Anwendung von Ionenaustauscherharzen in Wasseraufbereitungssystemen

1. Definition des Ions Austauscherharz

Ionenaustauscherharze sind unlösliche Polymerverbindungen mit funktionellen Gruppen und einer Netzwerkstruktur, die typischerweise als kugelförmige Kügelchen vorliegen. Der vollständige Name eines Ionenaustauscherharzes setzt sich aus der Klassifizierungsbezeichnung, der Matrixbezeichnung (Gerüstbezeichnung) und der Grundbezeichnung zusammen. Ionenaustauscherharze finden heutzutage in zahlreichen Bereichen breite Anwendung, darunter Wasseraufbereitung, chemische Industrie, Metallurgie, Lebensmittelindustrie, Lederherstellung und die Produktion hochreiner pharmazeutischer Produkte.

2. Klassifizierung von Ionenaustauscherharzen nach Wasserqualität

Ionenaustauscherharze lassen sich anhand ihrer Matrix in Styrol- und Acrylharze einteilen. Die Art der chemisch aktiven funktionellen Gruppen bestimmt die primären Eigenschaften und die Kategorisierung des Harzes. Grundsätzlich werden sie in zwei Hauptgruppen unterteilt: Kationenaustauscherharze und Anionenaustauscherharze, die Kationen bzw. Anionen in einer Lösung austauschen können. Kationenaustauscherharze werden weiter in stark saure (SAC) und schwach saure (WAC) Kationenaustauscherharze unterteilt. Anionenaustauscherharze werden analog dazu in stark basische (SBA) und schwach basische (WBA) Anionenaustauscherharze unterteilt.

3. Anwendung von Ionenaustauscherharzen in der Wasseraufbereitungsindustrie

Die Wasseraufbereitungsindustrie zählt zu den ältesten Anwendungsgebieten von Ionenaustauscherharzen und ist für einen erheblichen Bedarf verantwortlich; sie macht etwa 90 % der gesamten Ionenaustauscherharzproduktion aus. In der Wasserreinigung werden diese Harze zur Wasserenthärtung, Entsalzung und zur Herstellung von enthärtetem, reinem und ultrareinem Wasser eingesetzt. In der Abwasserbehandlung dienen sie primär der Reduzierung der Schwermetallionenkonzentration durch eine Austauschreaktion zwischen den austauschbaren Ionen des Harzes und den Schwermetallionen im Abwasser, wodurch eine hochreine Reinigung erreicht wird.

3.1 Anwendung von Ionenaustauscherharzen zur Wasserenthärtung

a. Zusammensetzung und Funktion von Enthärtungsfiltern:

Vollautomatische Wasserenthärtungsanlagen bestehen im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten: dem Harzbehälter, dem automatischen Mehrwegeventil und dem Solebehälter. Der Harzbehälter ist mit Ionenaustauscherharz gefüllt, das Calcium- (Ca²⁺) und Magnesiumionen (Mg²⁺) aus dem Wasser adsorbiert. Das Mehrwegeventil steuert die Enthärtungsanlage und regelt die automatischen Zyklen von Betrieb, Regeneration, Spülung, Rückspülung und Nachfüllen des Solebehälters. Im Solebehälter wird das während der Harzregeneration verwendete Salz (NaCl) gespeichert.

b. Wirkungsprinzip von Weichmacherharzen:

Enthärtungsharze entfernen Härtebildner aus dem Wasser hauptsächlich durch Ionenaustausch. Diese Härtebildner, vorwiegend Calcium (Ca²⁺) und Magnesium (Mg²⁺), tragen maßgeblich zur Wasserhärte bei. Das Enthärtungsharz enthält reichlich Natriumionen (Na⁺). Beim Durchfließen des Harzbetts tauschen die Natriumionen des Harzes ihre Ionen mit den Calcium- und Magnesiumionen im Wasser aus, wodurch die Härtebildner entfernt werden.

c. Anwendungsgebiete von Enthärtungsfiltern:

Anwendungsgebiete sind unter anderem Kesselspeisewasser, Nachspeisewasser für Klimaanlagen, Wärmetauscher, Papierherstellung, Druck- und Färbereiwesen, Textilien, Wasser für petrochemische Prozesse, Biopharmazeutika, Elektronik, Vorbehandlung für Reinstwassersysteme und industrielle Zero Liquid Discharge (ZLD)-Systeme.

3.2 Anwendung von Ionenaustauscherharzen in der Reinstwasser- und Ultrareinstwasserproduktion

a. Definition von Kationen-/Anionenaustauschergefäßen (CAB):

Kationen-/Anionenaustauscher, auch Ionenaustauscher oder Demineralisierungsanlagen genannt, sind Wasseraufbereitungsanlagen, die die Ionenaustauschkapazität von Harzen nutzen, um Ionen aus dem Wasser zu entfernen. Ihre Funktionsweise basiert auf der Ionenaustauscheigenschaft der Harze, bei der Ionen des Harzes gegen entsprechende Ionen im Wasser ausgetauscht werden, wodurch die Ionen entfernt werden.

b. Funktionsprinzip von Kationen-/Anionenaustauschergefäßen:

Ein typisches Zweibett-Entmineralisierungssystem besteht aus einem Kationenaustauscher (saurer Kationenaustauscher) und einem Anionenaustauscher (basischer Anionenaustauscher), die in Reihe geschaltet sind. Das Rohwasser durchläuft zunächst die Kationenaustauscherstufe. Hier adsorbiert das Kationenaustauscherharz kationische Verunreinigungen aus dem Wasser und gibt gleichzeitig Wasserstoffionen (H⁺) ab, wodurch das Wasser sauer wird. Anschließend durchläuft das Wasser einen Entkarbonisator (oder Entgaser), um das als Gas freigesetzte Kohlendioxid (CO₂) zu entfernen und so einen effizienten Austausch in der Anionenaustauscherstufe unter sauren Bedingungen zu gewährleisten. Schließlich durchläuft das Wasser die Anionenaustauscherstufe, wo das Anionenaustauscherharz anionische Verunreinigungen entfernt.

c. Anwendungsgebiete von Kationen-/Anionenaustauschergefäßen:

In Branchen wie der Chemie-, Energie- und Metallurgieindustrie werden sie häufig zur Enthärtung von Kesselspeisewasser eingesetzt, um Kesselsteinbildung und Korrosionsprobleme zu verhindern. In der landwirtschaftlichen Bewässerung kann die Verwendung von mit diesen Systemen aufbereitetem Wasser zur Reduzierung der Bodenversalzung beitragen. Sie spielen auch eine wichtige Rolle in den Vorbehandlungsstufen der Meerwasserentsalzung und schaffen günstige Bedingungen für nachfolgende weiterführende Aufbereitungsprozesse.

3.3 Anwendung von polierten Mischbetten in der Reinstwasser- und Ultrareinstwasserproduktion

a. Definition von polierten Mischschichten:

Polierharz wird typischerweise in der letzten Stufe (Polierstufe) von Reinstwasseraufbereitungsanlagen eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Abwasserqualität den geforderten Standards entspricht und oft einen spezifischen Widerstand von 18 MΩ·cm oder höher erreicht. Es handelt sich um ein Ionenaustauscherharz, genauer gesagt um eine Mischung aus einem stark sauren Kationenaustauscherharz in der Wasserstoffionen-Form (H⁺) und einem stark basischen Anionenaustauscherharz in der Hydroxidionen-Form (OH⁻).

b. Wirkungsprinzip von Polierharzen:

Ein poliertes Mischbett enthält Kationen- und Anionenaustauscherharze, die im selben Gefäß gründlich vermischt sind. In diesem Mischbett sind die Harze innig durchmischt, sodass die Kationen- und Anionenaustauschreaktionen nahezu gleichzeitig ablaufen können. Die durch den H-Typ-Kationenaustausch entstehenden Wasserstoffionen (H⁺) und die durch den OH-Typ-Anionenaustausch entstehenden Hydroxidionen (OH⁻) können sich nicht anreichern und verbinden sich sofort zu schwach dissoziierten Wassermolekülen. Dadurch wird der Einfluss von Gegenionen praktisch eliminiert, sodass die Ionenaustauschreaktion sehr vollständig ablaufen kann und ein hochreines Abwasser entsteht. Sind die Ionen im Polierharz erschöpft, wird das Harz mit Säure- und Laugenlösungen regeneriert, um die Wasserstoff- und Hydroxidionen effektiv wiederherzustellen und die Arbeitskapazität des Harzes zu erneuern.

c. Anwendungsgebiete:

Elektronikindustrie: Herstellung von hochreinem Wasser, das für Halbleiter und andere elektronische Bauteile benötigt wird.

Kraftwerke: Weit verbreitete Anwendung in Reinstwasseraufbereitungsanlagen für Wärmekraftwerke.

Synthetische Chemie und petrochemische Industrie: Ionenaustauscherharze können als Katalysatoren wirken und anorganische Säuren und Basen in Reaktionen wie Veresterung, Hydrolyse und Hydratisierung ersetzen.

Pharmazeutische Industrie: Ionenaustauscherharze spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Antibiotika der neuen Generation und der Verbesserung der Qualität bestehender Antibiotika.