Ionenaustauscher
Ionenaustauscher ist ein Sammelbegriff für Vorrichtungen, mit denen bestimmte
Ionen einer
Lösung gegen andere Ionen gleichnamiger
Ladung getauscht werden können. Dadurch lassen sich
Stoffe aus einer Lösung entfernen.
Allgemein verläuft die Arbeit mit Ionenaustauschern immer nach folgendem Grundschema: Die Lösung wird durch ein poröses, festes Material geleitet. Meist nutzt man als festes Material Mineralien aus der Gruppe der Zeolithe oder besonders vorbehandelte, synthetische Kunstharze, die große Komplexmoleküle enthalten. Bestimmte Ionen in der Lösung ersetzen dann Ionen oder Ionengruppen im Zeolith oder im Harz, aus dem sie anschließend ausgewaschen werden können. Durch geeignete Wahl des pH-Wertes, der Zusammensetzung und der Konzentration der Lösung sowie der Art des porösen Materials kann man bestimmte Ionen aus der Lösung mehr oder weniger gezielt entfernen.
Mit großem Erfolg wurde die Ionenaustauschmethode bei der zuvor äußerst umständlichen und schwierigen Trennung der verschiedenen Seltenerdmetalle angewandt. In der Kernforschung erwiesen sich ihre Vorteile beim Abtrennen des Plutoniums vom Uran und dessen Kernspaltprodukten. Durch Ionenaustausch konnte man erstmals das Seltenerdmetall Promethium sowie einige Transurane nachweisen und isolieren.
In Geschirrspülmaschinen dienen Ionenaustauscher der Entkalkung des Wassers zur Verhinderung der Entstehung von Kalkseife. Diese Ionenaustauscher benötigen Regeneriersalz.
Ionenaustauschermembran
Als Ionenaustauschermembran (auch Ionentauschmembran) bezeichnet man dünne Folien (Dicke: 20 - 100 Mikrometer), die nur von Ionen mit einem bestimmten Ladungsvorzeichen passiert werden können. "Anionentauschermembranen" sind durchlässig für elektrisch negativ geladene Teilchen (Anionen), während "Kationentauschermembranen" nur elektrisch positive geladene Teilchen (Kationen) hindurchlassen.
Technische Ionentauschermembranen bestehen aus Wasser - gequollenen Polymernetzwerken, an denen elektrisch geladene chemische Gruppen (z.B. COO-, SO3-, PO4-, NR4+,) über kovalente Bindungen fixiert sind. Die Gesamtladung der Membran wird durch mobile Gegenionen ausgeglichen, die in der wässrigen Membranphase gelöst sind. Diese mobilen Gegenionen können durch andere mobile Ionen mit gleichem Ladungsvorzeichen ausgetauscht werden, sobald die Membran in Kontakt zu einer Salzlösung gebracht wird. Folglich können alle Ionen mit dem gleichen Ladungsvorzeichen wie die mobilen Gegenionen diese Membran passieren, während entgegengesetzt geladene Ionen - welche das gleiche Ladungsvorzeichen besitzen wie die fixierten Ionen des Membrannetzwerkes - abgewiesen werden. Dieser Mechnismus wird als "Donnan-Ausschluss" bezeichnet und bewirkt, dass man Ionenaustauschmembranen als ladungsselektive Filter verwenden kann.
Die Selektivität, S+/-, einer Ionenaustauschmembran ist definiert als das Verhältnis der Konzentrationen von Kationen zu Anionen in der Membran. Diese Größe nimmt mit steigender Salzkonzentration ab, d.h. in konzentrierten Salzlösungen (Salzkonzentration > 10 - 15 mol/L) werden die Membranen wirkungslos. Die Berechnung der Kationen-/Anionenselektivität ist äußerst schwierig, weil S+/- gleichzeitig von der Ionenaktivität und dem osmotischen Druck innerhalb der Membran abhängt.