Was ist ein Ionenaustauscher einfach erklärt

Ein Ionenaustauscher ist einfach erklärt meistens in Form eines Ionenaustauscherharzes (es gibt ihn aber auch als Membran). Ein Ionenaustauscher als Ionenaustauscherharz sieht auf den ersten Blick wie Sand (ca. 0,2-0,8mm) aus und fühlt sich auch etwa so an. In seinen Eigenschaften für den Gebrauch gilt es zu beachten, dass am Boden verstreute Ionenaustauscher sehr rutschig sind. Obgleich die Ionenaustauscher chemisch sehr stabil sind, sollten sie in keinem Fall mit oxidierenden Stoffen (auch z.B. Haushaltsreiniger) in Kontakt kommen, dies verursacht eine exotherme (also heiß werdend), ausgasende Reaktion, die sogar zu einer Explosion führen kann. Im Laufe eines Betriebszyklus Beladung-Regeneration verändert eine einzelne Harzkugel ihr Volumen um bis zu 100% (kann also doppelt so groß werden), sollte sie vollständig trocknen um bis zu -50% (wird also halb so klein) und entwickelt in diesem Zuge Kräfte um Stahltanks zu sprengen. Soweit Ionenaustauscher in geschlossene Gebinde eingefüllt werden, ist daher darauf zu achten, dass die Harze stets feucht sind und dass stets ausreichender Freiraum vorhanden ist, der die Quellung aufnehmen kann. Auf keinen Fall sollten Harze „auf Sicht“ getauscht werden, wenn der Zustand der Harze nicht bekannt ist, da es sonst bei einer Quellung zur Sprengung eines Tanks (sog. Ionenaustauscher Patrone) kommen kann. Im Weiteren ist zur Erklärung insbesondere das Produkt- und Sicherheitsdatenblatt des konkreten Ionenaustauschers zu beachten, sowie unsere allgemeinen Hinweise Ionenaustauscher beachten.

Funktionsweise

Der Ionenaustauscher ist zunächst einmal kein Filter. Er kann zwar wie ein Filter wirken, wenn er von oben nach unten, im sog. Festbettbetrieb, gefahren wird, dies ist jedoch in der Regel unerwünscht. Daher müssen Verunreinigungen (Partikel, Fette, Öle, starker Biologiebefall …) vorab durch einen Filter entfernt werden.

Der Ionenaustauscher definiert sich in seiner Funktionsweise: er tauscht unter gewissen Bedingungen Ionen im Zulaufwasser gegen andere Ionen, die bereits trägt, und auch – unter anderen Bedingungen – wieder zurück. Der Ionenaustauscher wirkt bestimmungsgemäß nur gegenüber polaren Stoffen, d.h. der Kationenaustauscher kann Kationen entfernen, der Anionenaustauscher entfernt im Regelfall nur Anionen. Also geht es um kleine Ionen, die für sich genommen nicht im Wasser sichtbar sind (ausgenommen Färbungen, z.B. Kupfer idR blau, Chromat idR gelb). Die Bindungen am Ionenaustauscher, bzw. dessen „Andockstationen“, der sog. funktionellen Gruppe, unterliegen einfach erklärt einer gewissen Reihenfolge, die sog. Ionenaustauscher Selektivität. Weiterhin wird das Bindeverhalten des Ionenaustauschers über die Vorbehandlung (sog. Konditionierung oder Aktivierung), den pH-Wert und die Temperatur beeinflusst und wird je nach dem zu bindenden Stoffen entsprechend modifiziert. Es gibt also für die Bindung der Ionen „gute“ Bedingungen und für das spätere Auslösen „gute“ Bedingungen, die voneinander zu trennen sind. Der Ionenaustauscher hat eine begrenzte Kapazität, d.h. in diesem Rahmen kann er noch arbeiten und alle seiner funktionellen Gruppe entsprechenden Ionen aus dem Zulauf gegen seine Vorbeladung tauschen, danach ist er erschöpft. Dies zeigt sich bei der Vollentsalzung z.B. im Leitwert, sobald dieser auch nur gering ansteigt ist der Ionenaustauscher zu regenerieren, also in den Ursprungszustand zurückzuversetzen. Wenn er nicht rechtzeitig regeneriert wird, ist er überfahren. Im Gegensatz zu einem Filter, der im überfahrenen Zustand einfach kein Wasser mehr passieren lässt, merkt man dies in der Vollentsalzung nur über den Leitwert des zu produzierenden VE Wassers, beim Selektivaustauscher in der chemisch physikalischen Abwasserbehandlung analytisch. Im überfahrenen Zustand arbeitet der Ionenaustauscher weiter, d.h. entsprechend seiner Selektivitätsreihe gibt er nunmehr wieder die schwächst gebundenen Stoffe ab, die er zuvor gefunden hat. Das sind in der Regel die Stoffe, die ganz rechts in der Selektivitätsreihe stehen.

Ionenaustauscher regeneration

Ionenaustauscher sind in aller Regel wiederverwendbar „regenerierbar“ und müssen nur in seltenen Ausnahmefällen gegen neue Ionenaustauscher gewechselt werden, z.B. wenn die Bindung zwischen den gebundenen Ionen  so stark ist, dass sie im Rahmen der Regeneration nicht mehr gelöst werden kann oder wenn  im Betrieb durch Störstoffe (z.B. oxidative Medien) beschädigt wurde, sog. Ionenaustauscher Wechsel oder am Ende der Ionenaustauscher Lebensdauer. Die Wiederverwendung desselben Ionenaustauschers ist in aller Regel nach der sog. Ionenaustauscher Regeneration möglich. Diese kann in der zentralen Regeneration Station für auch für Mischbettharz und Selektivaustauscherharz durchgeführt werden. Dabei werden die zuvor gebundenen Stoffe unter Regenerationsbedingungen, also mit einer starken Säure oder Lauge wieder ausgelöst und der Austauscher wird in den Ursprungszustand zurückversetzt und ist wieder einsatzfähig. In einigen Anwendungsfällen wird der Austauscher zusätzlich noch in eine gewünschte Form überführt, die sog. Konditionierung oder Aktivierung. Je nach Anwendung verbessert dies die Abreinigungswirkung, erhöht die Kapazität, macht den Austauscher überhaupt erst arbeitsfähig oder ist aus rechtlichen Gründen erforderlich.

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