Ionenaustauscher
Ionenaustauscher oder Ionentauscher ist ein Sammelbegriff für Vorrichtungen, mit denen bestimmte Ionen einer Lösung gegen andere Ionen gleichnamiger Ladung getauscht werden können. Dadurch lassen sich Stoffe aus einer Lösung entfernen.
Allgemein verläuft die Arbeit mit Ionenaustauschern immer nach folgendem Grundschema: Die Lösung wird durch ein poröses, festes Material geleitet. Meist nutzt man als festes Material Mineralien aus der Gruppe der Zeolithe oder besonders vorbehandelte, synthetische Kunstharze, die große komplexe Moleküle enthalten. Bestimmte Ionen in der Lösung ersetzen dann Ionen oder Ionengruppen im Zeolith oder im Harz, aus dem sie anschließend ausgewaschen werden können. Durch geeignete Wahl des pH-Wertes, der Zusammensetzung und der Konzentration der Lösung sowie der Art des porösen Materials kann man bestimmte Ionen aus der Lösung mehr oder weniger gezielt entfernen.
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.
In Geschirrspülmaschinen dienen Ionenaustauscher der Entkalkung des Wassers zur Verhinderung der Entstehung von Kalkseife. Diese Ionenaustauscher benötigen Regeneriersalz.
Ionentauscher sind natürliche oder künstliche Stoffe, die gelöste Salze aus Wasser teilweise entfernen können. Da Salze aus Ionen bestehen, findet hier ein Austausch von Ionen statt, wobei die unerwünschten Ionen in der Lösung durch Ionen ersetzt werden, die zum Ionenaustauscher-Material gehören. Im Ionentauscher findet ebenfalls ein Austausch statt, wodurch die in der Lösung unerwünschten Ionen festgehalten werden. Eine natürliche Bedeutung haben diese vor allem im Boden in Form des Kationen-Austauschs. Hiervon abgeleitet werden jedoch auch künstliche Austauscher zur Altlastensanierung verwendet um gezielt bestimmte Ionen aus Gewässern und Böden zu entfernen.
| Inhaltsverzeichnis |
Wie funktionieren Ionentauscher
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 unbeladenen Zustand vorhandenen Ionen, die beim Austausch abgegeben werden.
Ein Ionenaustauscher kann nur so solange funktionieren, wie Ionen vorhanden sind, die verdrängt werden können. Man bezeichnet diesen Austausch auch das Beladen des Austauschers.
Arten von Ionentauschern
Je nachdem welche Art von Ionen entfernt, oder richtiger ausgetauscht werden, nennt man diese Ionentauscher entweder Kationentauscher oder Anionentauscher. Beispiele:
- Zeolithe (natürlich oder künstlich, z.B. Sasil)
- Tonmineralien
- Aluminiumoxid
- (faulendes) Holz
- Chlorophyll
- Kunstharz-Ionenaustauscher
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
Verwendung von Ionentauschern
Ionentauscher werden sehr oft zur Enthärtung von Wasser verwendet.
- Herstellung von destilliertem Wasser ... entgegen dem Namen ist dies meist nicht Wasser, das durch Destillation gereinigt wurde, sondern in den meisten Fällen handelt es sich bei diesem Wasser eigentlich um entmineralisiertes Wasser, aus dem mit Hilfe von Kationen- und Anionentauschern unerwünschte Salze entfernt werden. Häufig findet man für dieses Wasser die Bezeichnung VE-Wasser (voll entsalzt).
- In Geschirrspülmaschinen ... hier werden Ionenaustauscher verwendet, um die Maschine vor Ca2+- und Mg2+-Ionen zu schützen, die zu Kalkablagerung 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.
- In Wasserfiltern (zum Beispiel "Brita"-Filter) ... 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 Kalkgehalt des Wasser herabsetzten um die Bildung von Kalkseifen zu verhindern. Dadurch wird weniger Waschmittel benötigt. Ein wichtiger Ionentauscher in Waschmitteln ist der Stoff Sasil von der Firma Henkel.
- 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.
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 Dialyse (Chemie) 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 elektrisch geladene chemische Gruppen (z.B. COO-, SO3-, PO4-, NR4+,) über kovalente Bindungen fixiert sind. Die Gesamtladung der Membran wird durch mobile Gegenionen ausgeglichen, die in der wässrigen Membranphase gelöst sind. Diese mobilen Gegenionen können durch andere mobile Ionen mit gleichem Ladungsvorzeichen ausgetauscht werden, sobald die Membran in Kontakt zu einer Salzlösung gebracht wird. Folglich können alle Ionen mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die mobilen Gegenionen diese Membran passieren, während entgegengesetzt geladene Ionen - welche das gleiche Ladungsvorzeichen besitzen wie die fixierten Ionen des Membrannetzwerkes - abgewiesen werden. Dieser Mechnismus 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.