Ionenaustauschverfahren

Bei einem Ionenaustausch wird die Fähigkeit verschiedener fester Stoffe ausgenutzt, bestimmte Ionen aus der umgebenden Flüssigkeit aufzunehmen und hierfür eine äquivalente Menge anderer Ionen abzugeben.
In der Natur gibt es zwar Stoffe, die diese Eigenschaften haben, beispielsweise die Zeolithe, Vermikulit, vulkanische Tuffe, etc.; die meisten verwendeten Ionenaustauscher werden jedoch aus Kunstharzen auf Styrolbasis in Form von kleinen Körnern hergestellt.
Die Ionenaustauscher werden zudem, je nachdem, ob die positiv oder negativ geladenen Ionen ausgetauscht werden, als Anionen- oder Kationenaustauscher gekennzeichnet.
Das einzelne Austauschkorn lässt sich als Modell auch analog als stark vergrößerte Schwammstruktur erklären. Hierbei sollte das Schwammgerüst (Matrix) als einziges Riesenmolekül angedacht werden, in das umfangreiche ladungstragende Gruppen (Ankergruppen) integriert sind. Die Ladung dieser Ankergruppen wird durch frei in der Porenflüssigkeit schwimmenden Gegenionen kompensiert, so dass das ganze Körnchen insgesamt elektrisch neutral ist. Wenn diese Gegenionen die "Schwammstruktur" verlassen, müssen diese, damit die Elektroneutralität wieder sichergestellt wird, durch eine gleiche Anzahl anderer Ionen mit gleicher Ladungsart ersetzt werden.
Die Anionenaustauscher gewinnen derzeit, primär wegen des Nitratproblems, im Trinkwasserbereich zunehmend an Bedeutung. Diese Austauscher lagern bevorzugt die Anionen starker Säuren, d.h. Chlorid, Sulfat und Nitrat an und lassen sich mit den Anionen schwacher Säuren regenerieren. Bei der Anwendung dieser Systeme bietet sich zur Regeneration Kohlensäure an, die die erforderlichen Hydrogencarbonationen aus dem Trinkwasser entfernen.
Wird dagegen ein Kationenaustauscher, der mit Natriumionen beladen ist, in ein Wasser geführt, das Calcium- und Magnesiumionen in einer ausreichend hohen Konzentration enthält, dann wandern diese Ionen in das Korn hinein und nehmen die Plätze der Natriumionen ein, die hierfür in das Wasser übergehen. Nach einer gewissen Zeit hat sich ein Gleichgewichtszustand zwischen den Ionenkonzentrationen im Innern und außerhalb des Korns eingestellt. Der Austauschvorgang ist nun abgeschlossen. Der Ionenaustauscher muss jetzt regeneriert werden. Zu diesem Zweck wird er mit einer Lösung in Berührung gebracht, die Natriumionen in einer ausreichend hohen Konzentration enthält. Als Folge wird ein Umkehrvorgang eingeleitet, wobei der Austauscher nach einer gewissen Zeit wieder in die Ausgangsform zurückgeführt wird. Aus der natriumionenreichen Regenerierlösung ist nun ein calcium- und magnesiumreiches Regenerierabwasser entstanden.
Zur Regeneration von Kationenaustauschern innerhalb des Wasserwerkbetriebes werden jedoch keine Natriumverbindungen, wie z. B. Natriumchlorid (Kochsalz) NaCl verwendet, sondern Säuren, die wie die Salzsäure (HCl), die Schwefelsäure (H2SO4) und die Kohlensäure (H2CO3) positiv geladene Wasserstoffionen (H+) zur Verfügung stellen.