwässern dienen Harze.

In der Galvanotechnik werden Ionenaustauscher als “Kunststoffsäulen” verwendet, in denen “Ionen” ausgetauscht werden. In der einen Säule werden Kationen, in der anderen Anionen ausgetauscht. Der Begriff “Ionenaustauscher” ist jedoch die Sammelbezeichnung für “Festelektrolyte”, die eine Ionenart leicht austauschen können. Vorwiegend handelt es sich hierbei um kleinste organische Festkörper – meist in Kugelform, Kunstharz – die in der Lage sind, Kationen, z. B. Na⁺, Mg²⁺, usw. gegen Wasserstoffionen (H⁺) oder Anionen, z. B. Cl^– gegen OH^– -Ionen, auszutauschen. Kationenaustauscher tauschen also Kationen gegen Wasserstoffionen aus; Anionenaustauscher tauschen also Anionen gegen Hydroxidionen aus. Ein Ionenaustauscher besitzt immer nur eine bestimmte Kapazität in mol/L gequollenem
Austauscherharz.

Ionenaustauscher werden auch in Form von Membranen, Kationen- und Anionenaustauschermembranen hergestellt. Sie dienen dann in Elektrodialyseanlagen als Trennwände; Ionenaustauschermembran.

Beispiele

1. Bei der Wasserenthärtung werden Ionenaustauscher in Form von oberflächenaktiven Kunststoffkugeln (Harzen) eingesetzt, an deren Oberfläche Na⁺-Ionen gebunden sind. Lässt man “hartes” Wasser, also an Ca²⁺-Ionen reiches Wasser, über die Kunststoffkugeln rieseln, so geben diese ihre Na⁺-Ionen an das Wasser ab und binden die kesselsteinbildenden Calciumionen. Im Gegenzug werden Na⁺-Ionen in das Wasser eingeführt, sie bilden zwar keinen Kesselstein aber versalzen das Wasser schließlich. Der Austausch ist dann beendet, wenn alle Natriumionen im stöchiometrischen Verhältnis gegen die Calciumionen ausgetauscht worden sind. Man sagt auch, der Ionenaustauscher ist “erschöpft”. Durch eine Regenerierung können die nun mit Calciumionen beladenen Kunststoffkugeln wieder in den austauschfähigen Zustand zurückgeführt werden. Dazu werden sie mit einer Lösung, die die ursprünglichen Ionen enthält, in diesem Fall also mit einer NaCl-Lösung, gespült. Hierbei findet ein Rücktausch der Ionen statt: Die gebundenen Calciumionen gehen in die Lösung und die Natriumionen werden wieder an die Kunststoffkugeln gebunden. Infolgedessen ist der Ionenaustauscher für die Wasserenthärtung verwendbar.
2. Für die Vollentsalzung (VE-Wasser) trifft im Prinzip das Gleiche zu. Hierbei sind die Kationenaustauscher im Gegensatz zur Wasserenthärtung mit Wasserstoffionen beladen. Lässt man nun Leitungswasser über die mit Wasserstoffionen beladenen Kunststoffkugeln (Harze) rieseln, so werden diese gegen störende Kationen, wie z. B. Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ und K⁺-Ionen, ausgetauscht.

Anschließend wird dieses an Kationen verarmte Leitungswasser über einen Anionenaustauscher geleitet. Da die Harze der Anionenaustauscher jedoch mit Hydroxyl-Gruppen (OH^–) beladen sind, können sie gegen störende Anionen, wie z. B. SO₄^2-‚ NO₃^– HCO₃^– oder Cl^– -Gruppen, ausgetauscht werden.

Durch Kationen- und anschließenden Anionenaustausch erhält man ein Wasser, das von störenden Kationen und Anionen nahezu befreit ist. Die Regenerierung der Kationenaustauscher erfolgt mit Salzsäure, die der Anionenaustauscher mit Natronlauge.