Wasserenthärtung:
Das Austauschermaterial ist zunächst mit Natriumionen besetzt. Leitet man hartes Wasser über das Harz, so werden die im Wasser enthaltenen Calcium- und Magnesiumionen gegen die vorhandenen Natriumionen ausgetauscht.
Ionenaustausch:
Ionenaustauscher bzw. Ionentauscher sind Materialien, die einen Austausch gelöster gleichgeladener Ionen herbeiführen können. Der Ionenaustausch findet in einer Säule statt, die mit dem entsprechenden Material für den Ionenaustausch angefüllt ist und eine Lösung beinhaltet. Gebräuchlich sind bei solchen Konstruktionen beispielsweise Kationen-Ionenaustauscher, die Ionen des Calciums, die im gewöhnlichen Leitungswasser vorkommen, an sich binden und stattdessen die eigenen Ionen an das Wasser abgeben können. Calcium-Ionen können ansonsten zu Kalkflecken führen, wie sie zum Beispiel in Geschirrspülmaschinen zu beobachten sind. Aus dieser Funktionsweise ergibt sich jedoch, dass der Austauscher irgendwann alle eigenen Ionen abgegeben hat und vollständig mit Calcium-Ionen versehen ist. Aus diesem Grund muss von Zeit zu Zeit eine sogenannte Regeneration vorgenommen werden, bei der mittels einer Kochsalzlösung die Calcium-Ionen verdrängt werden.
Arten von Ionentauschern
Die Unterscheidung der Ionentauscher erfolgt anhand der Art der Ionen, die mit dem entsprechenden Gerät ausgetauscht werden können. Unterschieden werden können dabei Kationenaustauscher und Anionenaustauscher, schwache Kationenaustauscher, die der Carboxygruppe und jene, die der stark sauren Sulfonsäuregruppe angehören. In der Praxis können zudem unterschiedliche Materialien zur Anwendung kommen, mit denen der Ionenaustausch erfolgt. Hierzu gehört beispielsweise das Ionenaustauscherharz, die entsprechenden Geräte werden als Kunstharz-Ionenaustauscher bezeichnet. Neben dem Ionenaustauscherharz können auch Materialien wie Zeolithe, Montmorillonit, Aluminiumoxid, Holz und Chlorophyll verwendet werden.
Besondere Anforderungen an die Kunstharz-Ionenaustauscher
Soll als Tauschmaterial Kunstharz eingesetzt und das Gerät für die Aufbereitung von Trinkwasser eingesetzt werden, sind durch den Hersteller besondere Anforderungen zu erfüllen. Es werden in der Praxis Grenzwerte definiert für die maximale Abgabe von organischen Stoffen an das Wasser, die beim Ionenaustauscherharz vor allem in der Anfangszeit auftreten können. Zu diesen Stoffen gehören beispielsweise Monomere, die Grenzwerte liegen in Deutschland bei maximal 3,0 mg/l. Zudem können die Harztauscher von dem Phänomen des Foulings betroffen sein, wenn beim Austauschprozess Stoffe aus dem Wasser aufgenommen werden, die im Rahmen der Regeneration nicht mehr entfernt werden können. Die Materialien müssen dann vollständig ausgetauscht werden, weshalb es zu einer Form des Verschleißes kommt.
Teilentsalzung (TE):
In der Regel wird Speisewasser entkarbonisiert, um den allgemeinen Salzgehalt zu minimieren bzw. zu regeln. Zu hoher allgemeiner Salzgehalt führt bei entsprechender Temperatur und Druck zu nicht gern gesehenen Nebenprodukten. Um Speisewasser für den täglichen Gebrauch zu enthärten gibt es grundsätzlich zwei Methoden. Entweder Sie entziehen dem Hartwasser die unerwünschten Stoffe durch das Einsetzen einer Art Filter, oder Sie fügen dem Wasser Hilfsstoffe zu, die den Stoffen entgegenwirken, bzw. sie neutralisieren. Bei der Wasserreinigung ist eine Entkarbonisierung oft günstiger und umweltverträglicher als eine entsprechende Manipulation durch Zusatzstoffe. Ebenfalls wird durch das Einsetzen einer Teilentsalzungspatrone eine nachhaltige und Ressourcen schonende Wasseraufbereitung gewährleistet.
Die Teilentsalzung wird der Vorgang genannt, bei dem hartem Wasser Calciumkarbonat und Magnesiumkarbonat entzogen wird. Das Rohwasser fließt durch ein Eingangsventil vom oben nach unter durch einen schwach sauren Ionenaustauscher. Dieser Ionenaustauscher kann mit Hilfe von Ionenaustauschharzen gelöste Ione (in diesem Fall die Calcium-Kationen) mit Ionen gleicher Ladung (hier Wasserstoff-Ionen) ersetzen. Bei dieser Form der Enthärtung entsteht aus der Karbonathärte Kohlensäure, womit der Salzgehalt um ca. 18mg/l reduziert wird. Mit der Belüftung durch einen thermischen Entgaser kann der Überschuss an Kohlensäure wieder abgeleitet werden, wodurch der pH-Wert des nun weichen Wassers wieder auf den geforderten Normwert von über 5 steigt. Danach fließt das entkarbonisierte Wasser zurück durch ein Steigrohr bereit für den menschlichen Verbrauch. Oben am Steuerventil wie auch unten am Steigrohr sorgen Filterdüsen dafür, dass der Ionentauscher nicht aus dem Druckbehälter gelangt.
Sobald der Austauscher keine weiteren Calcium-Kationen aufnehmen kann und somit erschöpft ist, muss er regeneriert werden. Die Regeneration des Kationen-Austauschers erfolgt durch den Durchfluss einer maximal konzentrierten Lösung von Natriumchlorid (Kochsalz) oder auch Salzsäure, die die gebundenen Calcium-Kationen wieder verdrängt.
Im privaten Haushalt, wie auch in gewerblichen Gebrauch (zum Beispiel im Gartenbau) kann eine Teilentsalzung des Wassers von Vorteil sein. Das Einsetzen der Harze für den Ionenaustausch weist eine hohe Anpassungsfähigkeit an veränderte Aufgaben, Rohwasserqualitäten und Wassermengen auf. Die gleichzeitige Entfernung von Kationen wie auch Anionen erfolgt ohne korrosionschemische Effekte auf die Wasserqualität. Durch die Regeneration mit einem Regeneriermittel wie Natriumchlorid werden die Betriebskosten tief gehalten und zusätzlich Treibhausgase verbraucht, was die Umweltverträglichkeit erhöht. Der Betrieb verläuft ab dem Zeitpunkt der Installation problemlos und die Bedienung bei maximaler Automatisierung sehr einfach.
Anwendungsbereich:
Kaffeemaschinen, Espressomaschinen, Kombidämpfer, Heißgetränkeautomaten,
Geschirrspülmaschinen, Gläserspülmaschinen
Vollentsalzung (VE):
Sämtliche im Wasser gelösten Ionen werden gegen Wasserstoff- und Hydroxidionen ausgetauscht; regeneriert wird mit HCl und NAOH => starksaurer Kationenaustauscher und starkbasischer Anionenaustauscher
Der pH-Wert des Wassers wird dabei in den sauren Bereich verschoben.
Anwendungsbereich:
Reinstwasser für Labor, Medizin, Batteriewasser, Geschirrspülmaschinen,
Laborgeräte, Aquaristik.
Wasseraufbereitung
Grundwasser, Oberflächenwasser, Regenwasser und selbst Leitungswasser müssen für zahlreiche Anwendung zunächst aufbereitet werden, beispielsweise um Trinkwasser oder Brauchwasser für chemische Prozesse und industrielle Anlagen zu gewinnen. Durch die Aufbereitung wird der Gehalt an Fremdstoffen und eventuellen Mikroorganismen zielgerichtet für die jeweilige Wassernutzung verändert. Grundsätzlich kann daher Wasser durch das Entfernen von Fremdstoffen aufbereitet werden, aber auch durch das Hinzufügen bestimmter Stoffe, um zum Beispiel einen gewünschten pH-Wert zu erzielen oder bestimmte Konzentrationen an Mineralien oder Ionen zu gewährleisten. Meistens werden mehrere Aufbereitungsverfahren nacheinander angewendet.
Gröbere Verunreinigungen und Schwebstoffe werden aus dem Wasser durch Rechen, Siebe und Filter abgeschöpft oder in einem Absetzbecken am Beckengrund ablagert. Fein verteilte Teilchen oder Tröpfchen, die sich nicht ohne weiteres absetzen, können durch Flockung aus dem Wasser entfernt werden. Entsprechend der zu entfernenden Fremdstoffen werden hierbei dem Wasser geeignete Chemikalien zugegeben, die dazu führen, dass die Teilchen oder Tröpfchen zusammenklumpen. Sie sinken dann auf den Boden des Absetzbeckens oder lassen sich herausfiltern. Bei der Fällung werden dagegen lösliche Substanzen in unlösliche verwandelt, so dass sie aus dem Wasser ausgeschieden werden.
Bei der Enthärtung des Wassers werden die positiv geladene Ionen der Härtebildner Calcium und Magnesium gegen Natrium-Ionen ausgetauscht. Häufig wird dazu ein Kationentauscher in Form eines Harzes verwendet, der vom Wasser durchströmt wird. Bei der Teilentsalzung werden dagegen die Hydrogenkarbonatsalze des Calciums und des Magnesiums entfernt. Das kann ebenfalls durch einen Kationentauscher erreicht werden. Bei der Vollentsalzung entfernt zusätzlich ein Anionentauscher im Wasser gelöste Anionen. Er tauscht also zum Beispiel Sulfat-, Nitrat- und Chlor-Ionen gegen Hydroxid-Ionen aus. Ionentauscher werden auch verwendet, um industrielle Abwässer von giftigen Schwermetallen zu reinigen und so gleichzeitig die technisch wertvollen Rohstoffe zurückzugewinnen.
Ein wichtiges Verfahren, mit dem gelöste Substanzen und Mikroorganismen aus dem Wasser entfernt werden können, ist zudem die sogenannte Umkehrosmose. Dabei wird das vorgereinigte Wasser unter hohem Druck durch eine Membran mit mikroskopisch feinen Poren gepresst. Während die Wassermoleküle durch die Membran wandern, bleiben die Fremdstoffe zurück. Auf diese Weise kann Trinkwasser beispielsweise aus Salzwasser gewonnen werden. In der Raumfahrt wird die Umkehrosmose auch dazu verwendet, Wasser aus dem Urin der Astronauten zurückzugewinnen.
Mikroorganismen lassen sich im Wasser alternativ durch Chlor, Chlorverbindungen, Ozon oder UV-Licht abtöten. Andererseits werden Mikroorganismen für biochemische Wasseraufbereitungsverfahren genutzt. Dazu gehört zum Beispiel die Denitrifikation durch spezielle Bakterien, die im Wasser gelöstes Nitrat abbauen. Durch die Zugabe von Chemikalien oder Mineralstoffen kann schließlich die Wasserbeschaffenheit gezielt verändert werden, beispielsweise um Ablagerungen oder Korrosion vorzubeugen.