Wasseraufbereitung mit Ionenaustauscher
Ionenaustauscherharze sind heutzutage in der Regel Kunststoffkugeln mit Durchmessern zwischen 0,3 bis 2,0 Millimeter. Anorganische Ionenaustauscher (z.B. natürliche oder synthetische Zeolithe), wie sie früher zur Wasserenthärtung eingesetzt wurden, sind fast nur noch von historischem Interesse.
In ein Copolymergerüst aus Styrol/Divinylbenzol (DVB) oder Acrylat/DVB sind ionenaktive Gruppen eingebaut, welche Ionen anlagern und abgeben bzw. austauschen können. Je nach Art dieser Gruppen unterscheidet man zwischen Kationen- und Anionenaustauschern.
Kationenaustauscher und Anionenaustauscher
Kationenaustauscher enthalten saure Gruppen der Art –SO3H (sulfonierte Polystyrole) oder –COOH (carboxylische Austauscher), mit welchen organische oder anorganische Kationen fixiert werden können. Die Kationen sind dabei entweder untereinander oder gegen Wasserstoffionen (H+) austauschbar.
Anionenaustauscher enthalten basische Gruppen, z.B. Aminogruppen wie –N(CH3)2OH oder -N(CH3)3OH, mit welchen Anionen fixiert werden können. Dabei sind hier die Anionen entweder untereinander oder gegen Hydroxid-Ionen (OH–) auszutauschen.
Die Ionenaustauscher lassen sich einteilen in:
- Kationenaustauscher (KA)
- stark saure KA
- schwach saure KA
- Anionenaustauscher (AA)
- stark basische AA
- Typ-I-Harze
- Typ-II-Harze
- schwach basische AA
- stark basische AA
Man unterscheidet ferner in Abhängigkeit von der vorliegenden Festkörperstruktur der Ionenaustauscherharze zwischen rein gelförmigen und makroporösen Harzen mit einem gelförmigen Kern. Makroporöse Harze haben in der Regel eine geringere Austauschkapazität als Gelharze, dafür aber eine erheblich größere Harzoberfläche. Sie sind damit in der Lage, auch organische Moleküle zu adsorbieren.
Für die Beladungs- und Regenerationsabläufe sind die chemischen Gleichgewichtsverhältnisse maßgebend. Die Bindefestigkeit der auszutauschenden Ionen ist größer als diejenige der abzugebenden Ionen. Daher muss für die Regeneration ein entsprechender Überschuss an Regeneriermittel eingesetzt werden. Die vom Austauscher aufgenommenen Ionen sind im Regenerat in konzentrierter Form enthalten.
Die Auslegung einer Ionenaustauscheranlage wird von verschiedenen Kriterien beeinflusst wie:
- spezifische ionogene Austauscherbelastung
- hydraulische Belastung
- nutzbare Volumenaustauschkapazität (NVK) des Harzes
- Regeneriermittelüberschuss
- Rückspülgeschwindigkeit
Unabhängig vom Zweck des Austauschs wie Enthärtung, Entkarbonisierung oder Entsalzung bestehen die Ionenaustauscheranlagen aus mit Harz gefüllten zylindrischen Behältern mit den erforderlichen Verteilsystemen für das zu behandelnde Wasser und das Regeneriermittel, die als Kationen-, Anionen- oder Mischbettaustauscher je nach Einsatzfall entsprechend kombiniert parallel oder in Reihe geschaltet werden.
Mischbettanlagen sind mit einer homogenen Mischung aus Kationen- und Anionenharz gefüllt. Das Harzbett verhält sich reaktionskinetisch so, als wenn unendlich viele Kationen- und Anionenaustauscher hintereinandergeschaltet wären. Mischbettionenaustauscher werden oft als Endreinigungsstufe verwendet.
Enthärtung
Hierzu verwendet man Kationenaustauscherharze, die mit einer Natriumchloridlösung (Kochsalz) regeneriert werden. Die Calcium- und Magnesiumionen werden gebunden und gegen Natriumionen ausgetauscht, sodass im aufbereiteten Wasser alle Salze in Natriumsalze umgewandelt sind.
Entkarbonisierung
Die Entkarbonisierung erfolgt heutzutage mit schwach sauren, carboxylischen Ionenaustauschern, die bevorzugt Erdalkali-Kationen, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium binden. Diese Harze haben die Eigenschaft, den Beladungsvorgang für Kationen abzubrechen, sobald der pH-Wert des aufbereiteten Wassers im Bereich pH 4 bis 5 liegt. Das aufbereitete Wasser enthält alle ursprünglichen Sulfate und Chloride sowie freies CO2 entsprechend der ursprünglichen Bicarbonatmenge.
Vollentsalzung
Die einfachste Form der Vollentsalzung besteht aus einem Kationenaustauscher und einem nachgeschalteten Anionenaustauscher. Je nach Rohwasserqualität wird eine Entgasung dazwischen angeordnet, um die Anionenaustauscherkapazität nicht unnötig durch eine Beladung mit CO2 zu vermindern. Soll der Entsalzungsbetrieb ohne Unterbrechungen z.B. durch die Regeneration laufen, werden jeweils zwei Ionenaustauschersäulen parallel oder in Reihe geschaltet. Falls ein sehr reines Wasser mit konstanter Qualität erzeugt werden soll, wird zusätzlich ein Mischbettaustauscher als Endreinigungsstufe nachgeschaltet.
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