Ionenaustauscher

Ionentauscher oder Ionenaustauscher sind Materialien, mit denen im Wasser gelöste Ionen gegen andere Ionen der gleichen Art ersetzt werden können. Ionentauscher kommen als Säulen, die mit einem Ionenaustauschermaterial gefüllt sind, oder als Membranen in den Handel und werden von der zu behandelnden Lösung durchströmt. Die auszutauschenden Ionen werden am Ionenaustauschermaterial gebunden, das seinerseits dafür eine äquivalente Stoffmenge von vorher gebundenen Ionen in die Lösung abgibt. Beispielsweise kann ein Kationen-Ionenaustauscher Calcium-Kationen, die im normalen Leitungswasser gelöst sind gegen Natrium-Kationen, die an den Ionenaustauscher gebunden sind, austauschen. Solche Kationen-Ionenaustauscher sind auch in Geschirrspülern vorhanden. In ihnen wird für die Spülvorgänge Wasser benötigt, das frei ist von Calcium-Kationen, die sonst zur Bildung von Kalkflecken führen würden. Wenn dieser Kationen-Austauscher erschöpft und vollständig mit Calcium-Kationen abgesättigt ist, muss er regeneriert werden. Das geschieht dadurch, dass man die gebundenen Calcium-Kationen durch das Angebot einer möglichst hoch konzentrierten Lösung von Natriumchlorid (Kochsalz) wieder verdrängt. Man bezeichnet diesen Regenerierungsvorgang auch als das Beladen des Austauschers.

Eine natürliche Bedeutung haben Kationen-Ionenaustauscher vor allem im Boden. Sie sorgen dafür, dass Kationen für die Pflanzen verfügbar bleiben und nicht durch den Regen ausgewaschen werden. Für die Altlastensanierung von Gewässern und Böden können spezielle Kationen-Austauscher hergestellt werden, die in der Lage sind, ganz gezielt bestimmte Schwermetallkationen aus Gewässern und Böden zu entfernen.

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Funktionsweise

Das Prinzip des Ionentausches beruht darauf, dass Ionen um so stärker an den Ionenaustauscher gebunden werden, je höher ihre Ladung und je kleiner ihr Ionenradius ist. Zum Beispiel wird Na⁺ im Ionentauscher durch Ca²⁺ verdrängt, aber auch Ca²⁺ durch Al³⁺. Das stärker bindende Ion verdrängt das schwächer bindende Ion von den Bindungsstellen des Ionentauschermaterials. Es muss also dafür gesorgt werden, dass das unerwünschte Ion, das aus der Lösung entfernt werden soll, stärker gebunden wird als das Ion, das an den Ionenaustauscher gebunden ist. Dafür sind weitere wichtige Einflussfaktoren: der pH-Wert der Lösung im Zusammenhang mit der Art und der Anzahl der Bindungsstellen des Ionenaustauschermaterials und auch die jeweilige Stoffkonzentration.

Arten von Ionenaustauschern

Je nachdem welche Art von Ionen ausgetauscht werden, unterscheidet man Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Im Fall eines Kationenaustauschers ist die aktive Gruppe eine anionische Gruppe, wie beispielsweise Sulfonsäuregruppen, oder Carboxylgruppen mit abdissoziierbarem Kation. Man unterscheidet schwachsaure Kationenaustauscher (Carboxylgruppen) und stark saure mit Sulfonsäuregruppen. Bei den Anionenaustauschern enthalten stark basische Sorten quartäre Ammoniumgruppen als aktive Gruppen, die ihr Gegenion austauschen können. Schwach basische Austauscher haben Aminogruppen, die frei Säuren anlagern können, wobei die Säureanionen reversibel festgehalten werden. Amphotere Austauscher können gleichzeitig Anionen und Kationen austauschen. Kationenaustauscher tauschen gelöst vorliegende Kationen (positiv geladene Ionen) gegen andere Kationen aus, die Bestandteil des Austauschmaterials sind. Kationenaustausch-Materialien sind selbst Salze, wobei die Kationen (in Gleichung unten: Z⁺) leicht in Lösung gehen können, also mobil (beweglich) sind. Die polymeren und wasserunlöslichen Anionen (in Gleichung unten: Q^m-) des Kationenaustausch-Materials sind stationär, also unbeweglich. Als allgemeine Gleichung für den Prozess des Austausches einwertiger Kationen (Ka⁺) aus einem gelöst vorliegenden Salz (Ka⁺ + An^-) durch den Ionenaustauscher [(Z⁺)_nQ^m-] kann man schreiben:

Anionenaustauscher tauschen entsprechend Anionen (negativ geladene Ionen) eines gelösten Salzes gegen andere Anionen aus. Hierbei liegen die stationären Kationen des Ionenaustauschers polymer vor, während die Anionen des Anionenaustauschers mobil sind.

Beispiele für Ionenaustausch-Materialien

• Zeolithe (natürlich oder künstlich, z.B. Zeolith A (Sasil))
• Tonmineralien wie den Montmorillonit
• Aluminiumoxid
• (faulendes) Holz
• Chlorophyll
• Kunstharz-Ionenaustauscher

Regeneration

Die Möglichkeit der Regeneration beruht auf der Tatsache, dass der Vorgang des Ionenaustauschs, wie die meisten chemischen Reaktionen, umkehrbar ist. Tatsächlich findet gleichzeitig die Hin- und die Rückreaktion statt (chemisches Gleichgewicht). Beim Einsatz des Ionentauschers überwiegt allerdings die Hinreaktion; sie findet freiwillig statt. Die Erzwingung der Rückreaktion, also die Regeneration, ist nur möglich, indem ein Überschuss an "schwächeren" Ionen zugegeben wird, denn viele schwächere Ionen verdrängen die stärkeren Ionen. Siehe auch: Prinzip von Le Chatelier

Verwendung von Ionentauschern

Ionentauscher werden sehr oft zur Enthärtung von Wasser verwendet.

• Herstellung von demineralisiertem Wasser: oft auch fälschlicherweise als destilliertes Wasser (Wasser, das durch Destillation gereinigt wurde) bezeichnet. Mit Hilfe von Kationen- und Anionentauschern werden unerwünschte Salze aus dem Wasser entfernt. In der Wissenschaft und Technik bezeichnet man demineralisiertes Wasser daher auch als Deionat oder VE-Wasser (voll entsalzt).

• In Geschirrspülmaschinen: hier werden Ionenaustauscher verwendet, um die Maschine vor Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen zu schützen, die zu Kesselstein (umgangssprachlich: Verkalkung) führen können. Diese Ionen werden durch Na⁺-Ionen ersetzt und nicht, wie bei anderen Austauschern durch "saure" H⁺-Ionen, die das Metall der Spülmaschine und Gläser angreifen würden. Da ein eingebauter Ionentauscher nach einiger Zeit mit Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen beladen ist und nicht mehr funktionieren würde, muss dieser wieder regeneriert werden. Dazu gibt es spezielles Regeneriersalz, das immer wieder zugegeben werden muss.

• In Wasserfiltern: diese "Filter" enthalten meist nicht nur einen Ionentauscher um das Wasser zu entkalken und um damit Kalkablagerungen in Wasserkochern zu verhindern, sondern meist auch Aktivkohle-Filter um geruchs- und geschmacksstörende Stoffe zu entfernen.

• In Waschmitteln: auch hier soll der Ionentauscher den Kalziumkarbonatgehalt des Wasser herabsetzten um die Bildung von Kalkseifen zu verhindern. Dadurch wird weniger Waschmittel benötigt. Ein wichtiger Ionentauscher in Waschmitteln ist beispielsweise der Stoff Zeolith A.

• Reinigung von Abwasser: ein Beispiel ist die Reinigung der Abwässer, die beim Galvanisieren zurückbleiben, also bei der Herstellung von Metallüberzügen. Diese Abwässer enthalten giftige Schwermetall-Ionen, die nicht in Kläranlagen abgegeben werden können. Dadurch werden auch die wertvollen Ausgangsstoffe wieder gewonnen.

• In der Medizin: zum Beispiel zur Abgabe von Wirkstoffen, indem im Körper vorhandene Protonen (H⁺-Ionen) oder Metall-Ionen in den Ionentauscher aufgenommen werden und der im Ionentauscher enthaltene Wirkstoff abgegeben wird. Eine weitere Anwendung ist die Behandlung einer Hyperkaliämie, indem K⁺-Ionen aus dem Körper entfernt werden und durch Na⁺-Ionen ersetzt werden. Bei der Therapie der Hypercholesterinämie verwendet man Anionenaustauscher (als sogenannte Ionenaustauscherharze), um negativ geladene Gallensäuren im Darm zu binden und im Austausch beispielsweise Citronensäure abzugeben. Dadurch wird der enterohepatische Kreislauf der Gallensäuren gehemmt, die Leber muss vermehrt Gallensäuren aus Cholesterin herstellen und der LDL-Cholesterinspiegel im Blut sinkt um 25-30%. ^[1] Als positive Nebeneffekte sind ein Anstieg des sich günstig auswirkenden HDL-Cholesterins um 3-8% und die Zunahme der Dichte der LDL-Rezeptoren zu werten, die zu einer vermehrten Extraktion des LDL aus dem Blut führt. Nachteilig können Obstipation (Verstopfung), Übelkeit und eine verminderte Resorption fettlöslicher Vitamine A, D, E, K auftreten.

• Hydrokultur: Das in der Hydrokultur verwendete Granulat versorgt die Pflanzen durch Ionenaustausch mit Mineralien.

Mit großem Erfolg wurde die Ionenaustauschmethode bei der zuvor äußerst umständlichen und schwierigen Trennung der verschiedenen Seltenerdmetalle angewandt. In der Kernforschung erwiesen sich ihre Vorteile beim Abtrennen des Plutoniums vom Uran und dessen Kernspaltprodukten. Durch Ionenaustausch konnte man erstmals das Seltenerdmetall Promethium sowie einige Transurane nachweisen und isolieren.

Ionenaustauschermembran

Als Ionenaustauschermembran (auch Ionentauschmembran) bezeichnet man dünne Folien (Dicke: 20-100 Mikrometer), die nur von Ionen mit einem bestimmten Ladungsvorzeichen passiert werden können. „Anionentauschermembranen“ sind durchlässig für elektrisch negativ geladene Teilchen (Anionen), während „Kationentauschermembranen“ nur elektrisch positive geladene Teilchen (Kationen) hindurchlassen.

Ionentauschermembranen dienen als ladungsselektive Filter, mit deren Hilfe Kationen oder Anionen gezielt aus Lösungen entfernt werden können. Derartige Membranen werden in der Elektrodialyse zur Anreicherung von Salzlösungen bzw. zum Abtrennen von Salzen verwendet und zur Herstellung von Säuren und Laugen aus Salzlösungen eingesetzt.

Technische Ionentauschermembranen bestehen aus Wasser - gequollenen Polymernetzwerken, an denen über kovalente Bindungen elektrisch geladene chemische Gruppen (z.B. COO^-, SO₃^-, PO₄^-, NR₄⁺) fixiert sind. Die Gesamtladung der Membran wird durch mobile Gegenionen ausgeglichen, die in der wässrigen Phase gelöst sind. Diese mobilen Gegenionen können durch andere mobile Ionen mit gleichem Ladungsvorzeichen ausgetauscht werden, sobald die Membran in Kontakt mit einer Salzlösung gebracht wird. Folglich können alle Ionen mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die mobilen Gegenionen diese Membran passieren, während entgegengesetzt geladene Ionen - mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die fixierten Ionen des Membrannetzwerkes - abgewiesen werden. Dieser Mechanismus wird als „Donnan-Ausschluss“ (nach Frederick George Donnan) bezeichnet und bewirkt, dass man Ionenaustauschmembranen als ladungsselektive Filter verwenden kann.

Die Selektivität, S+/-, einer Ionenaustauschmembran ist definiert als das Verhältnis der Konzentrationen von Kationen zu Anionen in der Membran. Diese Größe nimmt mit steigender Salzkonzentration ab, d.h. in konzentrierten Salzlösungen (Salzkonzentration > 10 - 15 mol/L) werden die Membranen wirkungslos. Die Berechnung der Kationen-/Anionenselektivität ist äußerst schwierig, weil S+/- gleichzeitig von der Ionenaktivität und dem osmotischen Druck innerhalb der Membran abhängt.

Geschichte

Die Menschen nutzten das Prinzip der Ionenaustauscher lange bevor die chemischen Hintergründe verstanden wurden.

Im Zweiten Buch Mose findet sich ein Hinweis auf die wohl älteste Erwähnung des Ionenaustauschsprozesses. Es wird auf die Überführung von bitterem in trinkbares Wasser durch Einlegen von alten Baumstämmen hingewiesen. Verrottete Zellulose ist ein guter Austauscher für Magnesium-Ionen. ^[2]

Da kamen sie nach Mara; aber sie konnten das Wasser von Mara nicht trinken, denn es war sehr bitter. Daher nannte man den Ort Mara. Da murrte das Volk wider Mose und sprach: Was sollen wir trinken? Er schrie zu dem Herrn, und der Herr zeigte ihm ein Holz; das warf er ins Wasser, da wurde es süß. (Ex 15,23 EU)

Quellen

1. ↑ Prof. Dr. W. Strobl: Genetische Faktoren der Krankheitsentstehung: Familiäre Hypercholesterinamie
2. ↑ http://www.buetzer.info/fileadmin/pb/HTML-Files/WebHelp/Ladungen_in_Oberfl_chenschichten.htm

Literatur

• Gerd Krüger: Ionenaustauscher - ein Überblick. Chemiker-Zeitung 79(21), S. 733 - 737 (1955), Chemiker-Zeitung 79(22), S. 768 - 772 (1955), Chemiker-Zeitung 79(23), S. 804 - 806 (1955), ISSN 0009-2894
• Friedrich Martinola: Ionenaustauscher und Adsorber - vielseitige Hilfsmittel der chemischen Industrie. Chemie Ingenieur Technik 51(7), S. 728 -736 (1979), ISSN 1522-2640

Siehe auch

• Ionenaustauschchromatografie
• Wasserenthärtung