Wasser gehört zu den kostbarsten Gütern auf Erden. Es zu schützen und zu bewahren ist eine ökologische Verpflichtung. Dank der modernen Chemie ist es möglich, Wasser für jede erforderliche Verwendungsform aufzubereiten. Einen wichtigen Beitrag leisten hier lonenaustauscher, deren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten sich über weite Bereiche in lndustrie und Haushalt, Medizin und Forschung erstecken. Die kleinen Polymerperlen funktionieren denkbar einfach: Sie binden unerwünschte Stoffe in Flüssigkeiten und geben dafür unbedenkliche Stoffe ab.

Synthetische, organische lonenaustauscher kommen typischerweise als millimetergroße Polymerkügelchen auf den Markt. Ihre Geschichte ist untrennbar mit der industriellen Entwicklung verbunden. Nicht nur, dass es sie ohne die Polymerwissenschaften und die chemische Industrie nicht gäbe. Eben diese Harze haben dazu beigetragen, dass sich die Energiewirtschaft so rasant entwickeln konnte: von der Dampfmaschine bis zum hochleistungsoptimierten Hochdruckkessel in nicht einmal einhundert Jahren. Bereits die ersten Austauscherharze wurden in den 1930er Jahren in Kraftwerken getestet. Polymere aus Styrol und Divinylbenzol lösten die Harze der frühen Jahre ab. Mit ihnen begann der eigentliche Siegeszug der Ionenaustauscher. Sie konnten ab den 1950er Jahren in großen Mengen mit einheitlichen, genau definierten Eigenschaften hergestellt werden.

Dieses einfache Prinzip hat eine breite Palette von Anwendungen gefunden. Dazu gehören die Entkalkung von Trinkwasser mit Tischfiltern ebenso wie die Enthärtung von Wasser in der Geschirrspülmaschine – damit an Tassen und Gläsern keine hässlichen Kalkflecken oder -ränder zurückbleiben. Kesselspeisewasser und Kondensat von industriellen Dampfkesselanlagen – etwa in Kraftwerken zur Energieversorgung – werden mit lonenaustauschern vor- und aufbereitet. Wasserenthärtung und -entsalzung sind damit zentrale Einsatzgebiete für lonenaustauscher, sei es in Forschung, Industrie oder Haushalt.

Jeder Ionenaustauscher hat nur eine begrenzte Kapazität, das heißt, er kann nur so viele Ionen austauschen, wie er vorher beim Aktivieren aufgenommen hat. Danach muss er regeneriert werden. lonen, die er beim Austauschprozess gebunden hat, werden dabei wieder freigesetzt und gegen andere Ionen zurückgetauscht. Dazu werden die fast unverwüstlichen Polymerkügelchen zunächst mit Lösungen von Salzen, Säuren oder Basen gespült und anschließend mit Wasser gewaschen. So regeneriert, ist der Austauscher wie neu: Er kann wieder eingesetzt werden, bis sein Ionenvorrat erschöpft ist. Sein „Leben“ besteht somit aus einem ständigen Wechselspiel von Austausch und Regenerierung.

Wasser ist ein wichtiger Einsatzstoff in der Lebensmittelindustrie. Dies gilt vor allem in der Getränkeindustrie, denn hier ist zum Beispiel Wasser der Hauptbestandteil bei Softdrinks. Auch bei der Herstellung anderer Getränke spielen lonenaustauscher eine wichtige Rolle: Fruchtsäfte, aber auch Molke, werden mit ihrer Hilfe entsäuert oder entsalzt. Und dass manches Getränk besser schmeckt, wenn es mit kalkarmem Wasser zubereitet wird, wissen viele von uns vom Tee oder Kaffee. Auch hier kommen lonenaustauscher zum Einsatz, sowohl in der Gastronomie zum Beispiel in Kaffeevollautomaten, als auch im Haushalt in Form von handlichen Wasserfiltern. Eine der wichtigsten Anwendungen im Lebensmittelbereich ist die Herstellung von Zucker und Glukosesirup. Wenn in der sogenannten Raffination aus Rohzucker der strahlend weiße, kristalline Feinzucker entsteht, ist dies zu einem erheblichen Teil solchen lonenaustauschern zu verdanken. Sie entfernen zum einen Salze aus den Rohlösungen, die sonst den süßen Geschmack verfälschen würden. Sie entziehen diesen Lösungen aber auch die gelben bis braunen Inhaltsstoffe, die dem Rohzucker seine Farbe geben.

Auch für eine Reihe von Spezialanwendungen sind die Polymerkügelchen die Materialien der Wahl: etwa um Restzucker aus Melasse zu gewinnen oder wenn Traubenzucker von Fruchtzucker getrennt werden soll, werden die Rohlösungen über mit Ionenaustauschern gefüllte Säulen geleitet. In diesem als Chromatographie bezeichneten Verfahren werden die verschiedenen Inhaltsstoffe der Lösungen voneinander getrennt.

Die Gewinnung von hochreinem, batteriefähigem Lithium, Kupfer, Nickel und Kobalt ist essentiell, um die Umstellung auf Elektromobilität voranzutreiben. Ionenaustauscherharze bewähren sich schon länger in der Extraktion und Gewinnung von hochreinem, batteriefähigem Kupfer, Nickel und Kobalt aus Erzmaischen (Resin-In-Pulp). Ebenso werden Ionentauscher für die Feinreinigung von Nickel- und Kobaltkonzentraten für die Herstellung von hochreinem Kobalt und Nickel eingesetzt. Die vier Metalle sind Bestandteil von Aktivmaterialien für Zellenkathoden der Lithium-Ionen-Batterien. Der Einsatz von Ionenaustauschern führt zu hocheffizienten Raffinationsverfahren, mit denen leistungsfähige Batterien mit guter CO₂- und Wasser-Bilanz hergestellt werden können.

Die Rezyklierung von Wasch- und Spülwässern in der Galvanoindustrie hat beispielsweise dazu geführt, dass sich mit Hilfe von Ionenaustauschern bis zu 95 Prozent Frischwasser einsparen lassen. Zusätzlich konnte so häufig die Qualität des Spülwassers noch verbessert werden. Und wenn dann noch Wert- oder Edelmetalle aus den Bädern zurückgewonnen werden können, ist dies ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil: Aus Abfall wird Rohstoff.

Schon diese wenigen Beispiele lassen erkennen, welche Bedeutung Ionenaustauscher für den produktionsintegrierten Umweltschutz haben. Aber auch bei der Sanierung von Altlasten leisten sie wichtige Beiträge: bei der Reinigung schwermetallhaltiger Wasser, etwa aus der Rauchgaswäsche oder aus Deponiesickerwasser ebenso wie bei der Dekontamination von Böden. Bei der Grundwassersanierung können neben zahlreichen Schwermetallionen und ionischen Komplexen auch chlorierte Kohlenwasserstoffe und andere, organische Verunreinigungen, speziell Aromaten, entfernt werden. Schadstoffe können bis in den ppb-Bereich hinab entfernt werden.

Aufwand und Umweltbelastung bei der Herstellung fallen aufgrund der Iangen Lebensdauer im Betrieb kaum ins Gewicht. Hochentwickelte Regeneriertechniken, zum Beispiel die Gegenstromverfahren, sorgen dafür, dass auch im Betrieb Umwelt und Ressourcen geschont werden. So gelingt es, die Salzfracht beim Regenerieren erheblich zu senken. Und wenn nach meist mehreren zehntausend Regenerierzyklen auch diese fast unverwüstlichen, kleinen Kunststoffperlen schließlich zu Abfall werden, lassen sie sich in vielen Fällen thermisch verwerten. Dabei stellen sie einen erheblichen Teil der Energie erneut zur Verfügung, die bei ihrer Produktion aufgewendet wurde.

lonenaustauscher, in lndustrieanlagen als Träger für katalytisch aktive Metalle eingesetzt, können Jahrzehnte überdauern. Die Katalysatoren, die sie tragen, bleiben nämlich im Betrieb an ihrem Platz. Ihre bloße Anwesenheit genügt, um den Verlauf chemischer Reaktionen zu steuern. So ermöglichen beispielsweise mit Palladium dotierte Anionenaustauscher zum Korrosionsschutz von Analagenbauteilen die Entfernung von Sauerstoff aus Wasser bis hinunter in den ppb-Bereich. Diese Harze sind oft noch voll funktionsfähig, wenn die Anlage, in der sie ihren Dienst tun, nach vielen Jahren abgerissen wird.

Autor: Dr. Stefan Neufeind, Leiter Technisches Marketing Ionenaustauscher im Geschäftsbereich Liquid Purification Technologies der LANXESS Deutschland GmbH       
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh