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Anwendungen des Ionenaustauschs
Übersicht

Inhalt

1. Wasseraufbereitung

1.1. Enthärtung
1.2. Entkarbonsierung
1.3. Vollentsalzung
1.4. Mischbett-Polizeifilter
1.5. Trinkwasser

2. Zuckerindustrie

2.1. Enthärtung des Wassers zur Zuckerextraktion
2.2. Enthärtung von Rübenzuckersäften
2.3. NRS-Verfahren
2.4. Gryllus-Verfahren
2.5. Entsalzung von Zuckersäften vor deren Eindampfen
2.6. Entfärbung von Rohrzuckersäften nach deren Eindampfen
2.7. Quentin-Verfahren
2.8. Gewinnung von Zucker aus Melasse
2.9. Saccharose-Inversion
2.10. Chromatographische Trennung
2.11. Glukose-Entsalzung

3. Weitere Anwendungen in der Lebensmittelindustrie

3.1. Milchprodukte
3.2. Getränkeindustrie
3.3. Fruchtsaftbehandlung
3.4. Rückgewinnung von Polyphenolen
3.5. Zitronensäurereinigung
3.6. Aminosäuretrennung
3.7. Sorbitolentsalzung
3.8. Gelatineentsalzung

4. Anwendungen in der chemischen Industrie

4.1. Rückgewinnung oder Entfernung von Metallen
4.2. Chloralkalielektrolyse
4.3. Phenol
4.4. Reinigung von Wasserstoffperoxid
4.5. Selektive Entfernung von verschiedenen Elementen

5. Katalyse

5.1. Alkylierung
5.2. Kondensation
5.3. Veresterung
5.4. Ethersynthese
5.5. Dehydrierung
5.6. Hydrierung

6. Pharma-Industrie

6.1. Gewinnung und Reinigung von Antibiotika
6.2. Retardierung
6.3. Ionenaustauscher als Arzneimitteln
6.4. Geschmack-Maskierung
6.5. Produktionschromatographie

7. Weitere verschiedene Anwendungen

7.1. Bergbau
7.2. Enzym-Immobilisierung
7.3. Hydrokultur
7.4. Ölentfernung durch Koaleszenz


1. Anwendungen des Ionenaustauschs in der Wasseraufbereitung

Siehe auch die Seite (auf Deutsch) über die Grundlagen des Ionenaustauschs mit einfacher Beschreibung und den Reaktionen der Enthärtungs- und Entsalzungsverfahren. Eine weitere Seite beschreibt Regenerationsmethoden.

Robinet1.1. Enthärtung

Ein stark saurer Ionenaustauscher wird hier in der Natriumform eingesetzt. Die härtebildenden Ionen — hauptsächlich Calcium- und Magnesiumionen — werden durch Natriumionen ausgetauscht. Enthärtetes Wasser kann für verschiedene Zwecke benutzt werden:

Empfohlene Harztypen: Qualität des aufbereiteten Wassers:
Resthärte 0,02 mval/L (0,056 °dH) mit Gegenstromregeneration

Regeneration: Salzsole (10 %ige NaCl-Lösung)

1.2. Entkarbonisierung

Wen das Wasser Hydrogencarbonat (auch Bikarbonat genannt, welches die Alkalität oder m-Wert des Wassers darstellt) enthält — dies ist der allgemeine Fall in Deutschland und im größten Teil Westeuropas — werden die mit Bikarbonationen assoziierten Calcium- und Magnesiumionen gegen Wasserstoffionen eines schwach sauren Ionenaustauschers ausgetauscht. Dies wird auch als Entfernung der Carbonathärte beschrieben. Das behandelte Wasser enthält Kohlendioxid, welches mit einem Rieseler durch Entgasung entfernt werden kann. Der Salzgehalt dieses Wassers ist niedriger als der des Rohwassers. Entkarbonisierung wird eingesetzt:

Empfohlene Harztypen: Qualität des aufbereiteten Wassers:
Rest-m-Wert: sehr niedrig, da der Endpunkt 10 % des m-Werts des Rohwassers entspricht
Resthärte = Nichtkarbonathärte (= TH – m-Wert)

Regeneration: Säure (vorzugsweise HCl in 5 %iger Lösung)

1.3. Vollentsalzung

Um alle Ionen zu entfernen muss das Wasser erst durch einen Kationenaustauscher in der Wasserstoffform, dann durch einen Anionenaustauscher in der sogenannten freie Base oder Hydroxidform fließen. Alle Kationen werden durch die H+-Ionen des Kationenaustauschers, und alle Anionen durch die OH-Ionen des Anionenaustauschers ersetzt. Diese Ionen rekombinieren zu neuen Wassermolekülen (H2O). Das behandelte Wasser enthält nur noch Spuren von Natrium und Kieselsäure.

Empfohlene Harztypen:

Der Einsatz von schwachen Austauschern hängt von der Zusammensetzung des Rohwassers und mit der Größe der Anlage ab.

Qualität des aufbereiteten Wassers:
Leitfähigkeit 0,2 bis 1 µS/cm mit Gegenstromregeneration
Restkieselsäure 5 bis 50 µg/L, abhängig von der Kieselsäuremenge im Rohwasser und von den Regenerationsbedingungen.
Diese Werte sind erheblich niedriger als die mit anderen Verfahren wie Umkehrosmose oder Destillation erhalten.
Der pH-Wert entsalzten Wassers kann nicht gemessen werden, also sollte er nie als Verfahrenskontrolle benutzt werden.

Regeneration
Kationenaustauscher: starke Säure (HCl oder H2SO4)
Anionenaustauscher: Natronlauge (NaOH)

1.4. Feinreinigung mit Mischbett-Polizeifiltern

MBWenn eine noch höhere Reinwasserqualität — praktisch chemisch reines Wasser — produziert werden muss, wird eine weitere Ionenaustauschersäule nachgeschaltet, welche einen stark sauren Kationenaustauscher und einen stark basischen Anionenaustauscher enthält. Dies nennt man einen Polizeifilter. Die Ionenaustauscherharze müssen in der Beladungsphase innigst vermischt sein, aber für die Regeneration muss man sie durch eine Rückspülung des Harzbettes hydraulisch trennen. Für Mischbette müssen deshalb Harztypen mit passender Korngröße und Dichte eingesetzt werden.

Empfohlene Harztypen:

Qualität des aufbereiteten Wassers:
Leitfähigkeit 0,055 bis 0,1 µS/cm
Restkieselsäure 1 bis 10 µg/L.
Der pH-Wert entsalzten Wassers kann nicht gemessen werden, also sollte er nie als Verfahrenskontrolle benutzt werden.

Regeneration
Kationenaustauscher: starke Säure (HCl oder H2SO4)
Anionenaustauscher: Natronlauge (NaOH)

1.5. Trinkwasser

Ionenaustausch ist ein Verfahren, das die selektive Entfernung von vielen einzelnen Verunreinigungen ermöglicht. Siehe die entsprechende Seite über Trinkwasser.

2. Anwendungen der Ionenaustauscher in der Zuckerindustrie

Sucre en morceaux2.1. Enthärtung des Wassers zur Zuckerextraktion

Das Verfahren wurde im Abschnitt 1.1 beschrieben (Wasserenthärtung).

2.2. Enthärtung von Rübenzuckersäften

Die in Zuckersäften enthaltene Härte kann Kesselsteinablagerungen in den Wärmetauschern verursachen. Um diese Verkalkung zu verhindern, den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen und Energie zu sparen ist es ratsam, diese Zuckersäfte zu enthärten. Die Anlage kann dann kontinuierlich betrieben werden, und die von der ansonsten periodisch notwendigen Entkalkung verursachten Produktionsunterbrechungen fallen aus. In diesem Verfahren werden ähnliche Ionenaustauschertypen eingesetzt, wie in der Wasserenthärtung — starksaure Kationenaustauscher in der Natriumform — aber die Harze müssen für die Verarbeitung von Lebensmittelprodukten genehmigt werden, und die besonderen Konzentrations- und Temperaturbedingungen aushalten können.

Die Calcium- und Magnesiumionen in den Zuckersäften werden vor dem Eindampfen gegen die Natriumionen aus dem Kationenharz ausgetauscht. Die Enthärtung findet nach der Karbonatation statt. Meistens werden zwei oder mehrere Ionenaustauschkolonnen gebaut, damit der Betrieb pausenlos erfolgen kann.

Empfohlene Harztypen:

2.3. Das NRS-Verfahren

Eine schlaue Idee: der Ionenaustauscher wird mit einer mit Zuckerdünnsaft verdünnten Natronlaugelösung regeneriert. Calciumhydroxid ist zwar in Wasser schwerlöslich, wird aber in einer Saccharoselösung löslich. Der Regenerationsabfall wird am Anfang der Installation wieder verwendet, so dass es praktisch kein Abwasser gibt. Zusätzlich wird die Verdünnung der Säfte vermieden, da die Absüßen- und Ansüßenstufen im NRS-Verfahren nicht notwendig sind. Die Energiebilanz ist gut und führt zur Verringerung des Dampfverbrauchs.

Empfohlene Harztypen:

2.4. Das Gryllus-Verfahren

Dies ist ein älteres wirtschaftliches Verfahren, bei welchem der Kationenaustauscher mit einem "dicken" Zuckersaft (Dicksaft) regeneriert wird, welcher eine hohe Natriumkonzentration aufweist. Somit ist der Salzverbrauch gering, und es gibt wiederum keine Saftverdünnung. Das verbrauchte Regeneriermittel wird auch hier wieder verwendet.

Empfohlene Harztypen:

2.5. Entsalzung des Zuckersafts vor dem Eindampfen

Das Verfahren besteht darin, die "Nichtzucker-Verbindungen" aus dem Saft zu entfernen, um die Zuckerausbeute bei der Kristallisation zu erhöhen. Im Allgemeinen ermöglicht jedes Kilogramm an entferntem Nichtzucker eine Produktion von 1,4 kg zusätzlichen Zucker. Ansonsten ist das Prinzip das gleiche wie in der Wasserentsalzung: man verwendet einen stark sauren Kationenaustauscher und einen schwach basischen Anionenaustauscher, welche jeweils mit Säure und Natronauge regeneriert werden.

Empfohlene Harztypen:

2.6. Entfärbung von Rohrzuckersäften nach deren Eindampfen

Rohrzuckerdicksäfte enthalten viele organische Stoffe, welche den kristallisierten Zucker färben und obendrein auch die Kristallisations-Ausbeute reduzieren. Bei dieser Anwendung werden stark basische makroporöse Anionenaustauscher eingesetzt, welche Verbindungen mit hoher Molekularmasse entfernen können. Diese Austauscher werden mit Natriumchlorid regeneriert. Die wirksamste Auslegung besteht aus zwei Ionenaustauschersäulen nacheinander, wobei die erste mit Acrylatharz und die zweite mit Styrolharz gefüllt sind.

Empfohlene Harztypen:

2.7. Das Quentin-Verfahren

Die Kristallisation des Rübenzuckers wird teilweise durch die im Saft anwesenden Kalium- und Natriumsalze gestört. Dies hat zur Folge, dass ein großer Teil des Zuckers nach der Kristallisation in der Melasse bleibt. Magnesium stört die Kristallisation wesentlich weniger als Kalium oder Natrium. Der Dünnsaft wird also mit einem Kationenaustauscher in der Magnesiumform behandelt. Die Natrium- und Kaliumionen werden am Austauscher gebunden und Magnesiumionen werden an den Dünnsaft abgegeben. Die Ausbeute von weißem Zucker wird damit erhöht, und weniger Melasse entsteht.

Empfohlene Harztypen:

2.8. Melasseentzuckerung

Dieses Verfahren beruht auf dem Prinzip des Ionenausschlusses, einer Art Chromatographie auf feinen, gleichförmigen Ionenaustauschern. Dabei werden die Nichtzucker abgetrennt und von der Melasse entzogen.

Empfohlene Harztypen:

2.9. Saccharose-Inversion

Die Saccharose (gewöhnlicher Zucker) ist ein Disaccharid. In saurem Milieu wird das Molekül in zwei Monosaccharide in stoffmengengleichen Teilen gespalten: Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker). Der Invertzucker hat eine höhere Süßkraft als Saccharose (1,15 gegen 1,0) und kristallisiert nicht so leicht, was für gewisse Produkte der Lebensmittelindustrie wichtig ist. Die Inversion wird dadurch erreicht, dass ein Zuckersirup durch einen wenig vernetzten stark sauren Kationenaustauscher in der H+-Form fließt.

Empfohlene Harztypen:

2.10. Chromatographische Trennung

Da Fructose eine höhere Süßkraft als Glucose besitzt (ca. 1,3 gegen 0,7) ist es vorteilhaft, Invertzuckersäfte mit Fructose anzureichern. Der Saft fließt durch eine Kolonne von feinem gleichförmigem Kationenaustauscher. Dabei bewegt sich die Fructose langsamer als die Glucose, und Fraktionen werden getrennt. Die an Fructose reiche Fraktion wird für ihren wirtschaftlichen Wert zurückgewonnen und die Glucosefraktion wird entweder als Glucosesirup verkauft, oder in einem enzymatischen Verfahren isomerisiert, um mehr Fructose zu gewinnen.

Empfohlene Harztypen:

2.11. Glucoseentsalzung

Das Prinzip ist das gleiche wie bei der Wasser- oder Zuckersaftentsalzung. Wegen der hohen Temperatur und der Konzentration der Säfte müssen besonders stabile Ionenaustauschertypen eingesetzt werden.

Empfohlene Harztypen:


3. Weitere Beispiele in der Lebensmittelindustrie

Petits-Suisses3.1. Entsalzung von Molke

Molke, ein Nebenprodukt der Käseherstellung, enthält Proteine und wird in verschiedenen Lebensmittelprodukten eingesetzt. Zur Erhöhung ihrer Reinheit wird die Molke entsalzt. Das Verfahren ist das gleiche wie für Wasser und Zuckersäfte.

Empfohlene Harztypen:

3.2. Getränkeindustrie

In diesem Bereich gibt es mehrere Anwendungen:

3.3. Fruchtsaftbehandlung

3.4. Rückgewinnung von Polyphenolen

Polyphenole werden heute für ihre antioxydierenden Eigenschaften gerühmt. Sie sind in verschiedenen Früchten, insbesondere in roten Trauben enthalten. Anthocyane, eine Art von Polyphenolen, werden als natürliche Farbstoffe eingesetzt und aus Traubenmost rückgewonnen.

Empfohlene Harztypen:

3.5. Zitronensäure

Zitronensäure wird als Konservierungsmittel in vielen industriellen Lebensmitteln gebraucht. Sie wird aus Fermentationsbrühen gewonnen, und durch Entsalzung gereinigt.

Empfohlene Harztypen:

3.6. Aminosäuren

L-Lysin und weitere essentielle (vom menschlichen Organismus nicht synthetisierte) Aminosäuren werden durch Fermentation hergestellt, und aus der Fermentatiionsbrühe mit einem Kationenaustauscher in der Ammoniumform isoliert.

Empfohlene Harztypen:

3.7. Sorbitolentsalzung

Sorbitol ist ein Polyol. Es wird als Süßungsmittel und Weichmacher gebraucht, zum Beispiel in Kaugummi. Es kann durch Hydrierung der Glucose oder durch enzymatische Verfahren hergestellt werden. Oft muss Sorbitol anschließend entsalzt werden.

Empfohlene Harztypen:

3.8. Gelatineentsalzung

Gelatine wird durch Verarbeitung des in Schweinehaut und -Knochen Kollagens gewonnen. Zur Erhöhung des Reinheitsgrads muss die Gelatine entsalzt werden.

Empfohlene Harztypen:


4. Anwendungen in der chemischen Industrie

Tissot4.1. Rückgewinnung bzw. Entfernung von Metallen

In der Galvanik können Metalle aus Lösungen und Bädern entfernt oder zurückgewonnen werden:

Weitere Beispiele:

4.2. Herstellung von Chlor und Natronlauge

Diese Chemikalien werden durch Elektrolyse einer Natriumchloridsole hergestellt (Chloralkalielektrolyse). In diesem Verfahren sind divalente Metalle (insbesondere Calcium) sehr störend und müssen entfernt werden. Zur Entfernung dieser Metalle wird ein chelatbildender, selektiver Austauscher eingesetzt. Die damit durchgeführte Enthärtung erniedrigt die Anfangskonzentration des Calciums von 10 bis 20 mg/L auf einen sehr kleinen Wert von 20 µg/L und weniger.

Empfohlene Harztypen:

4.3. Phenol

Zwei Anwendungen:

Empfohlene Harztypen:

4.4. Reinigung von Wasserstoffperoxid

Ionenaustauscher und Adsorberharze werden bei zwei verschiedenen Verfahren eingesetzt:

In beiden Fällen erhält man eine hervorragende Qualität: der "Schlupf" beträgt nur einige µg/L. Vorsicht: da Wasserstoffperoxid ein extrem starkes Oxidationsmittel ist sind bei beiden Verfahren sehr strenge Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Empfohlene Harztypen:

4.5. Selektive Entfernung verschiedener Elemente

Ich habe ein periodisches System der Elemente (Mendelejev-Tabelle) erstellt, das einige Daten über die selektive Entfernung verschiedener Ionen (hauptsächlich Metallionen) mit Hilfe von Ionenaustauscherharzen enthält.

5. Heterogene Katalyse

Le pleinEin Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Die Mehrzahl chemischer Reaktionen, besonders in der petrochemischen Industrie, wo in der Vergangenheit eine Mineralsäure als Katalysator eingesetzt wurde, werden heute mit stark sauren Kationenaustauschern in der H+-Form katalysiert. Der entscheidende Vorteil der Harze besteht darin, dass man am Ende der Reaktion den — festen — Katalysator restlos ausfiltrieren kann. Diese Harze arbeiten unter schwierigen Bedingungen, oft bei hoher Temperatur (130 bis 170 °C), und müssen die höchstmögliche Azidität aufweisen.

Einige Beispiele werden hier angegeben:

5.1. Alkylierung

Produkt Octylphenol
Edukte Octan + Phenol
Katalysator Amberlyst 15Dry
Temperatur 100 – 120 °C

5.2. Kondensation

Produkt Bisphenol A
Edukte Aceton + Phenol
Katalysator Amberlyst 131
Temperatur 60 - 80 °C

5.3. Veresterung

Produkt Dimethyl Maleat
Edukt Maleinsäure-Anhydrid
Katalysator Amberlyst 46
Temperatur 110 °C

5.4. Ethersynthese

Produkt Methyl-tertiär-butyl Ether (MTBE)
Edukte Isobutylen + Methanol
Katalysator Amberlyst 35
Temperatur 40 – 80 °C

5.5. Dehydrierung

Produkt Isobutylen
Edukt Isobutanol
Katalysator Amberlyst 35
Temperatur 70 – 80 °C

5.6. Hydrierung

Produkt Methyl-Isobutylketon (MIBK)
Edukt Aceton
Katalysator Amberlyst CH28 (mit Palladium dotiert)
Temperatur 130 – 140 °C

6. Pharmazeutische Industrie

GélulesDie Anwendungen der Ionenaustauscher und Adsorberharze in der Pharmaindustrie sind vielfältig und komplex. Da diese Industrie in der Regel nur unter Betriebsgeheimnis arbeitet, sind nur wenige Einzelheiten bekannt. Einige Beispiele können jedoch genannt werden:

6.1. Gewinnung und Reinigung von Antibiotika

Das Verfahren wird bei mehreren Antibiotikatypen angewendet. Es handelt sich dabei um die Isolierung und Reinigung derselben nach deren Gewinnung aus Fermentationsbrühen zu reinigen. Beispiele sind Streptomycin, Gentamycin, Cephalosporin, Tetracyclin.

Empfohlene Harztypen:

6.2. Retard-Formulierungen

In der Galenik werden hochreine gemahlene Ionenaustauscherharze eingesetzt. Die Aktivstoffe werden auf dem Pulverharz immobilisiert und werden dann im menschlichen Organismus langsamer freigesetzt (Retardwirkung), als im Vergleich hierzu Aktivstoffe, die ohne diese Hilfsmittel verwendet werden.

Harztypen:

6.3. Ionenaustauscher als Arzneimittel

Die gleichen Harztypen werden auch direkt als arzneilich wirksame Bestandteile im Medikament gebraucht. Selbstverständlich müssen sie dann extrem strikten Normen entsprechen und von den Gesundheitsämtern zugelassen sein. Hier zwei Beispiele:

Harztypen:

6.4. Geschmacks-Maskierung

Ähnliche Ionenaustauscherharze werden zur Maskierung eines unangenehmen Geschmacks eines Arzneimittels gebraucht.

6.5. Produktions-Chromatographie

Die feine präparative chromatographische Trennung von pharmazeutischen Verbindungen kann mit Hilfe von Ionenaustauscherharzen mit sehr kleiner Korngröße erfolgen, an Stelle von Silicagel oder anderen Trägersubstanzen.

Empfohlene Harztypen:

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7. Weitere verschiedene Anwendungen

Mine d'uranium7.1. Bergbau

Eine der wichtigsten Anwendungen, bei welcher Tausende von Kubikmetern Ionenaustauscher zum Einsatz kommen, ist die Urangewinnung. Das gebrochene Erz wird mit Schwefelsäure ausgelaugt, welche das Uran als Uranylsulfat in Lösung bringt und somit freisetzt. Diese saure Lösung fließt dann durch stark basische Anionenaustauschersäulen. Das Harz weist eine hohe Affinität für den Uranylsulfatokomplex auf.

Empfohlene Harztypen:

7.2. Enzym-Immobilisierung

In enzymatischen Reaktionen ist es vorteilhaft, das Enzym auf einem Träger zu immobilisieren, statt es direkt dem Reaktionsmilieu zuzufügen. Ionenaustauscherharze sind für diese Anwendung besonders gut geeignet.

Empfohlene Harztypen:

7.3. Hydrokultur

Kationen- und Anionenaustauscherharze werden zur Immobilisierung von Düngersubstanzen eingesetzt, welche für die hydroponische Pflanzenkultur notwendig sind: Ammonium, Kalium, Eisen, Zink (Kationen) sowie Nitrat, Phosphat (Anionen). Oligoelemente werden ebenfalls auf die Harze geladen. Diese Technik ermöglicht eine langsame Freisetzung der Düngerkomponenten, und verhindert eine Überdosierung.

Empfohlene Harztypen:

Entölung7.4. Ölentfernung durch Koaleszenz

Für die Entfernung von Ölspuren aus Kondensaten und anderen kontaminierten Lösungen wird ein spezielles Harz mit oleophiler Funktionalität verwendet. Das Wasser fließt nach oben durch das Harzbett. Öltröpfchen werden an der Oberfläche der Harzperlen gebildet, und wenn sie eine kritische Größe erreichen, fließen sie bis zum Kopf der Säule. Das Verfahren erfordert keine Regeneration, nur ein gelegentliches Waschen.
Harz

Eingesetzter Harztyp:
AmberliteTM ROC110

Das "b" Ende auf dem kleinen Bild stellt den oleophilen Teil der Aktivgruppe dar. Das andere Ende "a" ist mit der Harzstruktur gebunden.

 


Warenzeichen

Amberjet, Amberlite, Ambersep, Amberlyst, Amberchrom, Amberzyme, Dowex, Duolite und Imac sind Marken der Ionenaustauscher und Adsorberharze der Dow Chemical Company.
Lewatit ist eine Ionenaustauschermarke von Lanxess.



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© François de Dardel