Technische Anwendungen von Ionenaustauschern
Es ist überraschend, wo überall in der alltäglichen Umgebung man der Ionenaustauscher-Technologie begegnet. Dieser Text enthält eine Übersicht mit Links zu genaueren Hintergrundinformationen.
Ionenaustauscher im Schullabor
Der Umgang mit destilliertem Wasser ist dir aus dem Chemie-Unterricht sicherlich sehr vertraut und ein
selbstverständlicher Vorgang. Hast du dich jedoch einmal gefragt, woher dieses destillierte Wasser
eigentlich kommt oder wie es hergestellt wird? Oftmals ist der Begriff destilliertes Wasser
irreführend. Das Wasser wird nämlich nicht durch Destillation von seinen gelösten Salzen befreit, sondern
durch Ionenaustausch. Der zutreffende Begriff ist demnach demineralisiertes Wasser.
Erkundige dich doch einmal bei deinem Lehrer, wo der Ionenaustauscher zur Demineralisierung
von Wasser im Schullabor untergebracht ist. Häufig steht er, falls vorhanden, neben der Geschirrspülmaschine,
die dann auch mit demineralisiertem Wasser betrieben wird, um Kalkablagerungen in der Maschine und auf den Gläsern
zu vermeiden. Überwacht wird die Anlage durch eine Leitfähigkeitsmesszelle am Auslass der Ionenaustauscher-Patrone.
Reines Wasser zeigt eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. Steigt die Leitfähigkeit an, ist das ein Zeichen
dafür, dass Leitungswasser unbehandelt durch den Austauscher läuft. Dann ist der Austauscher erschöpft
und muss regeneriert werden.
Ionenaustauscher im Haushalt
Um die Geschirrspülmaschine vor
Kalkablagerungen zu schützen, reicht es aus, die härtebildenden Ca2+- und Mg2+-Ionen
gegen Na+-Ionen auszutauschen. Bei diesem Vorgang handelt es sich um eine
Verringerung der Wasserhärte durch einen Neutralaustausch. Denn
Säuren oder Laugen, die beim Austausch gegen Protonen oder Hydroxid-Ionen entstehen, wären für das Metall
in der Spülmaschine und die Gläser viel zu aggressiv. Moderne Geräte verfügen über einen eingebauten
Kationenaustauscher. Ist der Kationenaustauscher vollständig mit Ca2+- und Mg2+-Ionen
beladen, muss dieser wieder regeneriert werden. Zu diesem Zweck befindet sich in einem
zusätzlichen Behälter ein spezieller Aufbereiter (oder Kochsalz), der immer wieder aufgefüllt werden kann.
Weitere Haushaltsgeräte, die Ionenaustauscher zur Enthärtung von Wasser enthalten, sind einige Kaffeemaschinen und Wasserfilter. Die Filterkartuschen dieser Geräte enthalten nicht nur Kationenaustauscher, sondern auch Aktivkohle zur Entfernung geruchs- und geschmacksstörender Stoffe (z. B. Chlor). Das mit diesen Filtern behandelte Wasser kann dann mit einem Wasserkocher erhitzt werden, ohne dass nach dem Gebrauch für die Geräte schädliche Kalkablagerungen zurückbleiben.
Auch Waschmittel enthalten ionenaustauschende Zusatzstoffe zur Enthärtung des Leitungswassers. So enthält z. B. das Waschpulver Persil(R) den Zusatzstoff Sasil(R). Dabei handelt es sich um einen von der Firma Henkel entwickelten Zeolithen, der in der Lage ist, Ca2+- und Mg2+-Ionen gegen Na+-Ionen auszutauschen. Das Waschen mit "weichem Wasser" schont nicht nur die Waschmaschine, sondern unterstützt auch den Waschvorgang.
Die Reinigung von Abwässern und das Recycling von Schwermetallen
Beim Galvanisieren werden Metalle elektrolytisch mit Schwermetallüberzügen
versehen. Die dabei anfallenden Schwermetallsalzlösungen können aufgrund ihrer extremen Giftigkeit nicht
ohne weiteres in die Kläranlagen oder Vorfluter abgegeben werden. Es ist daher sehr wichtig, die Abwässer
vorher zu reinigen. Die Anwendung von Ionenaustauschern spielt hierbei eine wesentliche Rolle. Die
Behandlung der Abwässer führt auch zur Rückgewinnung teurer Rohstoffe:
Abwasser aus Galvanisierbetrieben - giftig und eine lohnende Rohstoffquelle.
Ionenaustauscher können auch zur Reinigung von verseuchtem Grundwasser genutzt werden,
wie das Beispiel eines Berliner Betriebs zeigt (Reinigung von chromverunreinigtem
Grundwasser).
Auf den Einsatz einiger Schwermetalle kann vielfach nicht verzichtet werden. Sind diese Metalle zudem noch sehr teuer und selten, hat man gerade für diese - anders als für häufiger vorkommende Schwermetalle wie Kupfer und Blei - eine besonders ausgefeilte und intensive Recyclingtechnologie entwickelt. Solch eine Technologie wurde z. B. für Cadmium erarbeitet.
Es lassen sich mit Ionenaustauschern aber nicht nur Metall-Ionen aus Elektrolytlösungen entfernen, sondern auch organische Moleküle. Bei der Kokerei entsteht unter anderem phenolhaltiges Wasser. Phenole sind schon in geringsten Mengen giftig. Die Gewinnung von Phenolen aus Kokereiabwässern und die damit verbundene restlose Entfernung ist daher zwingend notwendig.
Schadstoffarme Technologien
Die chemische Industrie ist bei der Produktion wichtiger Chemikalien bemüht, Umweltschäden gänzlich
zu vermeiden oder zumindest so gering wie möglich zu halten. So wurde 1860 von Solvay eine Variante
der Sodagewinnung entwickelt, die das Umwelt belastende und unwirtschaftliche
Leblanc-Verfahren ablöste.
Ein weiteres, weniger schädigendes Vorgehen ist die Ablösung des klassischen Verfahrens zur Kupfergewinnung
durch eine moderne, die Umwelt schonende Aufbereitung von Kupfererzen durch
Extraktion mittels Ionenaustauscher.
Abfallarme Synthesen mit Ionenaustauschern
Ionenaustauscher haben bereits weitaus mehr Aufgaben zu erfüllen, als nur Ionen aus Lösungen zu
entfernen. Man benutzt sie z. B. als Katalysatoren, die man anstelle von
Schwefelsäure einsetzen kann. Damit wird das Problem der Abfallschwefelsäure ("Dünnsäure")
umgangen. Beispiele sind Veresterungsreaktionen (Veresterung ohne Schwefelsäureabfall
oder die Herstellung von Buttersäureester, zu denen die Geruchsstoffe der
Ananas gehören, ohne die übel riechende Buttersäure verwenden zu müssen), die Hydrolyse
von Stärke zur Herstellung von Traubenzucker, die Spaltung von Saccharose
oder das Herstellen reiner Citronensäure ohne Gipsnadeln.
Ionenaustauscher-Membranen
Ionenaustauscher werden zumeist in der Form kleiner
Harzkügelchen geliefert. Ihre Trägersubstanz kann aber auch zu Membranen
geformt werden, die dann zur Abtrennung von Reaktionsräumen dienen. Diese Ionenaustauscher-Membranen
spielen eine große Rolle in der technischen Elektrochemie (Umweltschonende
Stofftrennung mit Ionenaustauscher-Membranen). Ein großes und zukunftweisendes Anwendungsfeld
ist die Brennstoffzelle.
Zum einen kann durch sie umweltverträglich elektrische Energie gewonnen werden, und zum anderen wird sie
zum Antrieb von Autos genutzt. Wenn du mehr zur Brennstoffzelle im Auto erfahren möchtest, dann schau dir
doch das Kapitel "Brennstoffzellen im Auto"
in unserer Web-Seite "Technische
Chemie im und ums Auto" an.
Ionenaustauscher in der Medizin
Sowohl zur Abgabe von Medikamenten, als auch zur Senkung hoher Ionenkonzentrationen im Blut können
Ionenaustauscher im menschlichen Körper eingesetzt werden. Zur Stabilisierung des Blutdrucks werden
beispielsweise Medikamente verabreicht, deren Moleküle positiv geladene Ionen sind. Diese sind in der
Tablettenkapsel an Kationenaustauscher gebunden. Im Verdauungstrakt werden sie langsam gegen Protonen
oder Metallkationen ausgetauscht und können dann ihre langanhaltende Wirkung entfalten.
Als Hyperkaliämie wird eine Krankheit bezeichnet, deren Ursache eine zu hohe K+-Ionen-Konzentration
im Blut ist. Sie führt zu Störungen im Herzen, an den Nerven und in der Muskulatur. Zur
Dauertherapie verabreicht man den Patienten zu Tabletten verarbeitete Kationenaustauscherharze (z. B.
Natriumpolystyrol-Sulfonat), die mit Na+-Ionen beladen sind. Auf Grund der höheren Affinität
zu K+-Ionen werden diese gegen Na+-Ionen ausgetauscht und mit dem Harz ausgeschieden.
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