Ionenaustauscher zur Vollentsalzung, Kreislaufführung und Selektivaustauscher

Ionenaustauscher werden zur Vollentsalzung, Kreislaufführung und zum Selektivaustausch in der Industrie verwendet. Was ist ein Ionenaustauscher bzw. Ionenaustauscherharz? Ionenaustauscher sind kugelförmige, in ihrem Aussehen sandähnliche Granulate, die in einer wässrigen Lösung die Aufgabe eines Ionenaustauschprozess durchführen, d.h. Ionen entnehmen können und dafür die Ionen abgeben, mit denen sie zuvor beaufschlagt, sog. „konditioniert“, wurden. Es kommt dabei zu dem Effekt, dass die wässrige Lösung z.B. Stadtwasser, Kreislaufwasser oder Abwasser, je nach Art des Ionenaustauscher Harzes, von den zuvor dort enthaltenen, unerwünschten Ionen gereinigt wird. Typischerweise befinden sie sich in blauen GFK-Druckbehältern mit PE-Inlinern, sog. Ionenaustauscherpatronen.

Die Verpackungseinheiten für Ionenaustauscher Harze sind in der Regel 25L Säcke, 1000L = 40 Säcke auf Paletten oder 1000L Big Bags. Häufig existieren Ionenaustauscherharze in einer Gelform für einfache Anwendungen wie Stadtwasserentsalzungen und in einer makroporösen, reaktiveren Form für komplexere Anwendungen.

Die verschiedenen Ionenaustauscher Harze werden allgemein in Gruppen eingeteilt, die die Ionenaustauscher charakterisieren. Um Kationen im Wasser zu entfernen werden stark saure Kationenaustauscher oder schwach saure Kationenaustauscher eingesetzt. Um Anionen im Wasser zu entfernen werden stark basische Anionenaustauscher oder schwach basische Anionenaustauscher eingesetzt. Zudem existieren auch sog. „mittelbasische“ Austauscher. Dabei handelt es sich um schwach basische Anionenaustauscher, die zusätzlich stark basische Anionenaustauschergruppen enthalten. Eine Mischung von den jeweils stark sauren und stark basischen Austauschern ist sog. Mischbettharz, wie es in einer Vollentsalzungspatrone, sog. VE-Patronen, zur Herstellung von VE Wasser, eingesetzt wird. Da es sich bei einem Ionenaustauscher nicht um einen Filter, sondern um eine chemische Bindung handelt, ist der Ionenaustauscher für den jeweiligen Einsatzzweck in der Regel vorzukonditionieren. Gängige Vorkonditionierungen sind für die Kationenaustauscher die H+, Na+, Ca+, K+ oder die NH4-Form, für die Anionenaustauscher die OH– oder Cl– Form oder bei schwachbasischen Austauschern zusätzlich die NH3 oder die protonierte Ammoniumform. Nach Nutzung der verfügbaren Kapazität des Ionenaustauscherharzes kann dieses in den meisten Fällen wieder aufbereitet werden, sog. Regeneration, in der Regel mit Salzsäure für den Kationenaustauscher und Natronlauge für den Anionenaustauscher. In Einzelfällen ist eine Regeneration nicht (mehr) möglich, z.B. aufgrund von altersbedingten Verschleißerscheinungen vor allem beim Anionenaustauscher oder Fremdkontaminationen (z.B. mit Mineralölen oder z.B. Cyanokomplexe auf einem stark basischen Anionenaustauscher). Nach der Dienstleistung Ionenaustauscher regenerieren erfolgt die Aktivierung bzw. Vorkonditionierung in die gewünschte Form. Die Aktivierungsform hängt von der Anwendung ab und überführt den Ionenaustauscher in die wieder einsatzfähige Form.

Typische Lieferanten für hochqualitatives Ionenaustauscherharz sind: Lanxess Lewatit und Purolite.

Stark saure Kationenaustauscher wie das Ionenaustauscher Harz Lewatit SP112H entfernen diese Metalle aus Lösungen:

  • Aluminium, Al+++
  • Silber, Ag+
  • Barium, Ba++
  • Calcium, Ca++
  • Cadmium, Cd++
  • Cäsium, Cs+
  • Chrom III, Cr+++
  • Kobalt, Co++
  • Kupfer, Cu++
  • Eisen II, III, Fe++, Fe+++
  • Indium, In+++
  • Magnesium, Mg++
  • Mangan, Mn++
  • Nickel, Ni++
  • Blei, Pb++
  • Titan, TiO++
  • Vanadium, VO++
  • Zink, Zn++

Stark saure Kationentauscherharze werden auch in der Metallveredelung angewandt, vor allem bei der Entsalzung galvanischer Spülwässer in der Kreislaufführung oder aber wenn Chromsäure aus Spülwässern rückgewonnen werden soll. Lewatit SP 112 kann zudem störende Metallionen aus Beizbädern und Prozesslösungen eleminieren sowie Chromsäure oder Phosphorbäder reinigen. Die Selektivitätsreihe für stark saure Kationenaustauscher (Sulfonsäureaustauscher) lautet:

Al3+ > Cr3+ > Fe3+ > Ba2+ > Pb2+ > Ca2+ > Ni2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ > H+

Kationenaustauscher eigenen sich für die Enthärtung, Entsalzung sowie weitere Sonderanwendungen.

Beispielsweise für die Enthärtung von Kesselspeisewasser, Kondensat oder Haushaltsgeräte (Geschirrspüler, Waschmaschine). Auch in der Textilindustrie finden Kationenaustauscher bei der Enthärtung von Meer- bzw. Trinkwasser Einsatz. Auch für die Aquaristik bzw. Aquarienwässer eigenen sich Kationentauscher bestens.

Schwach basische Anionenaustauscher wie das Lewatit MP62 entfernen die folgenden komplexgebundenen (Rest-)Metalle aus Lösungen und Grundwässern:

  • Silber, Ag, cyanidisch
  • Gold, Au, cyanidisch und chloridisch
  • Cadmium, Cd, cyanidisch und chloridisch
  • Chrom III, Cr, sulfatisch
  • Chrom VI, CrVI
  • Kobalt, Co, cyanidisch
  • Kupfer, Cu, cyanidisch
  • Eisen II,III, Fe, cyanidisch
  • Quecksilber, Hg, cyanidisch und chloridisch
  • Molybdän (Molybdat), MoO4-
  • Nickel, Ni, cyanidisch
  • Palladium, Pd, chloridisch
  • Platin, Pt, chloridisch und sulfatisch
  • Rhenium, Re, chloridisch
  • Uran, U, sulfatisch
  • Vanadium (Vanadat), V, VO3-
  • Wolfram (Wolframat), W, WO3-
  • Zink, Zn, cyanidisch und chloridisch

Die Selektivitätsreihe für schwach basische Anionenaustauscher (Tertiärer Aminaustauscher) lautet:

OH– >> SO42- > HSO4– > I– > NO3– > Br– > Cl– > F–

Schwach basisches Anionentauscherharz ist in Kombination mit Kationenaustauscherharzen (beispielsweise mit Lanxess Lewatit MonoPlus S100 / SP 112) zur Entsalzung geeignet.

Darüber hinaus bestehen als Sonderanwendungen für schwach basisches Anionenaustauscherharz wie die Nitratentfernung aus Wässern (mittels z.B. dem Spezialharz Lewatit SR7), Wertstoffrückgewinnung (von beispielsweise Chrom, Molybdän und Gold), die Entfernung von Eisen aus konzentrierter Salzsäure. Zudem ist das Anionenaustauscherharz Lewatit MP 62 in der Chloridform oder einer anderen protonierten Form auch in der Hydrometallurgie zur Metallrückgewinnung von Vanadin, Molybdän und Wolfram (Abtrennung als komplexe Anionen) einsetzbar, sowie zur Rückgewinnung von Edelmetallen aus Spülwässern und der Grundwassersanierung mittels Entfernung von Chromat und Schwermetallcyanid-Komplexen.

Das Anionenaustauscherharz Lewatit MP 64/68 als „mittelbasisches“ Harz verfügt darüber hinaus über die Eignung zur Grundwassersanierung (Entfernung von Chromat und Schwermetallcyanid-Komplexen), der Chloralkalielektrolyse (Entfernung von Quecksilber aus Abwässern der Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgam-Verfahren). Darüber hinaus kann das Anionenharz in der Hydrometallurgie eingesetzt werden, insbesondere in der Metallrückgewinnung von Molybdän, Vanadin und Wolfram als komplexe Anionen sowie der Goldrückgewinnung aus cyanidischen Laugen und der Rückgewinnung von Chromsäure aus Spülwässern.

Stark basische Anionenaustauscher verfügen permanent über quartärnisierte Ammoniumgruppen und besitzen eine geringere Kapazität als schwach basische Anionenaustauscher. Im Gegensatz zu schwachbasischen Austauscherharzen können Ssie auch im alkalischen Medium eingesetzt werden. Sie binden jedoch manche Metallverbindungen (i.d.R. komplexe Anionen) so stark, dass Sie im Rahmen der Regeneration nicht mehr eluiert werden können. Dies hat zur Folge, dass bestimmte Anionen stark basische Anionenaustauscher über die Zeit hinweg dauerhaft inaktivieren. Mit stark basischen Anionenaustauschern werden jedoch im Vergleich zu schwach basischen Anionenaustauschern geringere Ablaufwerte erreicht, da sich auch Anionen schwacher Säuren mit SBA-Harzen entfernen lassen.

Stark basische Anionenaustauscher (SBA) wie das Lewatit MP500 entfernen diese Metalle aus Lösungen und wirken damit wie ein Kationenaustauscher:

  • Silber, Ag, cyanidisch (nicht regenerierbar)
  • Arsen, As, fluoridisch
  • Gold, Au, cyanidisch und chloridisch (nicht regenerierbar)
  • Cadmium, Cd, cyanidisch und chloridisch (nicht regenerierbar)
  • Chrom III, Cr, sulfatisch
  • Chrom VI, CrVI
  • Kobalt, Co, cyanidisch (nicht regenerierbar)
  • Kupfer, Cu, cyanidisch (nicht regenerierbar)
  • Eisen II,III, Fe, chloridisch (Sonderregeneration) und cyanidisch [Fe(CN)6]3/4- nicht regenerierbar)
  • Quecksilber, Hg, cyanidisch und chloridisch (HgCN nicht regenerierbar)
  • Molybdän (Molybdat), MoO4-
  • Nickel, Ni, cyanidisch (nicht regenerierbar)
  • Palladium, Pd, chloridisch
  • Platin, Pt, chloridisch und sulfatisch
  • Rhenium, Re, chloridisch
  • Uran, U, sulfatisch
  • Vanadium (Vanadat), V, VO3-
  • Wolfram (Wolframat), W, WO3-
  • Zink, Zn, cyanidisch und chloridisch (ZnCN nicht regenerierbar)

Die Selektivitätsreihe für stark basische Anionenaustauscher (quartärer Aminaustauscher) lautet für Anionen (ohne Anionenkomplexe):

SO42- > HSO4– > I– > NO3– > Br– > Cl– > HCO3– > HSiO3– > F– > OH–

In der Grundwassersanierung werden starkbasischer Anionenaustauscher (ggf. auch in der Kombination mit schwachbasischen Anionenaustauschern) für die Entfernung von Cyanokomplexen (Kationen) eingesetzt. Freies Cyan wird zwar auch vom Anionenaustauscher gebunden, jedoch nur schwach. Die Selektivitätsreihe lautet in diesem Fall für Cyanokomplexe mit den folgenden Metallen:

Co2+ > Hg2+ > Fe2+ > Cu2+ > Ni2+ > Ag+ > Au+ > Cd2+

Das schwach saure Selektivaustauscherharz Lewatit TP 207 oder Purolite S930 Plus ist ein makroporöser Kationenaustauscher mit chelatbildenden Iminodiessigsäure-Gruppen. Damit wird die selektive Bindung von Schwermetall-Kationen aus schwachsauren bis schwachbasischen Lösungen gebunden.

Schwach saure Kationenaustauscher (SAT) wie das Lewatit TP207 entfernen die folgenden Metalle aus Lösungen:

  • Aluminium, Al+++
  • Arsen, As (Sonderverfahren)
  • Silber, Ag+
  • Gold, Au+, choridisch
  • Barium, Ba++
  • Calcium, Ca++
  • Cadmium, Cd++, chloridisch und cyanidisch
  • Chrom III, Cr+++, sulfatisch
  • Kobalt, Co++
  • Kupfer, Cu++ (insb. aus dem Kupfertetraaminkomplex)
  • Eisen II, III, Fe++, Fe+++
  • Quecksilber, Hg++
  • Indium, In+++
  • Magnesium, Mg++
  • Mangan, Mn++
  • Molybdän, als Molybdat (MoO4-)
  • Nickel, Ni++
  • Blei, Pb++
  • Palladium, Pd+, chloridisch
  • Platin, Pt+, chloridisch/sulfatisch
  • Titan, TiO++
  • Uran, UO2-, sulfatisch und nitratisch
  • Vanadium, VO++ und Vanadat
  • Wolfram (Wolframat), W, WO3-
  • Zink, Zn++ und chloridisch

Anwendungsbereiche für das Ionenaustauscher Harz Lewatit TP 207 (IDE-Austauscher) sind beispielsweise die Metallveredelung (Schwermetall-Restentfernung aus Abläufen von Durchlauf- und Chargenentgiftungsanlagen durch Selektivionenaustausch), die selektive Entfernung von gelösten Schwermetallspuren aus Abwässern nach der Hydroxid-Fällung (auch unter hohen Calcium-Konzentrationen, sog. Selektivaustauscher), sowie die Rückgewinnung von Wert- und Edelmetallen aus Spülwässern (dezentrale Behandlung). Darüber hinaus die Entfernung von Schwermetall-Restmengen aus Abläufen der Abwasser-Entgiftung in der Metallveredelung an letzter Position als Polizeifilter, die Verlängerung der Standzeit von Prozessbädern durch Entfernung störender Metallionen in der metallverarbeitenden Industrie und das Eliminieren von störenden Metallionen aus Beizbädern und Prozesslösungen besonders die Reinigung von Chromsäure- und Phosphorsäurebädern, soweit dafür kein stark saurer Kationenaustauscher SAC vorteilhafter ist. Abschließend ist der Einsatz in der Hydrometallurgie möglich zur Trennung von Metallionen aus beispielsweise Aufschlusslösungen und der Einsatz in der Rauchgasreinigung zur Entfernung von Schwermetall-Restkonzentrationen aus Rauchgaswaschwässern von Müllverbrennungsanlagen und fossilen Verbrennungsanlagen (Kohlekraftwerken). In der Regel werden Selektivaustauscher in der Mono-Na-Form oder in der Ca-Form betrieben bzw. vorkonditioniert, anstatt der herstellungsbedingten Lieferform: Di-Na-Form.

Die Bindung von Schwermetallionen aus neutralen Wässern verläuft bei Selektivaustauschern entsprechend der folgenden Selektivitätsreihe:

Fe3+ > Cu2+ > TiO2+ > VO5+ > UO2+ > VO2+ > Hg2+ > Pb2+ > Sc3+ > Ni2+ > Zn2+ > Co2+ > Co2+ > Cd2+ > Fe2+ > Be2+ > Al3+ > Mn2+ > Ca2+ > Mg2+ > Sr2+ > Ba2+ > Na+ > K+ > Cs+

Abschließend lässt sich das Ionentauscher Harz Lewatit TP 207 auch in der Grundwassersanierung bei der Entfernung von Schwermetallen oder Arsen einsetzen, die ggf. eine gesonderte Aktivierung bzw. Dotierung voraussetzen.

Der schwach saure Kationentauscher Lewatit CNP 80 (H) als Carbonsäureharz ist hingegen besonders für die Entkarbonisierung geeignet, insbesondere von Kühlwasser, Kesselspeisewasser, Haushaltsenthärter, Luftbefeuchter, Trinkwasser (z.B. Kaffeemaschinen), Gießwasser und Brauwasser. Daneben kann das Carbonsäureharz für die Rückgewinnung von Metallen (beispielsweise Kupfer, Nickel, Cadmium, Kobalt und Zink) aus verdünnten Lösungen genutzt werden, wozu es in die Salzform überführt werden muß.

Für gesonderte Einsatzzwecke existieren weitere Ionenaustauscherharze, wie z.B. die Thioharnstoffaustauscher wie das Selektivaustauscherharz Lewatit TP 214 für die Entfernung von Quecksilber und Edelmetallen wie Silber, Gold, Palladium und Platin aus Lösungen.

  • Silber, Ag+
  • Gold, Au+, chloridisch
  • Bismut, Bi++
  • Kupfer, Cu++
  • Quecksilber, Hg++, auch chloridisch
  • Nickel, Ni++
  • Blei, Pb++
  • Palladium, Pd+, chloridisch
  • Platin, Pt+, chloridisch/sulfatisch
  • Zink, Zn++ und chloridisch
  • Zinn, Sn++/++++

Die Bindung an den Thioharnstoffaustauscher erfolgt anhand der folgenden Selektivitätsreihe

Hg2+ > Ag+ > Au+/3+ > Pt2+/4+ > Cu2+ > Pb2+/4+ > Bi2+ > Sn2+ > Zn2+ > Cd2+ > Ni2+

Für weitere Anwendungszwecke finden sich gesonderte Ionenaustauscher z.B. mit Aminomethyl-Phosphonsäuregruppen die mit einer Sonderdotierung bzw. Aktivierung z.B. für die Flourid-Entfernung in der chemisch physikalischen Abwasserbehandlung eingesetzt werden.

Produkte

Ionenaustauscher: Stark-saurer Kationenaustauscher Lewatit SP112
Ionenaustauscher: Stark-basischer Anionenaustauscher Lewatit M500
Ionenaustauscher: Schwach-saurer Selektivaustauscher Lewatit TP207

Im Ionenaustauscher Harz Anwendungsfall VE-Anlage mit 2 Säulen bzw. VE-Patrone werden in der Regel ein stark saurer Kationenaustauscher (SAC) als Sulfonsäureaustauscher auf Styrol-Divinylbenzol-Copolymerbasis in der H+ Form eingesetzt, z.B. Lewatit Monoplus SP112H.

Der stark basische Anionenaustauscher (SBA) als quaternärer Aminaustauscher Styrol-Divinylbenzol-Copolymerbasis in der OH– Form, z.B. Lewatit Monoplus M500OH. Die Lieferform dieses Harzes ist jedoch die Cl– Form, da die OH– Form zum Hoffman‘schen Aminabbau neigt, wodurch alipatische Amine entstehen, die einen starken fischähnlichen Geruch verursachen.

In der Ionenaustauscher Harz Anwendung VE-Patronen (Vollentsalzungspatronen) oder Polisher-Mischbettharz nach einer Umkehrosmoseanlage oder EDI wird eine Mischung von stark sauren Kationenaustauschern und stark sauren Anionenaustauschern eingesetzt, sog. Mischbettharz, z.B. Lewatit NM60. Für hochreine VE-Anwendungen werden ähnliche Austauschertypen verwendet, die jedoch höher vernetzt und damit reaktiver sind, sog. Ultra-Pure Water Harze oder UPW Harze, wie z.B. das Amberjet UP6040 anstatt des Mischbettharzes Lewatit NM60.

Im Ionenaustauscher Harz Anwendungsfall Selektivaustauscher handelt es sich in der Regel um einen Iminodiessigsäureaustauscher, sog. IDE-Austauscher, wie das Lewatit TP 207 in der Na+ Form, der als Polizeifilter nach einer industriellen Abwasseranlage Restschwermetallgehalte aus dem Abwasser auf die regulatorisch erforderlichen Überwachungswerte reduziert.

Neben den genannten Anwendungen gibt es auch zahlreiche Sonderanwendungen, für die Ionenaustauscherharze mit speziellen Austauschergruppen entwickelt wurden, wie Carbonsäureaustauscher, Thioharnstoffaustauscher oder Bispicolyaniminaustauscher.

Neben der aktiven Austauschergruppe und der Vorkonditionierung (Aktivierung) des Ionenaustauschers sind für die Anwendung noch weitere Parameter zu beachten, wie Kontaktzeit bzw. Durchströmungsgeschwindigkeit in m/h bzw. Bettvolumen/h (BV/h), Temperatur und pH-Wert.

Ionenaustauscher Harze werden üblicherweise in Druckgehäusen mit einer Vorfiltration eingesetzt, z.B. ein Mehrschichtfilter, Kies- oder Sandfilter, Kerzen- oder Faltenfilter. Je nach der Belastung des Eingangswassers können auch weitere Reinigungsschritte wie Aktivkohle, Scavangerharze zur Tensidentfernung oder eine biologische Denaturierung z.B. durch UV notwendig sein, z.B. um eine dauerhafte Inaktivierung der Harze durch Mineralöle zu vermindern oder Biologiebefall zu verhindern. Bei Selektivaustauschern kann eine pH-Anpassung zur Funktionserhaltung und Kapazitätsoptimierung beitragen.

Je nach Anwendung sind Ionenaustauscher Harze direkt aus dem Liefergebinde einsetzbar bzw. benötigen eine separate Aktivierung im Rahmen unserer Ionenaustauscher Regeneration. Dazu werden die Harze aus dem Liefergebinde (25L PE-Sack bzw. Big Bag) entnommen, ggf. vorgereinigt und in die gewünschte Arbeitsform überführt (z.B. Na-Form, Ca-Form, K-Form, NH4-Form, Fe3+, Al3+ Form bzw. OH–, NH3-, oder Cl–Form). Bei diesem Prozess werden auch herstellungsbedingte Verunreinigungen entfernt, die sonst in den Prozess eingetragen werden. Eine Regeneration vor dem Einsatz ist daher stets empfehlenswert.