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Ionenaustausch – ein Verfahren zur Wasseraufbereitung

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03.04.2014 Beim Entsalzen darf nichts zurückbleiben! Als Technologie zur vollständigen Wasserentsalzung findet der Ionenaustauscher Anwendung in Form des stark sauren Kationenaustauschers und stark basischen Anionenaustauschers. Dabei können sich beide Typen in einem Behälter (Mischbettanlagen) oder in zwei verschiedenen Behältern befinden (Getrenntbettanlagen).  

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Als Technologie zur vollständigen Wasserentsalzung findet der Ionenaustauscher Anwendung in Form des stark sauren Kationenaustauschers und stark basischen Anionenaustauschers.
  • Dabei können sich beide Typen in einem Behälter (Mischbettanlagen) oder in zwei verschiedenen Behältern befinden (Getrenntbettanlagen).
  • Die Funktion des Austausches ist in beiden Systemen identisch. Haupteinsatzgebiet ist heute die Vorbehandlung bei Destillationsanlagen oder die Entsalzung des Wassers vor einem Dampferzeuger.


Funktionsweise in beiden Systemen identisch

Mischbettanlagen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine homogene Mischung beider Austauschertypen enthalten. Die dicht beieinander liegenden Kationen- und Anionenharze bilden praktisch eine lange Kette mit aufeinanderfolgenden Austauschprozessen; dies hat eine deutlich bessere Produktwasserqualität zur Folge im Vergleich zu zwei einzelnen Behältern mit den beiden getrennten Harztypen. Die vollständige Entsalzung wird erst dann erreicht, wenn das Wasser den zweiten Behälter passiert hat. Allerdings bedeutet ein Mischbettfilter einen höheren Chemikalienverbrauch bei der Regeneration im Vergleich zur Getrenntbettanlage. Der Einsatz derartiger Mischbettfilter ist also auf Wässer mit einem normalen Salzgehalt, so wie er im Trinkwasser auch gegeben ist, begrenzt.

Die Funktion des Austausches ist in beiden Systemen identisch. Haupteinsatzgebiet dieser Anlagen ist heute die Vorbehandlung bei Destillationsanlagen oder die Entsalzung des Wassers vor einem Dampferzeuger.

Nicht ionisierte Verbindungen werden nicht ausgetauscht. Daher werden die organischen Wasserinhaltsstoffe – abgesehen von absorptiven Effekten – nicht entfernt. Zu diesen Verbindungen gehören auch die kolloidalen Wasserinhaltsstoffe. Die sorgfältige Analyse des aufzubereitenden Wassers erlaubt Rückschlüsse auf derartige Verbindungen und die dann notwendigen zusätzlichen vorgeschalteten Filtrations-, Fällungs- oder Flockungsverfahren.

Das aufzubereitende Wasser muss auch auf erhöhte Gehalte von Eisen- und Manganverbindungen geprüft werden. Gehalte von
0,3 mg/l und mehr sind nicht mehr wirtschaftlich in der Betriebsweise. In solchen Fällen sind geeignete Vorbehandlungen – zum Beispiel Enteisenung – erforderlich. Beim Einsatz von Trinkwasser ist dies gegeben. Auch spielt die Wassertemperatur eine gewisse Rolle. Temperaturen deutlich unter 10 °C vermindern die Leistung merklich. Die tatsächlich nutzbare Austauscherkapazität (NK) ist das in der Anlage nutzbare Aufnahmevermögen an Ionen pro Liter Ionenaustauscher:

  • NK = val/l Harz

Die NK liegt immer deutlich unter der Totalkapazität, die üblicherweise von den Harzherstellern angegeben wird. Dies verdeutlicht folgendes Beispiel:

  • Totalkapazität: 1,96 val/l Harz
  • tatsächliche Kapazität: maximal 1,60 val/l Harz (abhängig von den Betriebsbedingungen)

Die spezifische Belastung der Anlage berücksichtigt die erforderliche Kontaktzeit. Sie erlaubt eine Aussage über die tatsächliche Durchsatzmenge an aufzubereitendem Wasser für 1 m3 Ionenaustauscherharz. Die spezifische Belastung ist eine Angabe des Herstellers, beispielsweise 20 bis 40 Bettvolumen (BV).
1 BV = 1m3 Wasser pro m3 Ionenaustauscher
Nach erfolgter Arbeitsleistung ist jeder Ionenaustauscher beladen und muss regeneriert werden. Der praktische Verbrauch an Regenerationschemikalien ist immer höher als in der Theorie erforderlich. Je nach Ionenaustauschertyp und Technologie kann der Unterschied bis zu 100 % und mehr betragen.

Das Entfernen der einzelnen Ionen (positiv und negativ geladene Bausteine der gelösten Salze) mit Ionenaustauschern beruht auf der Einstellung des chemischen Potenzials der beiden Komponenten. Die Aufnahmemenge der einzelnen Ionen ist gegeben durch die vorhandene große Menge an Äquivalenten (funktionellen Gruppen, aktiver Baustein) je Volumeneinheit oder Gewicht Ionenaustauscher. Die Gleichgewichtskonstante für das chemische Potenzial ist sehr groß. Dies bedeutet, dass die Gegenreaktion, nämlich die Ablösung der gebundenen Ionen aus dem Ionenaustauscher, nicht so einfach möglich ist. Die Gleichgewichtsreaktion wird durch die verfahrenstechnische Auslegung der Anlage in die gewünschte Richtung gebracht oder durch ein Überangebot einer Komponente gesteuert. Wichtig ist aber die Kenntnis, dass der Austausch wirklich eine Gleichgewichtsreaktion ist, die in beide Richtungen ablaufen kann.

  • Harz (regeneriert) + Ion <-> Ion-Harz (beladen).

Die Gleichgewichtseinstellung wird deutlich, wenn Wasser in dem Behälter mit Ionenaustauscher steht.

Unter diesen Umständen kann sich das Gleichgewicht leicht einstellen. Es tritt der bekannte Schlupf ein – aufgrund der unterschiedlich beladenen Harzbausteine und der Komponentenkonzentrationen. Aus diesem Grund hat das Behälterwasser nach einem Stillstand immer eine etwas höhere Leitfähigkeit, die durch eine hohe Konzentration an gelösten Salzen hervorgerufen wird.

Bild 1 zeigt die chemische Struktur des stark sauren Kationenaustauschers und des stark basischen Anionenaustauschers. Die Bezeichnung „stark“ kommt aus der Chemie, da dieser Begriff den Hinweis auf die Herkunft von starken Säuren bzw. Basen liefert. Durch die Polymerisation entsteht ein in Wasser unlösliches Gerüst mit großen Hohlräumen, in die Wasser eindringen kann. Andererseits erklärt diese Struktur, dass ein „Verstopfen“ dieser Hohlräume, beispielsweise durch Kolloide, zu einer Reduzierung der Leistung führt.

Der Kationenaustauscher enthält die Sulfonsäure als Ankergruppe, die im Austauschervorgang das H+ gegen die verschiedenen anderen Kationen austauschen kann. Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus:

  • H+-Harz + Na+ oder Ca++ -> Na-Harz oder Ca-Harz + H+

Der Anionenaustauscher enthält die Ammoniumgruppe als Ankergruppe, die im Austauschervorgang OH- gegen die verschiedenen anderen Anionen austauschen kann. Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus:

  • OH-Harz + Cl- -> Cl-Harz + OH

Bei dem Austauschervorgang werden immer äquimolare Mengen ausgetauscht, das heißt die Neutralität bleibt immer vorhanden.

Die im Behälter vorhandenen Ionenaustauscher sind Kugeln unterschiedlicher Größe oder neuerdings auch einheitlicher Korngröße. Bild 2 zeigt schematisch ein Korn eines Kationenaustauschers aus einem Enthärter. Typische Korngrößen sind 0,3 bis 1,2 mm Durchmesser. Der Ionenaustauschvorgang findet auch im Inneren der Ionenaustauscherkugeln statt. Die austauschbaren Ionen sind im Inneren des Korns frei beweglich, lediglich die Ankergruppen sind fest. Die oft zu hörende Aussage, der Austauschervorgang spielt sich lediglich auf der Oberfläche ab, ist definitiv falsch.

Für die Regeneration werden die Konzentrationsverhältnisse stark verändert. Da es sich bei diesen Reaktionen um Gleichgewichtsreaktionen handelt, kann durch diese Maßnahme die Umkehrung der Beladung leicht erreicht werden. Es handelt sich bei diesen chemischen Reaktionen um reversible – also umkehrbare – Reaktionen je nach den speziellen chemischen Gegebenheiten. Je nach Anwendungsfall kann dies sowohl mit Säure bzw. Lauge aber auch mit den geeigneten Salzen geschehen.

Auf dem Rückzug: Vollentsalzung
Die Wasservollentsalzung bedeutet das vollständige Entfernen aller Salze aus dem aufzubereitenden Wasser. Eine Entfernung anderer Wasserinhaltsstoffe erfolgt nicht. Daher ist das übliche Verfahren für diese vollständige Entsalzung der Einsatz eines stark sauren Kationenaustauschers und eines stark basischen Anionenaustauschers. Die Kombination beider Austauscher kann sowohl in einer Anlage aus zwei Behältern (Kationenaustauscher und Anionenaustauscher in getrennten Behältern hintereinander) als auch in einem Behälter mit beiden Austauschern erfolgen (Mischbettanlagen).

Bei den Getrenntbettanlagen ist die Regeneration mit Säure für den Kationenaustauscher bzw. Lauge für den Anionenaustauscher technisch einfach zu realisieren, da die Austauschertypen in getrennten Behältern vorliegen.

Bei den sogenannten Mischbettanlagen kann aufgrund der innigen Harzmischung zwar eine bessere Produktqualität erhalten werden (Leitfähigkeit unter 0,1 µS/cm), doch müssen beide Komponenten für die Regeneration erst getrennt werden. Durch die unterschiedliche Dichte der eingesetzten beiden Ionenaustauscher kann zur Regeneration die Trennung in die Komponenten erfolgen (analog dem Getrenntbett nur in einem Behälter). Nach der Regeneration kann wieder eine Harzmischung für die Betriebsphase hergestellt werden. Zu Beginn einer Regeneration in Mischbettanlagen werden die beiden Komponenten daher im aufströmenden Wasser aufgrund der Dichteunterschiede getrennt. Dabei sinken die schweren Kationenharze nach unten und die leichteren Anionenaustauscher bleiben darüber. Nun werden beide Komponenten mit der entsprechenden Chemikalie regeneriert. Dabei ist sorgfältig darauf zu achten, dass die Regenerierchemikalien sich nicht vermischen. Dies bedeutet zwangsläufig eine Qualitätsverminderung des Produktwassers. Praktisch geschieht dies in der Weise, dass unter vergleichbaren hydraulischen Bedingungen von oben und unten in die Anlage eingespeist und in der Mitte das Gemisch aus dem Behälter wieder entfernt wird. Nach dem Einspeisen der erforderlichen Regeneriermittelmenge wird mit Wasser gespült. Somit werden alle Regenerationschemikalien wieder sicher entfernt. Zum Abschluss werden die beiden Komponenten wieder mit Druckluft gemischt, und das Beladen der Ionenaustauscher mit Anionen bzw. Kationen aus dem zu entsalzenden Wasser erfolgt erneut. Aufgrund der Probleme mit den Chemikalien (notwendige Neutralisation der Abwässer) und dem immer latenten mikrobiologischen Problem ist das Vorkommen dieser Technik heute stark zurückgegangen.

Teilentsalzung durch Entcarbonisierung
Die Teilentsalzung zur Wasseraufbereitung stellt einen Spezialfall dar: Wenn ein Wasser bestimmte Inhaltsstoffe – zum Beispiel nur Carbonathärte – hat, kann durch den Einsatz eines schwach sauren Kationenaustauschers eine ausreichende Entsalzungswirkung erreicht werden. In diesem Fall liegt der schwach saure Austauscher in der Wasserstoffform vor, d. h. ist mit Wasserstoffionen (H+) beladen. Chemisch gesehen wird das zu behandelnde Wasser entcarbonisiert, daher auch die Bezeichnung Entcarbonisierung für diese Art der Wasserbehandlung.
Alle an schwache Säuren gebundenen Kationen werden gegen Wasserstoffionen ausgetauscht. In natürlichen Wässern ist diese schwache Säure praktisch nur die Kohlensäure. Bei diesem Vorgang bildet sich entsprechend der Menge vorhandener schwacher Säuren dann die äquivalente Menge Kohlensäure im behandelten Wasser
(Bild 3). Die Kohlensäure muss anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt entfernt werden, da ansonsten mit einer schlechteren Produktqualität im Permeat nach einer Umkehrosmoseanlage zu rechnen ist.

Da die Affinität der Erdalkali-Ionen, also der Härtebildner, zu den schwach sauren Ionenaustauscherharzen nicht so stark ist wie beispielsweise zu den stark sauren Austauschern in den Enthärtern, ist mit einem Schlupf dieser Ionen zu rechnen. Dementsprechend sind Anlagen dieser Art genauer zu kontrollieren. Diese Technologie ist nur in Spezialfällen, nämlich bei hohen Carbonathärten und fehlenden Neutralsalzen (Natriumchlorid), interessant.

Dieser Text ist ein Auszug aus dem Praxisbuch „Reinstwasser“ vom Maas & Peither GMP-Verlag, Schopfheim.

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Heftausgabe: März 2014
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Dr. Herbert Bendlin, selbstständiger  Consultant

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