Eigenschaften der Ionenaustauscher

Einführung

Die Bedeutung der folgenden Parameter wird hier beschrieben:

• Korngröße
• Austauschkapazität
• Feuchtigkeitsgehalt
• Trockensubstanz
• Dichte
• Schüttgewicht
• Effekt der Bettkompression
• Aussehen
• Volumenänderung
• Beständigkeit
• Struktur und Selektivität

und Beispiele werden gezeigt.

Die Struktur (Matrix und Aktivgruppen) der Ionenaustauscher wird in anderen Seiten (auf Englisch) beschrieben, sowie Einzelheiten über Totalkapazität und nutzbare Austauschkapazität (auf Deutsch).

Warum ist die Ionenform wichtig?

Die Ionenform, in der sich der Austauscher befindet, sollte bei jeder Eigenschaft angegeben werden, weil deren Wert sich mit der Ionenzusammensetzung im Harzkorn ändern kann. Dies ist besonders der Fall für folgende Eigenschaften:

• Kapazität
• Wassergehalt
• Partikeldichte

und auch zum Teil für die Korngröße. Zum Beispiel, Amberjet 4400 hat eine Totalkapazität von ca. 1.5 val/L in der Cl^—-Form und 1.2 val/L in der OH^—-Form. Der Unterschied liegt darin, dass die Harzpartikeln um bis zu 30 % zwischen der Cl^—-Form und der OH^—-Form quellen. Die Anzahl der Aktivgruppen ist natürlich konstant, so dass wenn der Austauscher quillt, die Dichte der Aktivgruppen nimmt ab. Die Austauschkapazität misst eben diese Dichte der Aktivgruppen.

Beispiel: Analyse einer Charge von neuem Ionenaustauscherharz

Austauschertyp	Amberlite IRA96
Charge-Nummer	6210AA55
Totalkapazität [freie Base]	1.36 val/L
Gewichtkapazität [freie Base], trocken	5.16 val/kg
Trockengewicht [Freie Base]	264 g/L
Stark basische Kapazität	8.6 %
Wassergehalt [Freie Base]	61.8 %
Perfekte Kugeln	98 %
Ganze Kugeln	99 %
Partikeldichte [Freie Base]	1.04
Korngröße
Mittelwert	0.68 mm
Gleichheitskoeffizient	1.34
Harmonischer Mittelwert	0.67 mm
Effektive Größe	0.53 mm
Feinkorn durch 0.300 mm	0.1 %
Grobkorn über 1.18 mm	0.2 %

Korngrößenverteilung

Ursprünglich wurde die Korngrößenverteilung eines Ionenaustauschers mit Hilfe eines Satzes von Sieben gemessen. Das Volumen der Austauscherfraktion, welche auf jedem der Siebe blieb, wurde in einem Messzylinder bestimmt. Das Ergebnis wurde als kumulierter Prozentsatz durch eine gegebene Maschenweite angegeben.

Heute wird die Korngrößenverteilung mit einem optischen Partikelzähler bestimmt, welcher mit einem Computer verbunden ist und alla Partikelgrößenparameter berechnet. Diese Parameter sind:

• Mittlere Korngröße
• Gleichheitskoefficient (UC)
• Effektive Größe
• Harmonischer Mittelwert
• Anteil Feinkorn
• Anteil Grobkorn

Jede dieser Eigenschaften wird unten erklärt.

Messung der Korngrößenverteilung

Beispiel einer klassischen Korngrößenanalyse:

mm	% auf Sieb	% durch Sieb
1.25	0.8	99.2
1.00	2.0	97.2
0.80	14.9	82.3
0.63	33.2	49.1
0.50	32.5	16.6
0.40	14.1	2.5
0.315	2.0	0.5
Feiner	0.5

Die Werte "zwischen Sieben" wurden auf einem Diagramm mit einer logarithmischen Skala für die Sieböffnungen aufgetragen. Theoretisch und in der Praxis auch angenähert ist die Teilchengrößenverteilung von herkömmlichen "kesselpolymerisierten" Harzen normal (Gaußsche Verteilung). Eine Gaußsche Glockenkurve wurde dem Graphen überlagert.

Definitionen

• Der mittlere Durchmesser ist der Wert der (theoretischen) Sieböffnung, die genau 50 % des Austauschermusters durchlässt. Es wird als "d₅₀" abgekürzt.
• Die effektive Korngröße der Statistik ist der Wert der Sieböffnung, die genau 10 % des Musters durchlässt. Sie wird als "d₁₀" abgekürzt.
• Der Gleichheitskoeffizient wird als: UC = d₆₀ / d₁₀definiert.
  Dieser Koeffizient misst die "Breite" der Verteilung und der entsprechenden Gaußschen Glockenkurve. Hätten alle Harzperlen genau die gleiche Größe, so wäre der Gleichheitskoeffizient 1.0. Amberjet Ionenaustauscher haben einen UC von 1.05 bis 1.20, Ambersep und SB Typen 1.15 bis 1.30, RF Typen 1.20 bis 1.50, klassische Typen 1.3 bis 1.7. Siehe die kleinen Bilder oben.
• Der harmonische Mittelwert, als HMS abgekürzt, ist ein mathematischer Ausdruck der Verteilungsfunktion. Siehe dessen Formel rechts. Der HMS ist für theoretische Überlegungen über hydraulische Eigenschaften und Kinetik eines Ionenaustauschers nützlich. In der Praxis ist der HMS fast gleich dem Mittelwert, nur ein bisschen kleiner. Für Austauscher mit uniformer Verteilung sind beide Werte fast gleich.

Auf einem Gauß-Logarithmischen Papier, eine Normale Verteilung (kumulierter Prozentsatz durch die Siebe) wird als eine Gerade erscheinen, wie auf dem Bild rechts ersichtlich. In der Vergangenheit wurde ein solches Millimeterpapier tatsächlich gebraucht, um den mittleren Durchmesser, die effektive Korngröße und den Gleichheitskoeffizienten auf Grund der Laborergebnisse zu berechnen. Das beiliegende Beispiel zeigt die Ergebnisse, die der obigen Glockenkurve entsprechen. Die Punkte stehen nicht genau auf einer Gerade, weil das Sieben nicht perfekt ist, und die aktuelle Verteilung auch nicht genau dem Gaußschen Modell entspricht. Die Werte für dieses Beispiel sind:

Mittlerer Durchmesser	0.640 mm
Gleichheitskoeffizient	1.53
Effektive Größe	0.449 mm
Harmonischer Mittelwert	0.616 mm

Bei Ionenaustauscherharzen mit uniformer Korngröße liegen der mittlere Durchmesser, der harmonische Mittelwert und die effektive Größe sehr nahe beieinander. Bei total uniformer Verteilung, d.h. mit einem Gleichheitskoeffizienten von 1.00, wären diese Werte genau gleich. Siehe die Glockenkurve und die Gauß-logarithmische Grafik eines Austauschers mit UC=1.10.

Bedeutung der Korngröße

Feinkörnige Austauscher

• Gute Kinetik (schneller Ionenaustausch)
• Hoher Druckverlust

Grobkörnige Austauscher

• Niedriger Druckverlust
• Kein Verstopfen der Düsen

Die Korngröße ist besonders wichtig für:

• Mischbettanlagen
• Schichtbettsäulen
• Festbettanlagen
• Wirbelbettanlagen
• Rückspülvorgänge
• Chromatographie

Die Wahl der Korngröße ist immer ein Kompromiss: ein feines Austauschermaterial liefert eine höhere Kapazität, aber auch einen höheren Druckverlust, und feine Körner können Kollektordüsen verstopfen. Andererseits sind Ionenaustauscher mit größerer Körnung auf osmotische Schocks empfindlich und reagieren langsamer, und bringen dementsprechend eine niedrigere nutzbare Kapazität. Eine richtige Korngrößenverteilung ist für Anwendungen, wo die Trennung zwischen verschiedenen Harztypen wichtig ist (Mischbett- und Schichtbettanlagen) besonders kritisch.

In den Vereinigten Staaten wird die Korngröße meistens als "mesh" ausgedrückt. Siehe die entsprechende Umrechnungstabelle.

Ionenaustauschkapazität

Totalkapazität

• Ist die Anzahl an Aktivgruppen
• d.h. die Anzahl an austauschbaren monovalenten Ionen

Volumenkapazität und Trockengewichtkapazität müssen beide angegeben werden.

Nutzbare Kapazität

• Ist die Anzahl der Orte, wo Ionenaustausch während eines Betriebslauf tatsächlich stattfindet

Die Totalkapazität der Ionenaustauscher wird in der Qualitätskontrolle gemessen. Kapazitätswerte werden per Liter feuchten Austauschers oder per Kilogramm trockenen Harzes ausgedrückt. Die Trockengewichtkapazität gibt einen Hinweis, ob ein Ionenaustauscher richtig funktionalisiert worden ist. Während eine hohe Kapazität allgemein erwünscht wird, werden nicht alle Aktivgruppen während des Betriebslaufs benutzt. Weitere Details über den Begriff von Total- und nutzbaren Kapazität werden in einer anderen Seite angegeben.

Feuchtigkeitsgehalt

Feuchtigkeit (Wassergehalt) ist verbunden mit Porosität und Ionenform. Der Wassergehalt wird als Prozentsatz des feuchten Austauschergewicht in einer gegebenen Ionenform. Der Wassergehalt hat einen Einfluss auf die Leistung des Ionenaustauschers:

Hoher Wassergehalt

• gute Kinetik (schneller Austausch)
• gute Adsorptionseigenschaften
• niedrige Totalkapazität

Niedriger Wassergehalt

• hohe Totalkapazität
• niedrige Regenerierbarkeit
• große Ionen werden nicht aufgenommen
• Tendenz zur Harzvergiftung

Ungefähr die Hälfte des Gewichts aller Ionenaustauscher ist Wasser, es sei denn sie wurden getrocknet oder das Strukturwasser wurde durch ein organisches Lösungsmittel ersetzt. Das Strukturwasser umgibt die Aktivgruppen und füllt das Leervolumen in der Polymermatrix. Ein Austauscher mit hoher Feuchtigkeit hat offenbar weniger Trockensubstanz und folglich weniger Aktivgruppen und eine niedrigere Totalkapazität; andererseits kann ein solcher Austauscher einen besseren Zugang für größere Ionen bereitstellen.

Bei gelförmigen Austauschern ist der Wassergehalt umgekehrt proportional zum Vernetzungsgrad der Matrix. Bei makroporösen Austauschern ist dies nicht der Fall, weil die Porosität unabhängig vom Vernetzungsgrad eingestellt werden kann. Siehe dazu die Seite über Struktur (englisch).

Im Allgemeinen haben Ionenaustauscher mit geringer Feuchtigkeit eine langsamere Austauschkinetik und können durch Fremdsubstanzen vergiftet werden.

Trockensubstanz

Die Trockensubstanz wird wie folgt berechnet:

• entweder als Gegenstück des Wassergehalts (in %);
• oder als Masse des trockenen Austauschers per Liter des gelieferten (feuchten) Materials (in g/L)*.

*Die Trockensubstanz in kg/L ist numerisch gleich der Volumenkapazität (in val/L) dividiert durch die trockene Kapazität (in val/kg).

Die Trockensubstanz in g/L war einst von gewissen Produzenten statt dem Feuchtigkeitsgehalt in % gebraucht. Heute ist der Begriff der Trockensubstanz nicht mehr im Gebrauch.

Partikeldichte

Die Dichte (spezifisches Gewicht der einzelnen Harzteilchen) ist wichtig bei:

• Trennung von Mischbetten
• Schichtbettanlagen
• Festbettanlagen
• Rückspülvorgängen

Die Partikeldichte wird nicht bei jeder Charge gemessen, weil kleine Unterschiede unwesentlich sind. Jedoch ist dieser Parameter bei allen Verfahren wo 2 oder 3 Austauschertypen im gleichen Behälter gemischt oder geschichtet werden sehr wichtig, ebenso wenn Rückspülvorgänge eingestellt werden müssen.
Die Messung der Partikeldichte wird mit einem Pyknometer vorgenommen.

Der Wert der Partikeldichte ist von der Ionenform des Austauschers abhängig. Diese Ionenform ändert sich ständig während des Betriebslaufs, so dass es schwierig ist, die genaue Partikeldichte eines Ionenaustauscherbetts vorherzusagen. Dies ist wichtig zu verstehen, wenn das Bett rückgespült wird.

Hier einige typische Werte:

Partikeldichte gegen Ionenform

Austauschertyp	Ionenform	Dichte	Typisch
Schwach sauer (WAC)	H	1.16 – 1.19	1.18
Schwach sauer (WAC)	Ca	1.28 – 1.34	1.32
Stark sauer (SAC)	H	1.18 – 1.22	1.20
Stark sauer (SAC)	Na	1.26 – 1.32	1.28
Stark sauer (SAC)	Ca	1.28 – 1.33	1.31
Schwach basisch (WBA)	Freie Base	1.02 – 1.05	1.04
Schwach basisch (WBA)	Cl	1.05 – 1.09	1.06
Schwach basisch (WBA)	SO4	1.08 – 1.13	1.11
Stark basisch (SBA)	OH	1.06 – 1.09	1.07
Stark basisch (SBA)	Cl	1.07 – 1.10	1.08
Stark basisch (SBA)	SO4	1.10 – 1.14	1.12

Schüttdichte und Liefergewicht

Die Schüttdichte eines Ionenaustauschers wird gewöhnlich als die Masse von einem Liter Harz angegeben. Da es kleine Variationen der Schüttdichte von Charge zu Charge gibt, wird ein Standardwert, das sogenannte Liefergewicht, für die Verpackung des Harzes in der Produktionsanlage verwendet. Die Variationen der Schüttdichte sind hauptsächlich auf Restwasser in dem Schüttgut zurückzuführen, nachdem das überschüssige Wasser unmittelbar vor dem Verpacken auf dem Entwässerungsband entfernt worden ist.

Beispiel:
Nehmen wir an, die Schüttdichtewerte für einen gegebenen Austauschertyp haben einen Bereich von 720 bis 780 g/L. Die Einstellung des Versandgewichts bei 770 g/L hat folgende Ergebnisse:

• Jeder 25 L-Beutel enthält 0.770 x 25 = 19.25 kg Ionenaustauscherharz.
• Wenn das Harz eine Schüttdichte von 720 g/L hat, was 1.389 L/kg entspricht, erhält der Kunde 19.25 x 1.389 = 26.7 L Ionenaustauscher in einem 25 L Beutel.
• Wenn das Harz eine Schüttdichte von 780 g/L hat, was 1.282 L/kg entspricht, erhält der Kunde 19.25 x 1.282 = 24.7 L Ionenaustauscher in einem 25 L Beutel.

Wenn die Schüttdichte am höchsten ist, liefert der Harzhersteller fast die Vertragsmenge, und wenn die Dichte geringer ist als das Versandgewicht, liefert er etwas mehr Harz, so erhält der Kunde in 83 % der Fälle mindestens die bestellte Warenmenge. Wenn das Versandgewicht in der Mitte des Bereichs eingestellt wäre, würde der Kunde in 50 % der Fälle weniger Harz erhalten.

Kompression des Austauscherbetts

Optische Untersuchung

Die Austauscherprobe wird unter dem Mikroskop betrachtet. Dieser Test ist der erste, der bei Untersuchungen eines Austauschermusters durchgeführt wird: wenn die Probe stark beschädigt ist erübrigen sich alle andere Prüfungen.

Das optische Erscheinungsbild eines neuen Austauschers, das heißt die Anzahl der angebrochenen Kügelchen und Fragmente, ist ein wichtiger Anteil der Harzqualitätskontrolle in der Produktion. Die Methoden der Qualitätskontrolle verwenden das Konzept der perfekten und ganzen Perlen. Perfekte Perlen sind einfach perfekt, das heißt nicht angebrochen, nicht zerbrochen. Ganze Perlen sind kugelförmig, das heißt nicht zu Stücken zerbrochen, können aber Risse aufweisen.
Bei der Untersuchung von Harzproben kann das Aussehen der Kügelchen wertvolle Informationen über den Betrieb der Anlage liefern. Zum Beispiel werden für einen gebrauchten Asutauscher folgende Werte angegeben:

PBC (perfect bead count = perfekte Perlen)	65 %
WBC (whole bead count = ganze Perlen)	94 %

Mit anderen Worten hat die Probe:

• 65 % perfekte Perlen
• 29 % angebrochene Perlen (noch kugelförmig, aber mit Rissen)
•   6 % Fragmente (zerbrochene Teilchen)

Einige Leute finden diese Art und Weise schwierig zu verstehen. Denken Sie nur daran, dass ganze Perlen sowohl perfekte als auch angebrochene Perlen enthalten.

Siehe auch Bilder von neuen Ionenaustauschern.

Ionenform und Volumenänderung

Das Volumen eines Ionenaustauchers ändert sich mit dessen Ionenform. Zum Beispiel kann ein stark basischer Austauscher um mehr als 25 % quellen, wenn es vollständig von der Chloridform (der gewöhnlichen Lieferform) in die Hydroxidform überführt wird.

Die folgende Tabelle zeigt die üblichen Lieferformen der in der Wasseraufbereitung gelieferten Austauschertypen, und typische Werte der Volumenänderung.

Austauschertyp	Gelieferte Ionenform	Totale Volumenänderung	Von... nach	Beispiel
SAC (stark sauer)	Na, H	6 bis 10 %	Na nach H	Amberjet 1000
SBA (stark basisch)	Cl, OH, SO4	15 bis 30 % 6 bis 10 %	Cl nach OH Cl nach SO4	Amberjet 4200
WBA (schwach basisch)	Freie Base (FB)	10 bis 25 %	FB nach Cl	Amberlite IRA96
WAC (schwach sauer)	H	15 bis 40 % 60 bis 100 %	H nach (Ca+Mg) H nach Na	Amberlite IRC86

Genauere Daten über Volumenänderung befinden sich gewöhnlich in den Datenblättern der Produzenten.

Die Volumenänderung beruht auf unterschiedliche Hydratisierungszustände der Ionen im Austauscher: zum Beispiel sind die schwachen Austauscher in ihrer regenerierten Form kaum dissoziiert, so dass sich keine freie Ionen in den Austauscherteilchen befinden. Wenn diese schwache Austauscher aber Ionen aufgefangen haben, sind diese hydratisiert:

Selten werden Ionenaustauscher vollständig aus der regenerierten Form in die 100 %ig gesättigten Form überführt, so dass die maximale Volumenänderung in der Praxis nicht erreicht wird. Jedoch findet eine Volumenänderung im Betrieb tatsächlich statt, die beobachtet werden kann, wenn die Oberfläche des Austauscherbetts vor und nach der Regeneration beobachtet wird. Dies ist bei Festbetten (Amberpack und dergleichen) besonders wichtig, da der Freibord sehr gering ist.

Beständigkeit

Im Betrieb werden die Ionenaustauscher verschiedenen Belastungen ausgesetzt:

• Mechanisch bei hohem Druckverlust und bei Harztransportvorgängen
• Osmotisch bei großer Volumenänderung (siehe oben)
• Thermisch bei hoher Temperatur oder großen Temperaturunterschieden
• bei organischem Fouling

Die Produzenten empfehlen je nach Einsatzbedingungen spezielle Austauschertypen. Fragen Sie ihre Experten.

Ionenaustauschreaktionen

Chemische Reaktionen der Ionenaustauscher werden in einer anderen Seite aufgeführt.

Selektivität

Die Struktur der Ionenaustauscher und deren Selektivität werden auch in getrennten Seiten (auf Englisch) beschrieben.