Die Ionentauscher Funktionsweise in
einer Enthärtungsanlage

Unser letzter Beitrag “Der grosse Ionentauscher Test” stellte verschiedene Ionenaustauscher Modelle vor sowie die Vorteile, mit denen für jene Geräte häufig geworben wird. Im Zentrum dieses Blogbeitrags soll nun die Ionentauscher Funktionsweise stehen. Damit Sie sich eine bessere Vorstellung davon machen können, wie chemische Enthärtungsanlagen funktionieren, gehen wir hier folgenden Fragen nach:

• Was ist unter dem Ionentauscher Prinzip zu verstehen?
• Wie arbeitet ein Ionenaustauscherharz?
• Was ist beim Ionentauscher-Regenerieren zu beachten?
• Welche Unterschiede gibt es zwischen der Kalkwandler– und der Ionentauscher- Funktionsweise?

Die Ionenaustauscher Funktiosweise:
Erfahren Sie hier, was mit Ihrem Wasser geschieht.

Das Ionenaustauscher Prinzip in aller Kürze

Vereinfacht zusammengefasst bezeichnet das Ionentauscher Prinzip eine Art der Wasseraufbereitung, bei der die im Wasser gelösten Salze Ca2+ (umgangssprachlich Kalk) und Mg2+ entfernt werden, um die Wasserhärte zu reduzieren. Dabei wird das Trinkwasser durch sogenannte Ionentauscherharze, das sind Kunststoffharze, geleitet. Die Austauscher nehmen gelöste Ionen einer Ladung (positiv oder negativ) auf und geben eine entsprechende Menge anderer Ionen gleicher Ladung ab.

Das Ionenaustauscher Prinzip kann auch unter der Maxime der Selektivität “Der Stärkere verdrängt den Schwächeren” gefasst werden: Diesem Verdrängungsprinzip entsprechend werden schwach bindende Ionen von stärker bindenden Ionen (mit höherer Ladung bzw. mit grösserem Radius) ersetzt. Die Methode zielt darauf ab, “unerwünschte” Moleküle wie Kalk aus dem Wasser zu entfernen, indem diese stärker an die Bindungsstellen der Austauscher-Materialien angezogen werden und im Gegenzug schwach bindende Moleküle, die an den Harzen angebracht sind, freigesetzt werden. In Wasserenthärtungsanlagen werden konkret Calcium- und Magnesium-Ionen durch Natriumionen ausgetauscht.

Wasser besteht nicht rein aus Wassermolekülen (H2o), sondern enthält in kleinen Mengen auch Fremdsubstanzen. Diese können feste, unlösliche Stoffe sein (etwa Sand), oder gelöste elektrisch geladene wie nicht-geladene Stoffe sowie organische oder anorganische Verbindungen. Im Wasser elektrisch geladene Atome bzw. ionisierte Stoffe existieren als Ionen, die positiv geladen sein können (Kationen) oder negativ geladen (Anionen). Sie bewegen sich frei im Wasser.

Kationen sind:

• Calcium
• Magnesium
• Natrium
• Kalium
• Ammonium
• Eisen
• Mangan

Anionen sind:

• Chlorid
• Hydrogenkarbonat
• Nitrat
• Sulfat

Anziehende Kugeln

Ionenaustauscherharze sind kleinste Kunststoffkügelchen von etwa 0,6 mm Durchmesser. Meist werden sie in Säulen gefüllt oder sind als Granulat zu kaufen. Strukturell gesehen sind die Harze organische Polymere, auf denen eine Aktivgruppe, d.h. ein unbewegliches Ion permanent angebracht wurde. Als Bestandteil der Harzstruktur kann dieses Ion weder entfernt noch verschoben werden. Um die elektrische Neutralität zu wahren, wird jeder Aktivgruppe eines Harzes ein bewegliches Gegenion gegenübergesetzt. Die Gegenionen können sich innerhalb der Kugel sowie zwischen den Harzkugeln und dem umhüllenden Wasser frei bewegen. Dank der austauscheraktiven Gruppen, können sich bestimmte Ionen einer elektrischen Ladung an dem unbeweglichen Ion der Kugeln anlagern und im Gegenzug die beweglichen Ionen derselben elektrischen Ladung an die Lösung abgegeben werden.

Anionenaustauscher vs. Kationenaustauscher

Welche Ionen ausgetauscht werden, hängt in erster Linie von der Ladung des Ions ab. Anionen können lediglich gegen Anionen und Kationen nur gegen Kationen getauscht werden. In unserem Beitrag zur Ionenaustauscher Funktionsweise im Zusammenhang der Wasserenthärtung findet einen Kationentausch statt. Die “festen” Ionen der Kationenaustauscherharze sind hierbei in der Regel Sulfonate, die beweglichen Kationen sind Natriumionen. Da die Ionenaustauscher Selektivitätsunterschiede für Ionen aufweisen ist es möglich, dass die stärker bindenden Calcium-Ionen sich an die Sulfonate in den Harzkugeln hängen und als Stärkere im Ionenaustausch die beweglichen Natrium Kationen verdrängen. Im Kationentauscherharz werden die positiv geladenen Calciumionen (Ca2+) und Magnesiumionen (Mg2+) gegen je 2 Natriumionen (2 Na+ ) ausgetauscht.

Eigenschaften und Spezifikationen von Ionenaustauschern

Abhängig vom Verfahren werden makroporöse oder gelförmige Harze hergestellt. Die Harze sind zudem in verschiedenen gebundenen funktionellen Gruppen mit unterschiedlichen Eigenschaften verfügbar. Diese sind:

• makroporös oder gelförmig
• Kapazität (mol/L)
• Feuchtegehalt (%)
• Quellungsverhalten (%)
• Durchmesser (μm)
• spezifische Dichte (g/cm)
• Vernetzungsgrad (%)

Um der Erschöpfung des Austauschermediums und ein „Durchbrechen“ des Ionenaustauschers vorzubeugen, müssen diese regelmässig regeneriert werden, um eine Reaktion des Gleichgewichts wiederherzustellen. Bei der Regeneration von Kationenaustauschern wird das Ionentauscher-Prinzip genau umgekehrt: Denn das Ionentauscher-Regenerieren folgt dem Prinzip “Viele Schwächere verdrängen einen Stärkeren”. Hierbei werden einige selektive Ionen durch viele weniger selektive Ionen verdrängt. Konkret wird Salz (NaCl) zugeführt, was zur Folge hat, dass das Natrium (Na+) vom Salz (Na+Cl-) die Calciumionen (Ca2+) verdrängt und am Austauscher-Material verbleibt. Damit die Austauscherharze effektiv funktionieren, müssen die Regenerier-Salze hochkonzentriert sein. Dies hat zugleich zur Folge, dass die Regeneration ein Abwasser mit Salzfracht produziert, die ab einem Härtegrad über 43°fH den vorgegebenen Grenzwert von 200mg/l Natrium der TrinkwV überschreitet – einer der grössten Nachteile der Ionenaustauscher Funktionsweise. Zudem entsteht ein gesenkter pH-Wert.

Während die Ionentauscher-Funktionsweise das Wasser und die Umwelt stark belastet, bietet die Kalkwandler-Funktionsweise einen alternativen und äusserst wirksamen Kalkschutz, der ohne chemische Reaktionen und neue basische Zusammensetzungen im Trinkwasser auskommt: Auch der Kalkumwandler funktioniert mit kleinsten Kügelchen, mit sogenannten Impfkristallen. Diese binden den Kalkanteil im Wasser an sich, sodass einzigartige Kalkkristalle entstehen. Jene besitzen die Besonderheit, sich eben nicht auf Armaturen abzusetzen oder Anlagen und Geräte zu schädigen. Auf diese Weise wird das wertvolle Kalciumcarbonat im Trinkwasser nicht vernichtet, sondern in eine kristalline Form gewandelt, die sich nicht absetzt.

Weiteres Plus des Kalkumwandlers: Das Granulat kommt ohne den höheren Natriumgehalt im Wasser aus. Die Teilentmineralisierung und Beimischung von Natrium beim Ionentausch verändert nicht nur unser Lebenselexier Trinkwasser zu Industriewasser, sondern kann sich darüber hinaus negativ auf die Gesundheit auswirken: Denn natriumhaltiges Wasser wirkt sich erwiesenermassen bei Herz- und Nierenproblemen sowie Bluthochdruck gesundheitsschädigend aus. Aus diesem Grund verbieten etliche Länder die Ionentauscher-Technologie der Trinkwasserentkalkung. Der maitron Katalysator hingegen lässt die Zusammensetzung des Wassers in seiner Natürlichkeit unangetastet.

In unserem Blog finden Sie eine aufschlussreiche “Ionenaustauscher und Kalkwandler Gegenüberstellung”, die auf weitere Aspekte bei der Entkalkung von Wasser eingeht.

Die Kalkwandler Funktionsweise:
So wirken die Impfkristalle.