Während viele von uns von Ionenaustauscherharzen (IX) gehört haben, wissen nur wenige von uns, wie diese Technologie tatsächlich funktioniert. Ob Sie nun potenzielle Behandlungsstrategien abwägen, nach Möglichkeiten suchen, das Beste aus Ihren vorhandenen IX-Harzen herauszuholen, oder einfach nur neugierig auf die IX-Chemie sind, Sie fragen sich vielleicht: „Was ist ein Ionenaustauschharz und wie funktioniert es?“

Was auch immer Ihre Ziele sind, dieser Artikel wird Ihnen helfen, bessere Entscheidungen über die richtigen Wasseraufbereitungsstrategien für Ihre Anlage zu treffen, indem er Ihnen hilft, die IX-Harztechnologie besser zu verstehen und wie sie eine Vielzahl von Wasseraufbereitungs- und Trennungsbedürfnissen erfüllt.

Was sind Ionenaustauscher?

Ionenaustausch ist eine reversible chemische Reaktion, bei der gelöste Ionen aus einer Lösung entfernt und durch andere Ionen mit der gleichen oder einer ähnlichen elektrischen Ladung ersetzt werden. Das IX-Harz ist kein chemischer Reaktant an sich, sondern ein physikalisches Medium, das die Ionenaustauschreaktionen erleichtert. Das Harz selbst besteht aus organischen Polymeren, die ein Netzwerk aus Kohlenwasserstoffen bilden. In der gesamten Polymermatrix befinden sich Ionenaustauschstellen, an denen so genannte „funktionelle Gruppen“ aus entweder positiv geladenen Ionen (Kationen) oder negativ geladenen Ionen (Anionen) an das Polymernetzwerk gebunden sind. Diese funktionellen Gruppen ziehen leicht Ionen mit entgegengesetzter Ladung an.

Welche physikalischen Eigenschaften haben IX-Harze?

Die geometrische Form, Größe und Struktur von IX-Harzen kann von einem Typ zum anderen variieren. Die meisten IX-Austauschsysteme verwenden ein Harzbett, das aus winzigen, porösen Mikrokügelchen besteht, obwohl einige Systeme, wie z. B. die für die Elektrodialyse verwendeten, ein blattförmiges Netzharz verwenden. IX-Harzkügelchen sind in der Regel klein und kugelförmig, mit einem Radius von nur 0,25 bis 1,25 Millimetern Größe. Je nach Anwendung und Systemdesign können die Harzkügelchen eine einheitliche Partikelgröße oder eine gaußförmige Größenverteilung aufweisen. Für die meisten Anwendungen werden Gelharzkugeln verwendet, die ein durchsichtiges Aussehen haben und eine hohe Kapazität und chemische Effizienz bieten. Makroporöse Harze, die an ihrem undurchsichtigen weißen oder gelben Aussehen zu erkennen sind, sind in der Regel anspruchsvollen Bedingungen vorbehalten, da sie eine vergleichsweise höhere Stabilität und chemische Beständigkeit aufweisen.

Woraus bestehen IX-Harze?

Die IX-Harzmatrix wird durch die Vernetzung von Kohlenwasserstoffketten untereinander in einem als Polymerisation bezeichneten Prozess gebildet. Durch die Vernetzung erhält das Harzpolymer eine stärkere, elastischere Struktur und ein größeres Fassungsvermögen (nach Volumen). Während die chemische Zusammensetzung der meisten IX-Harze Polystyrol ist, werden bestimmte Typen aus Acryl (entweder Acrylnitril oder Methylacrylat) hergestellt. Das Harzpolymer wird dann einer oder mehreren chemischen Behandlungen unterzogen, um funktionelle Gruppen an die Ionenaustauschstellen zu binden, die sich überall in der Matrix befinden. Diese funktionellen Gruppen sind es, die dem IX-Harz seine Trennfähigkeit verleihen, und sie variieren erheblich von einem Harztyp zum anderen. Zu den gebräuchlichsten Zusammensetzungen gehören:

• Stark saure Kationenaustauschharze (SAC). SAC-Harze bestehen aus einer Polystyrolmatrix mit einer funktionellen Sulfonatgruppe (SO3-), die entweder mit Natriumionen (Na2+) für Enthärtungsanwendungen oder mit Wasserstoffionen (H+) für die Demineralisierung beladen ist
• Schwachsäure-Kationen-Austauschharze (WAC). WAC-Harze bestehen aus einem Acrylpolymer, das entweder mit Schwefelsäure oder Natronlauge hydrolysiert wurde, um funktionelle Carbonsäuregruppen zu bilden. Aufgrund ihrer hohen Affinität für Wasserstoffionen (H+) werden WAC-Harze in der Regel zur selektiven Entfernung von mit Alkalität assoziierten Kationen verwendet.
• Austauschharze für stark basische Anionen (SBA). SBA-Harze bestehen in der Regel aus einer Polystyrolmatrix, die einer Chlormethylierung und Aminierung unterzogen wurde, um Anionen an Austauschstellen zu binden. SBA-Harze des Typs 1 werden durch die Anwendung von Trimethylamin hergestellt, das Chloridionen (Cl-) liefert, während SBA-Harze des Typs 2 durch die Anwendung von Dimethylethanolamin hergestellt werden, das Hydroxidionen (OH-) liefert.
• Anionenaustauscherharze mit schwacher Base (WBA). WBA-Harze bestehen in der Regel aus einer Polystyrolmatrix, die einer Chlormethylierung unterzogen wurde, gefolgt von einer Aminierung mit Dimethylamin. WBA-Harze sind insofern einzigartig, als sie keine austauschbaren Ionen haben und daher als Säureabsorber verwendet werden, um Anionen zu entfernen, die mit starken Mineralsäuren verbunden sind.
• Chelatharze. Chelatbildende Harze sind die häufigste Art von Spezialharzen und werden zur selektiven Entfernung bestimmter Metalle und anderer Stoffe verwendet. In den meisten Fällen besteht die Harzmatrix aus Polystyrol, obwohl eine Vielzahl von Stoffen für funktionelle Gruppen verwendet werden, darunter Thiol, Triethylammonium und Aminophosphonium, neben vielen anderen.

Wie funktionieren Ionenaustauschharze?

Um die Funktionsweise von IX-Harzen vollständig zu verstehen, ist es wichtig, zunächst die Prinzipien der Ionenaustauschreaktion zu kennen. Einfach ausgedrückt ist der Ionenaustausch ein reversibler Austausch von geladenen Teilchen – oder Ionen – mit solchen gleicher Ladung. Dies geschieht, wenn Ionen, die auf einer unlöslichen IX-Harzmatrix vorhanden sind, effektiv den Platz mit Ionen ähnlicher Ladung tauschen, die in einer umgebenden Lösung vorhanden sind.

Das IX-Harz funktioniert auf diese Weise aufgrund seiner funktionellen Gruppen, die im Wesentlichen feste Ionen sind, die dauerhaft in der Polymermatrix des Harzes gebunden sind. Diese geladenen Ionen verbinden sich leicht mit Ionen einer entgegengesetzten Ladung, die durch die Anwendung einer Gegenionenlösung zugeführt werden. Diese Gegenionen binden sich so lange an die funktionellen Gruppen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist.

Während eines IX-Zyklus wird die zu behandelnde Lösung in das IX-Harzbett gegeben und durch die Perlen fließen gelassen. Während sich die Lösung durch das IX-Harz bewegt, ziehen die funktionellen Gruppen des Harzes alle in der Lösung vorhandenen Gegenionen an. Wenn die funktionellen Gruppen eine größere Affinität zu den neuen Gegenionen haben als zu den bereits vorhandenen, dann werden die Ionen in der Lösung die vorhandenen Ionen verdrängen und ihren Platz einnehmen, wobei sie sich durch gemeinsame elektrostatische Anziehung mit den funktionellen Gruppen verbinden. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Größe und/oder Wertigkeit eines Ions ist, desto größer ist seine Affinität zu Ionen mit entgegengesetzter Ladung.

Wenden wir diese Konzepte auf ein typisches IX-Wasserenthärtungssystem an. In diesem Beispiel besteht der Enthärtungsmechanismus aus einem Kationenaustauscherharz, bei dem funktionelle Gruppen des Sulfonatanions (SO3-) an der IX-Harzmatrix befestigt sind. Eine Gegenionenlösung, die Natriumkationen (Na+) enthält, wird dann auf das Harz aufgebracht. Die Na+ werden durch elektrostatische Anziehung an den fixierten SO3–Anionen gehalten, was zu einer neutralen Nettoladung des Harzes führt. Während eines aktiven IX-Zyklus wird dem Kationenaustauscherharz ein Strom mit Härte-Ionen (Ca2+ oder Mg2+) zugeführt. Da die funktionellen SO3–Gruppen eine größere Affinität zu den Härtekationen als zu den Na+-Ionen haben, verdrängen die Härteionen die Na+-Ionen, die dann als Teil des behandelten Stroms aus der IX-Einheit fließen. Die Härte-Ionen (Ca2+ oder Mg2+) hingegen werden vom IX-Harz zurückgehalten.

Was ist die Regeneration des Harzes?

Mit der Zeit binden sich die Schadstoff-Ionen an alle verfügbaren Austauschstellen im IX-Harz. Sobald das Harz erschöpft ist, muss es durch einen so genannten Regenerationszyklus für die weitere Verwendung wiederhergestellt werden. Während eines Regenerationszyklus wird die IX-Reaktion im Wesentlichen durch die Anwendung einer konzentrierten Regenerierlösung umgekehrt. Je nach Art des Harzes und der jeweiligen Anwendung kann das Regeneriermittel eine Salz-, Säure- oder Laugenlösung sein. Während des Regenerationszyklus gibt das IX-Harz Schadstoffionen ab und tauscht sie gegen Ionen aus, die in der Regenerationslösung vorhanden sind. Die verunreinigenden Ionen verlassen das IX-System als Teil des Regeneriermittelabflusses und müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. In den meisten Fällen wird das Harz vor dem nächsten aktiven IX-Zyklus gespült, um Reste des Regeneriermittels zu entfernen.

Wie SAMCO helfen kann

SAMCO verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung bei der Identifizierung geeigneter IX-Harztechnologien, um Kosten und Abfallmengen zu senken und gleichzeitig die Produktqualität zu erhöhen. Wenn Sie weitere Informationen wünschen oder sich mit uns in Verbindung setzen möchten, können Sie hier einen Beratungstermin mit einem Ingenieur vereinbaren oder ein Angebot anfordern. Wir können Sie durch die Schritte zur Entwicklung der richtigen Lösung und der realistischen Kosten für Ihr IX-Behandlungssystem begleiten.

Um mehr über die innovativen IX-Harzlösungen von SAMCO zu erfahren, besuchen Sie unsere Seite über Ionenaustauschertechnologien hier.

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