Grundprinzip:

Grundprinzip eines Ionenaustauschers:

Ionenaustauscher (häufig auch kurz Ionentauscher genannt) nehmen gelöste Ionen  (das sind Kationen*1 oder Anionen*2) aus einer Lösung*3  auf und geben dafür eine entsprechende Menge anderer Ionen gleicher Ladung, die im Ionenaustauscher gebunden sind, ab.
Deshalb Ionen- Austauscher.
*1 Kationen:    Positiv geladene Ionen
*2 Anionen :    Negativ geladene Ionen
*3 Lösung  :     Bezeichnung für ein homogenes Gemisch aus 2 oder mehreren reinen Stoffen.

Einige Ionen werden stärker an den Ionentauscher gebunden als andere.
Genauer formuliert: Höher geladene Ionen werden stärker angezogen als niedriger geladene.

Dieses Verdrängungsprinzip beruht auf der elektrostatischen Anziehungskraft (Coulomb-Kraft) eines Ions. Das Ion, welches aus der Lösung (Wasser) entfernt werden soll, wird stärker angezogen als die im unbeladenen Ionentauscher eingebundenen Ionen.
Beispiel: Das Na+ wird im Kationentauscher durch das im Wasser befindliche  Ca2+ verdrängt.

Sind Ionen gleichrangig, dann verdrängt das schwerere Ion das leichtere Ion.

Es gibt Kationen- und Anionentauscher:
Kationentauscher tauschen Kationen aus.
Anionentauscher tauschen Anionen aus.
Kationen sind positiv geladene Ionen.
Anionen sind negative geladene Ionen.

Für die Wasseraufbereitung ist „DAS“ Beispiel für Kationentauscher die Wasserenthärtung.
Unter Wasserenthärtung ist die Beseitigung der im Wasser gelösten Kationen
Ca2+ (umgangssprachlich: Kalk) und Mg2+ zu verstehen.

Mit der Wasserenthärtung (der Entfernung von Ca2+ und Mg2+ ) werden Ablagerungen von Kalk (allgemein auch als Kesselstein bekannt) in Rohrleitungen und Geräten verhindert.
Durch die Vermeidung der Bildung von Kalk können Energie- und Reparatur- Folgekosten eingespart werden.

Anionentauscher tauschen Anionen aus.
Anionentauscher kommen meistens in Hintereinanderschaltung mit Kationentauschern vor.
Anwendungsbeispiel hierfür ist die Herstellung von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser). Häufig wird für VE-Wasser auch der Begriff entmineralisiertes Wasser verwendet.

 

Verfahren
 

Schemabild: Kristallgitter Kationenaustauscher

    
 

Bildbeschreibung:
Das gezeichnete Gitter stellt beispielsweise das Kristallgitter von Zeolithe dar.
Linke Seite: Die Hohlräume sind mit Natriumionen ausgefüllt.
Beim Vorbeiströmen von Calcium belastetem Wasser lagern sich Calcium Ionen bevorzugt im Trägergitter ein, z.B. im Trägergitter der Zeolithe Molekühle, da sie 2-fach positive geladen sind.

Beim Herstellungsprozess eines Kationentauschers bzw. bei dessen Regeneration wird das  molekulare Trägergitter mit  Kationen beladen.

Soll Wasser enthärtet werden, dann werden Kalzium-Ionen (Ca2+) bzw. Magnesium-Ionen (Mg2+) aus der Lösung (Wasser) gegen Natrium-Ionen (Na+) ausgetauscht.

Beispiel der Kationenaustauscher - Reaktionen:

 

Beschreibung:
KAT steht für Kationenaustauscher.
SO3  „sei ein Beispiel“ an das Na bzw. Ca gebunden sein kann.
(SO3 = Schwefeltrioxid, stark hygroskopische Kristalle)

Reaktionsgleichung in Worten:
Zu (I):    
Im Kationentauscherharz werden die positiv geladenen Calciumionen (Ca2+) und Magnesiumionen (Mg2+) gegen je 2 Natriumionen  (2 Na+ ) ausgetauscht.
Zu(II):    
Bei der Regeneration geschieht der Prozess umgekehrt: Dazu wird  Salz (NaCl) zugeführt. Das Natrium (Na+) vom Salz (Na+Cl-) verdrängt die Calciumionen (Ca2+) und verbleibt am KAT.  Das frei werdende Chlor geht ins Wasser und verflüchtigt sich.

 

Anionentauscher tauschen Anionen aus.
Anionentauscher kommen häufig in Hintereinanderschaltung mit Kationentauschern vor.
Anwendungsbeispiel hierfür ist die Herstellung von vollentsalztem Wasser (VE-Wasser).
Häufig wird für VE-Wasser auch der Begriff entmineralisiertes Wasser verwendet.

Beim Prozess der Wasseraufbereitung, also beim Durchströmen des Kationentauschers von einer Lösung (Wasser) werden die in der Lösung befindlichen Kationen
gegen andere Kationen des Kationentauschers ausgetauscht.
Das Ergebnis:
Aufbereitetes, gereinigtes Wasser.

Vollentsalzung mittels Ionenaustauscher:
Entsalzung und Enthärtung mittels Ionenaustauscher finden wir:
Haushalts-Wasserfiltern zur verbesserten Trinkwasserqualität
VE-Wasser (VE  steht für Voll entsalzt).
Weitere Anwendungsbereiche wie: Autowasserkühler, im Gemisch mit Frostschutzmittel
Dampfbügeleisen, Luftbefeuchter, Labore.

Vollentsalzungsanlagen als Ionenaustauscher gibt es sowohl in der  Hintereinanderschaltung von Kationen- und Anionen-Tauscher  (d.h. 2 getrennte Filterpatronen),
als auch in der Zusammenführung beider Komponenten zu einem Mischbettionentauscher (nur 1 Filterpatrone), in dem zwei verschiedene Harze in einer Patrone miteinander gemischt sind.

 

                                                             
In Worten:
Im Kationentauscherharz werden die positiv geladenen Ionen (Na+) der Salzlösung
gegen  H+ Ionen ausgetauscht und
im Anionentauscherharz werden die negativ geladenen Ionen (Cl -) der Salzlösung
gegen  (Hydroxidionen)  OH -  ausgetauscht.
Erfolg:
Im Eingang fließt Salzlösung hinein, am Ausgang kommt reines Wasser (H2O) heraus.

Ionenaustauscher findet man beispielsweise als:
-     In  Säulen gefüllte Harze als Block oder als Granulat (traditionelles Verfahren)
-     Ionenaustausch-Membranen (selektives, Ionen spezifisches Trennverfahren)
-     Additive im Waschmittel

Vorteile von Ionentauschern:
Beispiel:
Wasserenthärtungsmaßnahmen führen bei vielen Anlagen zur Einsparung von Reinigungs- und
Wartungsarbeiten, es vermindert sich die Störanfälligkeit und der Ausfall von Geräten und Anlagen und dadurch können Betriebskosten eingespart werden.

Nachteile von Ionentauschern:
Ungeladene organische und anorganische Substanzen passieren ohne chemische Reaktion oder Bindung den Ionenaustauscher.  Die Einbettung von suspendierten Partikeln* ist eine ungewollte Verunreinigung des Ionenaustauscherharzes und verkürzt dessen Betriebsdauer.
(Gegenmaßnahme: Einbau Vorfilter)
* Suspendierte Partikel umfassen z.B.: Schlamm/Sedimente, Ablagerungen von Rohrleitungen, Kolloide.