Kationenaustausch und Umkehrosmose in der Wasseraufbereitung

Kationenaustauschkapazität im Natrium-Zyklus

Bei der städtischen Wasserenthärtung wird durch dieses Verfahren ein Teil der Wasserhärte entfernt. Das Wasser wird teilweise vollständig enthärtet und anschließend mit Rohwasser gemischt, um die gewünschte Zusammensetzung des Abwassers zu erreichen. Im Wesentlichen beinhaltet das Verfahren die Verwendung von Ionenaustauschern (Zeolithen), die durch ein Bett aus Kies und Sand gestützt werden. Die Menge und Art des Harzes variieren je nach Härtegrad des Wassers und dem gewünschten Betriebszyklus.

Beim Durchfließen des Harzbettes gibt das Wasser seine Calcium- und Magnesium-Kationen an das Harz ab, während eine äquivalente Menge an Natrium-Ionen freigesetzt wird:

H2O + Ca + Mg + R-Na → Na + H2O + R-(Mg oder Ca)

Am Ende jedes Zyklus wird das Gerät außer Betrieb genommen und regeneriert. Bei der Regeneration werden die Calcium- und Magnesium-Ionen aus dem Harz entfernt und durch Natrium-Ionen ersetzt, um den Zyklus fortzusetzen.

Die drei Stufen der Regeneration

• Rückspülung: Ein Wasserstrom wird in entgegengesetzter Richtung zur normalen Fließrichtung geleitet.
• Regeneration: Der Weichspüler wird mit einer Salzlösung durchspült. Das Natrium im Natriumchlorid tauscht die gebundenen Calcium- und Magnesium-Ionen aus, um das Harz zu regenerieren.
• Waschen: Beseitigung von Calciumchlorid, Magnesiumchlorid und überschüssigem Salz durch Spülen mit weichem Wasser.

In Küstenstädten wird häufig Meerwasser als Regenerationsflüssigkeit eingesetzt.

Zweistufige Enthärtung: Kalk- und Natrium-Kationenaustausch

In diesem Prozess wird sowohl die Calcium-Bicarbonat-Härte als auch die Gesamthärte durch Behandlung mit Calciumhydroxid und Koagulation im ersten Schritt reduziert. Anschließend wird das Wasser gefiltert und in einem zweiten Schritt durch einen Natrium-Kationenaustausch weiter enthärtet, um die gewünschte Wasserqualität zu erzielen.

Das Phänomen der Umkehrosmose

Die Umkehrosmose lässt sich leicht durch eine semipermeable Membran erklären, die zwei Wasserkörper mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen trennt. Die Poren der Membran sind größer als die Wassermoleküle, aber kleiner als die gelösten Salze. Wasser fließt durch die Membran von der niedrigen zur hohen Konzentration, um diese auszugleichen.

Wird auf die konzentrierte Lösung Druck ausgeübt, kann dieser Fluss gestoppt werden (osmotischer Druck). Bei noch höherem Druck kehrt sich die natürliche Fließrichtung um. In praktischen Systemen liegt der Druck zwischen dem Fünf- und 50-Fachen des osmotischen Drucks.

Moderne Membrantechnologie

Moderne Membranen bestehen aus aromatischen Polyamiden, die mechanisch und chemisch stabiler sind als frühere Celluloseacetat-Modelle. Da Membranen nicht alle Moleküle vollständig ausschließen, ist das Wasser nicht vollentsalzt. Gelöste Gase wie Kohlendioxid können die Membran passieren, was den pH-Wert beeinflussen kann. Die Umkehrosmose ist im Vergleich zur Elektrodialyse und zum Ionenaustausch die effizienteste Technologie zur Wasseraufbereitung.