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Ionenaustausch (IEX)

Die Ionenaustausch-Technologie ist eine gut bekannte und weit verbreitete Technologie: Man kann sie klassisch zur Enthärtung von Wasser anwenden, im Großen in der Anwendung der VE-Wassererzeugung, aber auch im Kleinen in der Spülmaschine in fast jedem Haushalt.

Der Ionenaustausch findet meist zwischen einer ionischen Gruppe gebunden an eine Festphase und beweglichen Ionen in einer Lösung statt. In der Regel sind Ionenaustauscher kleine Kugeln aus einer Polymermatrix, die fest gebunden ionische Gruppen als sogenannte funktionelle Gruppe tragen.

Je nach Art der funktionellen Gruppe unterscheidet man

  • Kationenaustauscher, die ein gebundenes Säureanion tragen
  • Anionenaustauscher, die ein gebundenes Basekation oder eine Aminfunktion tragen
  • Selektivionenaustauscher, die chelatisierende/komplexbildende funktionelle Gruppen besitzen

Entscheidend ist, dass sich das Verhalten der funktionellen Gruppen je nach äußerem pH-Wert ändern kann. Dies wird für den Betrieb genutzt.

Der Ionenaustausch beruht darauf, dass nicht alle Ionen gleich gut an die jeweilige funktionelle Gruppe binden: Das stärker bindende Ion verdrängt das schwächere Ion von der Bindungsstelle.

Im Bild ist der Ionenaustausch am Beispiel eines Kationenaustauschers erklärt:

Calcium und Magnesium binden besser an die funktionelle Gruppe, Natrium wird in das Wasser abgegeben. Das herauslaufende Wasser ist Calcium- und Magnesium-frei, Kesselsteinbildung findet im weiteren Verlauf der Rohrleitungen nicht mehr statt.

Wenn alle Bindungsstellen mit Calcium oder Magnesium besetzt sind, muss man den Ionenaustauscher mit z.B. Natriumchlorid (Kochsalz) regenerieren

Das gleiche Prinzip kann man aber auch für ganz spezielle Anwendungen zur Gewinnung oder Selektion von chemischen Molekülen nutzen. Wir haben Erfahrung mit Anwendungen in der Biochemie, organischen Chemie, Metalloberflächentechnik, Abwasseraufbereitung, und vieles mehr.

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Adsorption

Im Unterschied zum Ionenaustausch werden Adsorber meist zur Entfernung von organischen Stoffen aus Flüssigkeiten eingesetzt. Dabei gibt es ganz unterschiedliche Materialen:

  • Die klassische Aktivkohle, die in ganz vielen Variationen erhältlich ist
  • Adsorberpolymere, die zumeist keine funktionellen Gruppen tragen
  • Anionenaustauscher, die sowohl per Ionenaustausch, als auch per Adsorption binden

Generell nutzt man die Adsorption von organischen Stoffen an die innere Oberfläche des Adsorbers. Wichtig für die Bindungseigenschaften sind daher Oberflächenbeschaffenheit, Porosität, Porengröße und das Material des Adsorbers selber.

Die Regeneration eines adsorbierten Stoffes ist sehr unterschiedlich und hängt von der Art der Bindung ab.

In der Regel werden Dampf oder Lösungsmittel genutzt. Es kann aber auch zur irreversiblen Bindung kommen. Oft sind auch Säure oder Lauge geeignet.

Die Eigenschaften eines Polymeradsorbers verändern sich im Vergleich zur Aktivkohle über die Zeit des Einsatzes weniger, da die Porenstruktur stabiler ist als bei vielen Aktivkohleprodukten.

Nanofiltration (NF)

Warum entwickelt MionTec auch Nanofiltrations-Anwendungen?

Die Nanofiltration ist keine Filtration nach herkömmlicher Art und Weise. Die Besonderheit der Nanofiltrationsmembranen ist ihre Ionenselektivität.

Vergleichbar mit den Ionenaustauscherharzen gibt es auch für die Nanofiltration Selektivitätsreihen für den Rückhalt.

Für die Anionen steigt der Rückhalt nach folgender Reihe:

NO3– , Cl–, OH–, SO4–, CO32- …….

Für die Kationen steigt der Rückhalt nach folgender Reihe:

H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cu2+ ……..

Der Unterschied zum Ionenaustausch ist, dass es bei der Nanofiltration keinen Ionentausch beim Passieren einer Säule, sondern eine Auftrennung in zwei Fraktionen gibt: Retentat und Permeat

Aufgrund von Festionen in den Membranen kann der Donnan-Ausschluss für die Stofftrennung genutzt werden

Bei organisch neutralen Komponenten entfallen die elektrischen Wechselwirkungen, aber es bleibt der Größenausschluss. Entsprechend ihrem Molekulargewicht werden Moleküle, die größer als 200 g/mol sind, nahezu komplett zurückgehalten.

Wollen Sie die speziellen Eigenschaften der Nanofiltration gerne nutzen, dann kontaktieren Sie uns.

Gerade in Kombination mit Ionenaustausch-Verfahren kann die NF oft Ihre Stärken zeigen.

Vorwärts-Osmose (VO)

Hydraulisch-druckgetriebene Verfahren haben oft den Nachteil des extremen organisch bedingten Membranfoulings. Speziell in Aufgabenstellungen, bei denen solches Fouling die Membran in Minuten zusetzt, sind wir mit dem Verfahren der Vorwärtsosmose sehr erfolgreich (z.B. bei ölhaltigen Wässern).

Der entscheidende Unterschied zum hydraulisch-druckgetriebenen Verfahren ist, dass nicht das Wasser durch die Membran gepresst wird (und alle Begleitstoffe demselben Druck folgen), sondern, dass Wasser durch einen osmotischen Druck durch die Membran gesaugt wird. Genauer gesagt auch nur Wasser. Die treibende Kraft wird durch eine Zuglösung auf der Gegenseite der Membran bewirkt. Sie besitzt aufgrund eines hohen Salzgehaltes einen hohen osmotischen Druck, welcher Wasser zum Ausgleich dieses Drucks anzieht.

Die technische Herausforderung bei diesem Verfahren ist einerseits die Auswahl der geeigneten Membranen und andererseits die Aufrechterhaltung der hohen Salzkonzentration in der Zuglösung, wenn permanent Wasser durch die Membran tritt.

Sie wollen unsere Verfahren genauer kennenlernen? Dann kontaktieren Sie uns bitte.

Elektrodialyse (ED)

Auch die Elektrodialyse (ED) ist nicht hydraulisch-druckgetrieben. Die Antriebskräfte für Ionen werden durch ein elektrisches Feld ausgeübt. Dadurch ergibt sich – ähnlich wie bei der Vorwärtsosmose – keine Antriebskraft für z.B. Öle, Fette und organische Substanzen vieler Art. Nur Ionen werden im elektrischen Feld bewegt. Gleichzeitig wandern Kationen und Anionen in unterschiedliche Richtung.

Dieses Verhalten kennt man von der Wasserelektrolyse, nur dass bei der ED durch mehrere ionenselektive Membranen einzelne Teilströme erzeugt werden, welche nur noch eine Ionensorte enthalten. Aus einem salzhaltigen Eingangsstrom werden also ein saurer (säurehaltiger) und ein alkalischer (basenhaltiger) Strom getrennt erhalten. Hierdurch sind sehr vielfältige Entsalzungsverfahren und Trennaufgaben lösbar geworden.

Hierzu liegen bei uns vielfältige Erfahrungen auch in Kombination mit der Vorwärtsosmose oder dem Ionenaustausch vor. Neugierig? Dann hier klicken!

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