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3.5 Ionenaustausch I
(Ermittlung von Gesamt- und nutzbarer Volumenkapazität)
3.5.1 Aufgabenstellung
Das Ziel des Versuches besteht darin, den Ionenaustausch als Wasseraufbereitungs-
verfahren in seinen theoretischen Grundlagen sowie in den Grundprinzipien der
technischen Umsetzung kennenzulernen. Dazu sind an Laborfestbettsäulen Durch-
bruchskurven für den H
C
/Ca
2
C
- und den Na
C
/Ca
2
C
-Austausch aufzunehmen und
daraus Kenngrößen des Ionenaustauschermaterials zu ermitteln.
3.5.2 Theoretische Grundlagen
Ionenaustauscher sind Substanzen, die in der Lage sind, aus einer Elektrolytlösung
(meist wässrige Lösungen von Salzen, Oxiden, Säuren oder Basen) positiv oder ne-
gativ geladene Ionen aufzunehmen und im Austausch dafür eine äquivalente Menge
anderer Ionen gleichen Ladungsvorzeichens abzugeben. Es gibt natürliche Ionen-
austauscher (z. B. Böden, Hölzer, bestimmte Mineralien) und künstlich hergestell-
te. Für technische Anwendungen, z. B. die Wasseraufbereitung oder -behandlung,
werden meist Kunstharzionenaustauscher verwendet. Sie bestehen aus einem or-
ganischen Grundgerüst (Matrix R), an dem sich austauschaktive Gruppen befin-
den, z. B. SO
3
H- oder COOH-Gruppen im Fall von Kationenaustauschern bzw.
N(CH
3
)
3
OH- oder N(CH
3
)
2
C
2
H
4
OH-Gruppen im Fall von Anionenaustauschern.
Die hohe Polarität der Gruppen bewirkt eine Dissoziation in sogenannte Festionen
und Gegenionen in der Lösung, z. B.:
R-SO
3
H
•
R-SO
3
C
H
C
:
(3.20)
Die Gegenionen können dann gegen Coionen gleicher Ladung ausgetauscht wer-
den, z. B. H
C
-Ionen gegen Ca
2
C
-Ionen im Fall eines Kationenaustauschers. Der
Austauschvorgang ist eine Gleichgewichtsreaktion, die wie folgt formuliert werden
kann:
2
R-SO
3
H
C
Ca
2
C
• .
R-SO
3
/
2
Ca
C
2H
C
bzw. in Kurzschreibweise
2
R-H
C
Ca
2
C
•
R
2
-Ca
C 2
H
C
:
(3.21)
Das Ionenaustauschgleichgewicht zwischen dem Austauscher und der Lösung kann
mit der entsprechenden Gleichgewichtskonstanten charakterisiert werden. Zum
Beispiel gilt für ein binäres Kationenaustauschsystem R-A/B mit der allgemeinen
Reaktionsgleichung
mR
n
A
C
nB
mC
•
nR
m
B
C
mA
nC
n
m
.
c
B
/
.
c
A
/
K
AB
D
(3.22)
.
c
B
/
n
.
c
A
/
m
c, c
i
: Äquivalentkonzentration der Ionen i in der Harzphase bzw. in der Lösung.
