Ionenaustauscher

Definition

• Ionenaustauscher sind Vorrichtungen, die es ermöglichen Kationen oder Anionen aus einer Lösung durch andere zu ersetzen.

Aufbau

• Die aktiven Gruppen der Ionenaustauscher sitzen an der Oberfläche eines Trägermaterials.
• Als Trägermaterial werden meist Kunstharze verwendet.

Formen

• Man unterscheidet zwischen Anionenaustauschern und Kationenaustauschern.
• Anionenaustauscher tragen an ihrer Oberfläche kationische Gruppen, an denen das auszutauschende Anion binden kann, während Kationenaustauscher an ihrer Oberfläche anionische Gruppen tragen, an denen das auszutauschende Kation bindet.
• Die Stärke von Anionenaustauschern sinkt mit folgender Reihenfolge der kationischen Gruppe:
  • -NR₃⁺
  • -NHR₂⁺
  • -NH₂R⁺
  • -NH₃⁺
• Die Stärke von Kationenaustauschern sinkt mit folgender Reihenfolge der anionischen Gruppe:
  • -SO3^-
  • -PO3H^-
  • -COO^-

Funktionsweise

• Wird ein Lösung durch den Austauscher gegeben, so treten die enthaltenen Ionen in Konkurrenz zu den bereits an den aktiven Gruppen des Austauschers gebundenen Ionen. Es stellt sich ein kompetitives Gleichgewicht ein.
• Zu Anfang der Säule verdrängen die relativ vielen auszutauschenden Ionen der Lösung noch relativ viele der bereits an die aktiven Gruppen gebundenen Ionen, mit zunehmender Laufstrecke innerhalb des Ionenaustauschers sinkt die Konzentration der auszutauschenden Ionen im Eluat jedoch gegen Null.
• Im Gegenzug steigt jedoch die Konzentration der zuvor gebundenen Ionen des Austauschers im Eluat an.
• Der Austausch erfolgt quantitativ.
• Da Ionenaustauscher auf physikalischen Prinzipien beruhen, können sämtliche als Ionen mit ihnen ausgetauscht werden.

Anwendung

• Wasserenthärtung
  • Ein mit Natrium-Ionen geladener Kationenaustauscher wird vom zu enthärtenden Wasser durchspült. Dabei kommt es zum Ersatz von Calcium- und Magnesium- durch Natrium-Ionen.
  • Zur Regeneration des Austauschers muss er von Zeit zu Zeit mit Natriumchlorid-Lösung durchgespült werden.
• Demineralisierung von Wasser
  • Das zu demineralisierende Wasser wird zunächst über einen stark sauren Kationenaustauscher geleitet, wobei die enthaltenen Kationen gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht werden. Anschließend werden die enthaltenen Anionen mittels eines stark basischen Anionenaustauschers gegen OH^--Ionen ersetzt.
  • Die Regenation erfolgt mit HCl, bzw. NaOH.
• Ionenchromatographie