Ionenaustauscher

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Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Geräte, mit denen im Wasser gelöste Ionen gegen andere Ionen ersetzt werden können. Meist handelt es sich dabei um Säulen, die mit einem Ionenaustauschermaterial, dem Ionenaustauscherharz, gefüllt sind, und von der zu behandelnden Lösung durchströmt werden. Die zu ersetzenden Ionen werden am Ionenaustauscher-Material gebunden, das seinerseits dabei Ionen in die Lösung abgibt. Beispielsweise kann ein Natrium-Kalium-Ionenaustauscher Natrium-Ionen gegen Kalium-Ionen ersetzen. Lässt man einen solchen Ionenaustauscher beispielsweise auf eine Lösung des Salzes Natriumchlorid einwirken, so erhält man eine Lösung des Salzes Kaliumchlorid.

Eine natürliche Bedeutung haben Ionenaustauscher vor allem im Boden in Form des Kationen-Austausches. Hiervon abgeleitet werden jedoch auch künstliche Austauscher zur Altlastensanierung verwendet um gezielt bestimmte Ionen aus Gewässern und Böden zu entfernen.

[Bearbeiten] Wie funktionieren Ionenaustauscher?

Das Prinzip der Ionentauscher ist allgemein, dass einige Ionen stärker an den Ionenaustauscher gebunden werden als andere. Dabei werden höher geladene Teilchen stärker angezogen. Zum Beispiel wird Na⁺ im Ionentauscher durch Ca²⁺ verdrängt, aber auch Ca²⁺ durch Al³⁺. Das "stärkere" Ion vertreibt das schwächere Ion aus dem Ionentauscher. Das unerwünschte Ion, das aus der Lösung entfernt werden soll, wird also immer stärker angezogen als die im ungeladenen Zustand vorhandenen Ionen, die beim Austausch abgegeben werden. Andere Einflussfaktoren sind durch den pH-Wert, die jeweilige Stoffkonzentration und den Ionenradius gegeben.

Ein Ionenaustauscher kann nur so solange funktionieren, wie Ionen vorhanden sind, die verdrängt werden können. Man bezeichnet diesen Austausch auch als das Beladen des Austauschers.

[Bearbeiten] Arten von Ionenaustauschern

Je nachdem welche Art von Ionen ausgetauscht werden, unterscheidet man Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Kationenaustauscher tauschen gelöst vorliegende Kationen (positiv geladene Ionen) gegen andere Kationen aus, die Bestandteil des Austauschmaterials sind. Kationenaustausch-Materialien sind selbst Salze, wobei die Kationen (in Gleichung unten: Z⁺) leicht in Lösung gehen können, also mobil (beweglich) sind. Die polymeren und wasserunlöslichen Anionen (in Gleichung unten: Q^m-) des Kationenaustausch-Materials sind stationär, also unbeweglich. Als allgemeine Gleichung für den Prozess des Austausches einwertiger Kationen (Ka⁺) aus einem gelöst vorliegenden Salz (Ka⁺ + An^-) durch den Ionenaustauscher [(Z⁺)_nQ^m-] kann man schreiben:

$x Ka^+ + x An^- + [(Z^+)_nQ^{m-}] \rightarrow x Z^+ + x An^- + [(Z^+)_{n-x} (Ka^+)_xQ^{m-}]$

Anionenaustauscher tauschen entsprechend Anionen (negativ geladene Ionen) eines gelösten Salzes gegen andere Anionen aus. Hierbei liegen die stationären Kationen des Ionenaustauschers polymer vor, während die Anionen des Anionenaustauschers mobil sind.

Beispiele für Ionenaustausch-Materialien

Zeolithe (natürlich oder künstlich, z.B. Zeolith A (Sasil))
Tonmineralien
Aluminiumoxid
(faulendes) Holz
Chlorophyll
Kunstharz-Ionenaustauscher

[Bearbeiten] Regeneration

Die Möglichkeit der Regeneration beruht auf der Tatsache, dass der Vorgang des Ionenaustauschs, wie die meisten chemischen Reaktionen, umkehrbar ist. Tatsächlich findet gleichzeitig die Hin- und die Rückreaktion statt (chemisches Gleichgewicht). Beim Einsatz des Ionentauschers überwiegt allerdings die Hinreaktion; sie findet freiwillig statt. Die Erzwingung der Rückreaktion, also die Regeneration, ist nur möglich, indem ein Überschuss an "schwächeren" Ionen zugegeben wird, denn viele schwächere Ionen verdrängen die stärkeren Ionen. Siehe auch: Prinzip von Le Chatelier

[Bearbeiten] Verwendung von Ionentauschern

Ionentauscher werden sehr oft zur Enthärtung von Wasser verwendet.

Herstellung von demineralisiertem Wasser: oft auch fälschlicherweise als destilliertes Wasser (Wasser, das durch Destillation gereinigt wurde) bezeichnet. Mit Hilfe von Kationen- und Anionentauschern werden unerwünschte Salze aus dem Wasser entfernt. In der Wissenschaft und Technik bezeichnet man demineralisiertes Wasser daher auch als Deionat oder VE-Wasser (voll entsalzt).

In Geschirrspülmaschinen: hier werden Ionenaustauscher verwendet, um die Maschine vor Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen zu schützen, die zu Kesselstein (umgangssprachlich: Verkalkung) führen können. Diese Ionen werden durch Na⁺-Ionen ersetzt und nicht, wie bei anderen Austauschern durch "saure" H⁺-Ionen, die das Metall der Spülmaschine und Gläser angreifen würden. Da ein eingebauter Ionentauscher nach einiger Zeit mit Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen beladen ist und nicht mehr funktionieren würde, muss dieser wieder regeneriert werden. Dazu gibt es spezielles Regeneriersalz, das immer wieder zugegeben werden muss.

Haushalts- Wasserfilter

In Wasserfiltern: diese "Filter" enthalten meist nicht nur einen Ionentauscher um das Wasser zu entkalken und um damit Kalkablagerungen in Wasserkochern zu verhindern, sondern meist auch Aktivkohle-Filter um geruchs- und geschmacksstörende Stoffe zu entfernen.

In Waschmitteln: auch hier soll der Ionentauscher den Kalziumkarbonatgehalt des Wasser herabsetzten um die Bildung von Kalkseifen zu verhindern. Dadurch wird weniger Waschmittel benötigt. Ein wichtiger Ionentauscher in Waschmitteln ist beispielsweise der Stoff Zeolith A.

Reinigung von Abwasser: ein Beispiel ist die Reinigung der Abwässer, die beim Galvanisieren zurückbleiben, also bei der Herstellung von Metallüberzügen. Diese Abwässer enthalten giftige Schwermetall-Ionen, die nicht in Kläranlagen abgegeben werden können. Dadurch werden auch die wertvollen Ausgangsstoffe wieder gewonnen.

In der Medizin: zum Beispiel zur Abgabe von Wirkstoffen, indem im Körper vorhandene Protonen (H⁺-Ionen) oder Metall-Ionen in den Ionentauscher aufgenommen werden und der im Ionentauscher enthaltene Wirkstoff abgegeben wird. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung einer Hyperkaliämie, indem K⁺-Ionen aus dem Körper entfernt werden und durch Na⁺-Ionen ersetzt werden. Bei der Therapie der Hypercholesterinämie verwendet man Anionenaustauscher um negativ geladene Gallensäuren im Darm zu binden (im Austausch gegen beispielsweise Citronensäure). Dadurch wird der enterohepatische Kreislauf der Gallensäuren gehemmt, die Leber muss vermehrt Gallensäuren aus Cholesterin herstellen und der Cholesterinspiegel im Blut sinkt.

Hydrokultur: Das in der Hydrokultur verwendete Granulat versorgt die Pflanzen durch Ionenaustausch mit Mineralien.

Mit großem Erfolg wurde die Ionenaustauschmethode bei der zuvor äußerst umständlichen und schwierigen Trennung der verschiedenen Seltenerdmetalle angewandt. In der Kernforschung erwiesen sich ihre Vorteile beim Abtrennen des Plutoniums vom Uran und dessen Kernspaltprodukten. Durch Ionenaustausch konnte man erstmals das Seltenerdmetall Promethium sowie einige Transurane nachweisen und isolieren.

[Bearbeiten] Ionenaustauschermembran

Als Ionenaustauschermembran (auch Ionentauschmembran) bezeichnet man dünne Folien (Dicke: 20 - 100 Mikrometer), die nur von Ionen mit einem bestimmten Ladungsvorzeichen passiert werden können. "Anionentauschermembranen" sind durchlässig für elektrisch negativ geladene Teilchen (Anionen), während "Kationentauschermembranen" nur elektrisch positive geladene Teilchen (Kationen) hindurchlassen.

Ionentauschermembranen dienen als ladungsselektive Filter, mit deren Hilfe Kationen oder Anionen gezielt aus Lösungen entfernt werden können. Derartige Membranen werden in der Elektrodialyse zur Anreicherung von Salzlösungen bzw. zum Abtrennen von Salzen verwendet und zur Herstellung von Säuren und Laugen aus Salzlösungen eingesetzt.

Technische Ionentauschermembranen bestehen aus Wasser - gequollenen Polymernetzwerken, an denen über kovalente Bindungen elektrisch geladene chemische Gruppen (z.B. COO^-, SO₃^-, PO₄^-, NR₄⁺) fixiert sind. Die Gesamtladung der Membran wird durch mobile Gegenionen ausgeglichen, die in der wässrigen Phase gelöst sind. Diese mobilen Gegenionen können durch andere mobile Ionen mit gleichem Ladungsvorzeichen ausgetauscht werden, sobald die Membran in Kontakt mit einer Salzlösung gebracht wird. Folglich können alle Ionen mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die mobilen Gegenionen diese Membran passieren, während entgegengesetzt geladene Ionen - mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die fixierten Ionen des Membrannetzwerkes - abgewiesen werden. Dieser Mechanismus wird als "Donnan-Ausschluss" bezeichnet und bewirkt, dass man Ionenaustauschmembranen als ladungsselektive Filter verwenden kann.

Die Selektivität, S+/-, einer Ionenaustauschmembran ist definiert als das Verhältnis der Konzentrationen von Kationen zu Anionen in der Membran. Diese Größe nimmt mit steigender Salzkonzentration ab, d.h. in konzentrierten Salzlösungen (Salzkonzentration > 10 - 15 mol/L) werden die Membranen wirkungslos. Die Berechnung der Kationen-/Anionenselektivität ist äußerst schwierig, weil S+/- gleichzeitig von der Ionenaktivität und dem osmotischen Druck innerhalb der Membran abhängt.