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Ionenaustauscher – Polymere Alleskönner

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Wasser gehört zu den kostbarsten Gütern auf Erden. Es zu schützen und zu bewahren ist eine ökologische Verpflichtung. Dank der modernen Chemie ist es möglich, Wasser für jede erforderliche Verwendungsform aufzubereiten. Einen wichtigen Beitrag leisten hier lonenaustauscher, deren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten sich über weite Bereiche in lndustrie und Haushalt, Medizin und Forschung erstecken. Die kleinen Polymerperlen funktionieren denkbar einfach: Sie binden unerwünschte Stoffe in Flüssigkeiten und geben dafür unbedenkliche Stoffe ab.

Synthetische, organische lonenaustauscher kommen typischerweise als millimetergroße Polymerkügelchen auf den Markt. Ihre Geschichte ist untrennbar mit der industriellen Entwicklung verbunden. Nicht nur, dass es sie ohne die Polymerwissenschaften und die chemische Industrie nicht gäbe. Eben diese Harze haben dazu beigetragen, dass sich die Energiewirtschaft so rasant entwickeln konnte: von der Dampfmaschine bis zum hochleistungsoptimierten Hochdruckkessel in nicht einmal einhundert Jahren. Bereits die ersten Austauscherharze wurden in den 1930er Jahren in Kraftwerken getestet. Polymere aus Styrol und Divinylbenzol lösten die Harze der frühen Jahre ab. Mit ihnen begann der eigentliche Siegeszug der Ionenaustauscher. Sie konnten ab den 1950er Jahren in großen Mengen mit einheitlichen, genau definierten Eigenschaften hergestellt werden.

Ionenaustauscher – was sie sind, was sie leisten

lonen, das sind kleinste, elektrisch geladene Teilchen. Aus ihnen sind Salze, Säuren und Laugen aufgebaut, in sie zerfallen diese Stoffe mehr oder weniger vollständig beim Lösen in Wasser. Ionenaustauscher haben die Fähigkeit, bestimmte lonen aus Lösungen heraus zu binden und dafür andere mit gleichem Ladungsvorzeichen in die Lösung abzugeben. Austauscher und Lösung bleiben dabei stets elektrisch neutral. Je nachdem, ob positiv oder negativ geladene lonen aufgenommen und abgegeben werden, lassen sich Kationen- bzw. Anionenaustauscher unterscheiden. Der Nutzen dieser Prozesse liegt im Austausch einer Ionensorte gegen eine andere. Durch Entfernen von Calcium- oder Magnesiumkationen lässt sich zum Beispiel Wasser enthärten. An die Stelle der härtebildenden Calcium- und Magnesiumionen in der Lösung treten dabei Natrium- oder Wasserstoffionen. Zusammen mit bestimmten Anionen, nämlich Chlorid bzw. Hydroxid, sind diese die Bausteine des Kochsalzes bzw. des Wassers.

Bei der „Ionenaustausch-Reaktion“ tauschen das frei in der Lösung schwimmende unerwünschte Ion und das auf einer funktionellen Gruppe sitzende, am Ionenaustauscher angebundene Ion ihre Plätze. Diese relativ einfache chemische Reaktion ist die Basis für über fünfhundert in der Praxis eingesetzte Verfahren, bei denen es um die Reinigung von Abwasser, aber auch um die Aufbereitung von Wasser und anderen flüssigen Mitteln geht.

Dieses einfache Prinzip hat eine breite Palette von Anwendungen gefunden. Dazu gehören die Entkalkung von Trinkwasser mit Tischfiltern ebenso wie die Enthärtung von Wasser in der Geschirrspülmaschine – damit an Tassen und Gläsern keine hässlichen Kalkflecken oder -ränder zurückbleiben. Kesselspeisewasser und Kondensat von industriellen Dampfkesselanlagen – etwa in Kraftwerken zur Energieversorgung – werden mit lonenaustauschern vor- und aufbereitet. Wasserenthärtung und -entsalzung sind damit zentrale Einsatzgebiete für lonenaustauscher, sei es in Forschung, Industrie oder Haushalt.

Jeder Ionenaustauscher hat nur eine begrenzte Kapazität, das heißt, er kann nur so viele Ionen austauschen, wie er vorher beim Aktivieren aufgenommen hat. Danach muss er regeneriert werden. lonen, die er beim Austauschprozess gebunden hat, werden dabei wieder freigesetzt und gegen andere Ionen zurückgetauscht. Dazu werden die fast unverwüstlichen Polymerkügelchen zunächst mit Lösungen von Salzen, Säuren oder Basen gespült und anschließend mit Wasser gewaschen. So regeneriert, ist der Austauscher wie neu: Er kann wieder eingesetzt werden, bis sein Ionenvorrat erschöpft ist. Sein „Leben“ besteht somit aus einem ständigen Wechselspiel von Austausch und Regenerierung.

Ultrareines Wasser für die Produktion von Halbleiterbauelementen

Viele Bereiche von Industrie, Forschung und Entwicklung sind bei ihrer Arbeit auf Wasser angewiesen, das ganz besondere Reinheits- und Qualitätsanforderungen erfüllen muss. Dieses so genannte ultrareine Wasser (ultrapure water – UPW) wird zum Beispiel in den komplexen Prozessen der Halbleiterproduktion benötigt. Auch die pharmazeutische Industrie, die Medizin- und Raumfahrttechnik setzen hochreines Wasser ein. Gerade bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, zu denen neben Mikrochips, LCD und OLED-Displays zum Beispiel auch photovoltaische Zellen zählen, steigen die Anforderungen an die Reinheit des verwendeten Wassers kontinuierlich mit jeder neuen Generation der Bauelemente. Je kleiner die Abmessungen der elektronischen Baugruppen, umso sensibler reagieren die Produktionsprozesse nicht nur auf Fremd-Ionen und gelöste organische Verunreinigungen im Wasser, sondern auch auf die Anwesenheit mikro- und nanoskaliger Partikel. Nur speziell gefertigte Ionenaustauscher können die immer weiter steigende Kundenanforderungen bedienen.

Ionenaustauscher leisten unter anderem einen wichtigen Beitrag in der industriellen Wasseraufbereitung, wie der Herstellung von ultrareinem Wasser.

Foto: LANXESS AG

Wasseraufbereitung in der Industrie

In den Wasserdampf-Kreisläufen der Kraftwerke sind Ionenaustauscher für die Vorbereitung des Kesselspeisewassers, aber auch für die Aufbereitung des Kondensats zuständig. Die großen Mengen des Betriebsstoffs Wasser, die hier benötigt werden, lassen sich so nahezu verlustfrei im Kreislauf führen. Dies bedeutet einen ökonomischen Vorteil, aber auch einen Beitrag zur Ressourcenschonung.

An die Reinheit des Kesselspeisewassers werden in modernen Großkraftwerken hohe Anforderungen gestellt. Denn Härtebildner und Verunreinigungen, aber auch der gelöste Sauerstoff, würden unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen rasch zu Ablagerungen in Kesseln und Leitungen sowie zu unkontrollierbarer Korrosion der metallischen Anlagenteile führen. lonenaustauscher und Katalysatoren auf Austauscherbasis verhindern dies. Sie leisten so einen Beitrag zum störungsfreien Betrieb und damit zur Sicherheit unserer Kraftwerke.

Kühlkreisläufe in vielfältigen Anlagen der lndustrie und der Energiewirtschaft stellen besonders hohe Ansprüche an das verwendete Wasser. Auch für diese Anwendung gibt es Spezialaustauscher, die noch viel mehr können als Wasser enthärten. Derartige High-Tech-Produkte garantieren den störungsfreien und wartungsarmen Betrieb komplexer lndustrieanlagen über lange Zeit. Die industrielle Gewinnung von Reinwasser ist damit ein wesentlicher Markt für Ionenaustauscherharze. Nicht nur in Kraftwerken, sondern überall, wo Wasser ein bedeutender Einsatzstoff ist: in Raffinerien, chemischen Betrieben, in der Textil- und Papierindustrie und in vielen weiteren Industriezweigen.

Ionenaustauscherharze werden in Kraftwerken dazu eingesetzt, um z.B. aus Oberflächenwasser (rechts) Kesselspeisewasser herzustellen. Dabei können in vielen Fällen organische Verunreinigungen (TOC) weitgehend entfernt werden. TOC ist unerwünscht, da es zur Bildung von Kohlenstoffdioxid oder organischen Säuren kommen kann, welche die Korrosion im Kraftwerksbetrieb begünstigt.

Foto: LANXESS AG

Lebensmitteltechnologie

Wasser ist ein wichtiger Einsatzstoff in der Lebensmittelindustrie. Dies gilt vor allem in der Getränkeindustrie, denn hier ist zum Beispiel Wasser der Hauptbestandteil bei Softdrinks. Auch bei der Herstellung anderer Getränke spielen lonenaustauscher eine wichtige Rolle: Fruchtsäfte, aber auch Molke, werden mit ihrer Hilfe entsäuert oder entsalzt. Und dass manches Getränk besser schmeckt, wenn es mit kalkarmem Wasser zubereitet wird, wissen viele von uns vom Tee oder Kaffee. Auch hier kommen lonenaustauscher zum Einsatz, sowohl in der Gastronomie zum Beispiel in Kaffeevollautomaten, als auch im Haushalt in Form von handlichen Wasserfiltern. Eine der wichtigsten Anwendungen im Lebensmittelbereich ist die Herstellung von Zucker und Glukosesirup. Wenn in der sogenannten Raffination aus Rohzucker der strahlend weiße, kristalline Feinzucker entsteht, ist dies zu einem erheblichen Teil solchen lonenaustauschern zu verdanken. Sie entfernen zum einen Salze aus den Rohlösungen, die sonst den süßen Geschmack verfälschen würden. Sie entziehen diesen Lösungen aber auch die gelben bis braunen Inhaltsstoffe, die dem Rohzucker seine Farbe geben.

Auch für eine Reihe von Spezialanwendungen sind die Polymerkügelchen die Materialien der Wahl: etwa um Restzucker aus Melasse zu gewinnen oder wenn Traubenzucker von Fruchtzucker getrennt werden soll, werden die Rohlösungen über mit Ionenaustauschern gefüllte Säulen geleitet. In diesem als Chromatographie bezeichneten Verfahren werden die verschiedenen Inhaltsstoffe der Lösungen voneinander getrennt.

lonenaustauscher zur Gewinnung von Batteriematerialien

Die Gewinnung von hochreinem, batteriefähigem Lithium, Kupfer, Nickel und Kobalt ist essentiell, um die Umstellung auf Elektromobilität voranzutreiben. Ionenaustauscherharze bewähren sich schon länger in der Extraktion und Gewinnung von hochreinem, batteriefähigem Kupfer, Nickel und Kobalt aus Erzmaischen (Resin-In-Pulp). Ebenso werden Ionentauscher für die Feinreinigung von Nickel- und Kobaltkonzentraten für die Herstellung von hochreinem Kobalt und Nickel eingesetzt. Die vier Metalle sind Bestandteil von Aktivmaterialien für Zellenkathoden der Lithium-Ionen-Batterien. Der Einsatz von Ionenaustauschern führt zu hocheffizienten Raffinationsverfahren, mit denen leistungsfähige Batterien mit guter CO2- und Wasser-Bilanz hergestellt werden können.

lonenaustauscher zur Abwasserbehandlung

Spezielle lonenaustauscher werden vor allem in der galvanischen und metallverarbeitenden lndustrie zur Aufbereitung metallhaltiger Abwässer eingesetzt. Beispiele dafür sind Technologien, um galvanische Spülwässer zu entsalzen und nach der Reinigung im Kreis zu führen, Schwermetalle selektiv zu entfernen oder wertvolle Metalle aus galvanischen Spülwässern zurückzugewinnen.

Die industrielle Aufbereitung von Wasser ist ein wesentliches Einsatzgebiet für Ionenaustauscherharze – nicht nur in Kraftwerken, sondern überall, wo Wasser ein bedeutender Betriebsstoff ist: in Raffinerien, chemischen Betrieben, in der Textil- und Papierindustrie und in vielen weiteren Industriezweigen.

Die Rezyklierung von Wasch- und Spülwässern in der Galvanoindustrie hat beispielsweise dazu geführt, dass sich mit Hilfe von Ionenaustauschern bis zu 95 Prozent Frischwasser einsparen lassen. Zusätzlich konnte so häufig die Qualität des Spülwassers noch verbessert werden. Und wenn dann noch Wert- oder Edelmetalle aus den Bädern zurückgewonnen werden können, ist dies ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil: Aus Abfall wird Rohstoff.

Schon diese wenigen Beispiele lassen erkennen, welche Bedeutung Ionenaustauscher für den produktionsintegrierten Umweltschutz haben. Aber auch bei der Sanierung von Altlasten leisten sie wichtige Beiträge: bei der Reinigung schwermetallhaltiger Wasser, etwa aus der Rauchgaswäsche oder aus Deponiesickerwasser ebenso wie bei der Dekontamination von Böden. Bei der Grundwassersanierung können neben zahlreichen Schwermetallionen und ionischen Komplexen auch chlorierte Kohlenwasserstoffe und andere, organische Verunreinigungen, speziell Aromaten, entfernt werden. Schadstoffe können bis in den ppb-Bereich hinab entfernt werden.

Lebenszyklus eines Austauscherharzes

Aufwand und Umweltbelastung bei der Herstellung fallen aufgrund der Iangen Lebensdauer im Betrieb kaum ins Gewicht. Hochentwickelte Regeneriertechniken, zum Beispiel die Gegenstromverfahren, sorgen dafür, dass auch im Betrieb Umwelt und Ressourcen geschont werden. So gelingt es, die Salzfracht beim Regenerieren erheblich zu senken. Und wenn nach meist mehreren zehntausend Regenerierzyklen auch diese fast unverwüstlichen, kleinen Kunststoffperlen schließlich zu Abfall werden, lassen sie sich in vielen Fällen thermisch verwerten. Dabei stellen sie einen erheblichen Teil der Energie erneut zur Verfügung, die bei ihrer Produktion aufgewendet wurde.

lonenaustauscher, in lndustrieanlagen als Träger für katalytisch aktive Metalle eingesetzt, können Jahrzehnte überdauern. Die Katalysatoren, die sie tragen, bleiben nämlich im Betrieb an ihrem Platz. Ihre bloße Anwesenheit genügt, um den Verlauf chemischer Reaktionen zu steuern. So ermöglichen beispielsweise mit Palladium dotierte Anionenaustauscher zum Korrosionsschutz von Analagenbauteilen die Entfernung von Sauerstoff aus Wasser bis hinunter in den ppb-Bereich. Diese Harze sind oft noch voll funktionsfähig, wenn die Anlage, in der sie ihren Dienst tun, nach vielen Jahren abgerissen wird.

Autor: Dr. Stefan Neufeind, Leiter Technisches Marketing Ionenaustauscher im Geschäftsbereich Liquid Purification Technologies der LANXESS Deutschland GmbH       
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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