Ionentauscher

Ionentauscher sind Stoffe (natürlich oder künstlich) die aus Wasser, das gelöste Salze enthält, diese teilweise entfernen kann. Da Salze aus Ionen bestehen, findet hier ein Austausch von Ionen statt, wobei die unerwünschten Ionen in 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.

Wie funktionieren Ionentauscher

Das Prinzip der Ionentauscher ist allgemein, das 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⁺ wird durch Al³⁺. Das "stärkere" Ion vertreibt das schwächere Ion aus der 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 Ionentauscher

Je nachdem welche Art von Ionen entfernt, oder richtiger ausgetauscht werden, nennt man die Ionentauscher, 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 Ionentauscher

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 einem Ionentauscher unerwünschte Salze entfernt werden.

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 spezielle Regenerations-Salze, das immer wieder zugegeben werden muss.

In Wasserfiltern (zum Beispiel "Britta"-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. Die wichtiger Ionentauscher in Waschmitteln ist der Stoff Sasil von der Firma Henkel.

Reinigung von Abwasser ... als Beispiel lässt sich die Reinigung der Abwässer, die beim Galvanisieren, also bei der Herstellung von Metallüberzügen, zurückbleiben. Diese Abwasser enthalten giftige Schwermetall-Ionen, die nicht in Kläranlagen abgegeben werden können. Dadurch wird 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 enthaltener 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.

Quelle: Prof. Blumes Medianangebot: Ionenaustauscher für den Unterricht