Ionenaustausch

der Konstruktion von Lampen gearbeitet, die UV-Licht in einem ganz bestimmten, auf den jeweiligen Schadstoff abgestimmten Wellenlängenbereich, emittieren.

VII. Emissionen/Entsorgung

Da es sich bei der chemischen Oxidation um einen Umwandlungsprozeß handelt, fallen keine Schadstoffkonzentrate an. Es können jedoch noch nicht oxidierte Schadstoffe oder Zwischen-produkte bei unvollständiger Oxidation im gereinigten Grundwasser verbleiben. Ebenso ist die Bildung von Nitrat bzw. Nitrit möglich. Beim Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen wird der Chloridgehalt im Wasser erhöht. Die Impfung ozonbehandelter Grundwässer mit Bakterien führt in vielen Fällen zur stark beschleunigten Keimvermehrung (Wiederverkei-mung).

Reinigung

Als feste Ionenaustauscher finden in der Regel Polymerprodukte Verwendung, die in der Lage sind, aus dem Wasser positiv und negativ geladene Ionen zu binden. Ein Ionenaustauscherharz besteht aus:

• dem Grundkörper für das Gerüst (Matrix)

• den funktionellen Gruppen mit den sogenannten Gegenionen, die gegen die Schadstof-fionen ausgetauscht werden

Als Grundkörper dienen meist Polymerisationsprodukte (z.B. Polystyrol, Polyacrylat). Als funktionelle Gruppen fungieren in erster Linie:

• SO3-

für stark saure Kationenaustauscher

• COO^- für schwach saure Kationenaustauscher

• NR3+

(R= -CH3)

(Typ 1) für stark basische Anionenaustauscher.

Im schwächerbasischen Typ 2 kann eine -CH3 Gruppe des Restes -NR3+

durch eine Al-koholgruppe beispielsweise -CH₂ -CH₂OH ersetzt werden

• N(CH3)2H⁺, -N(CH3)H2+

, -NH3+

für schwach basische Anionenaustauscher

• N(CH2COO^-)₂ (Iminodiacetatform)

für Chelat-Harze, die besonders selektiv sind [3.46].

Die Aufnahme von Kationen erfolgt meistens im Austausch gegen Na⁺- oder H⁺-Ionen und bei Anionen gegen OH^-- oder Cl^--Ionen. Eine allgemein gehaltene Reaktionsgleichung für einen Ionenaustausch lautet:

G-I + Me^± --> G-Me + I^±

G ist dabei der unlösliche Harzkörper mit der austauschaktiven Gruppe I. Me könnte ein posi-tives Metallion oder ein negativer Metall- bzw. Cyanidkomplex sein.

Für die Entfernung von Metallionen kommen in der Regel nur selektive, schwach saure Io-nenaustauscher und Chelat-Harze zum Einsatz, die gewöhnlich in der Natriumform, d.h. mit Natrium als Gegenionen beladen, vorliegen. Metalle, die zum Beispiel in salzsäurehaltigen Lösungen anionische Komplexe bilden wie (HgCl₄)^2-, werden an anionische Austauscherharze gebunden [3.48]. Cyanide können ebenfalls an speziellen Austauscherharzen angereichert werden.

Die nutzbare Kapazität von Ionenaustauscherharzen liegt für zweiwertige Metallionen durch-schnittlich bei 0,3-1 Mol pro Liter Harz.

Die aufgenommenen Ionen werden meist durch konzentrierte Säure, seltener durch Lauge oder Salzlösung eluiert. Als Elutionsmenge reicht oft schon das doppelte Reaktorvolumen, so daß die Metallionen in konzentrierter Lösung vorliegen [3.21]. Nach der Regeneration muß das Harz i.d.R. wieder konditioniert werden, d.h. neu mit Austauschionen wie Na⁺ beladen werden.

Wie bei der Adsorption kann auch beim Ionenaustausch die Kapazität bei verschiedenen Kon-zentrationen u.U. mit Hilfe von Sorptionsisothermen nach Freundlich beschrieben werden [3.22]. Dabei nimmt auch beim Ionenaustausch die Beladung mit abnehmender Zulaufkon-zentration deutlich ab.

III. Technische Ausführung

Der Einsatz der Ionenaustauscherharze erfolgt wie bei der Aktivkohle-Adsorption überwie-gend in Kolonnen-Verfahren mit zwei hintereinander geschalteten Austauschern. Der erste Austauscher kann so bis zur vollen Kapazität beladen werden, während der zweite als Fein-filter wirkt. Beim Austausch der beladenen Kolonne rückt die zweite Kolonne an die erste Stelle, während eine frisch regenerierte an die zweite Stelle gesetzt wird.

Der Betrieb ist sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich möglich. Der diskontinuierli-che Betrieb findet in Festbetten statt, die nach erfolgter Beladung vollständig regeneriert wer-den müssen. Beim kontinuierlichen Betrieb wird ständig ein Teil des belawer-denen Harzes am unteren Teil der Kolonne entnommen und durch frisches Harz im oberen Teil ersetzt. Auf-grund der relativ geringen Mengen bei der Grundwassserreinigung und der räumlichen Ent-fernung zum Regenerationsbetrieb werden ausschließlich diskontinuierlich arbeitende Anla-gen bei GrundwassersanierunAnla-gen eingesetzt.

Die Reaktorvolumenbelastung, auch Beaufschlagung genannt, liegt für selektive Austauscher bei 10 m³ Wasser pro m³ Reaktor pro Stunde, wobei Strömungsgeschwindigkeiten von 10-40 m/h erreicht werden [3.24].

IV. Praktische Hinweise

Die trocken angelieferten Austauscherharze quellen bei der ersten Benetzung mehr oder weni-ger stark auf, so daß die Austauscherkolonnen nicht bis zum Rand befüllt werden dürfen.

Liegen die Zykluszeiten für die Regenerierung weit auseinander, besteht die Gefahr des mi-krobiellen Bewuchses auf dem Harz. Dadurch wird die Aufnahme von ionischen Schadstoffen erschwert und es kann zu starkem Druckabfall im Reaktor oder sogar zur Verstopfung der Ionenaustauscheranlage kommen.

V. Einsatzgebiete/Reinigungsleistung

Mit Ionenaustauschern können die meisten geladenen Moleküle (Ionen) abgetrennt werden.

Besonders erfolgreich wird der Ionenaustausch bei folgenden Verunreinigungen eingesetzt:

• Schwermetallionen

(Cu²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺ und Cr⁶⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Hg²⁺)

• komplexierte Schwermetalle [HgCl4]

2-• Cyanide

Das Ionenaustauscherverfahren ist besonders wirtschaftlich einzusetzen, wenn das betreffende Schwermetall in geringer Konzentration, vorzugsweise unter 500 mg/l vorliegt [3.21].

Prinzipiell lassen sich mit Ionenaustauschverfahren sehr niedrige Restgehalte realisieren, die z.B. bei der Reinstwasserherstellung oft besser als bei zweifacher Destillation liegen [3.25].

Bei einer Grundwasserreinigung mit vielen verschieden Fremdstoffen und einem ökonomisch vertretbaren Aufwand werden in der Regel für Schwermetalle Restkonzentrationen < 10µg/l erzielt.

Mit EDTA oder Organosulfiden komplexierte Metalle können nicht entfernt werden. Andere, häufig in der Galvanotechnik anzutreffende Komplexe, können jedoch in der Regel von Io-nenaustauschern gespalten werden [3.26].

VI. Betriebssicherheit/Entwicklungsstadium

Seit vielen Jahrzehnten werden Ionenaustauscher erfolgreich in der Wasseraufbereitung einge-setzt. Durch die Entwicklung schwermetallselektiver Harze wurde diesem Verfahren auch eine breite Anwendung in der Galvano- und Umwelttechnik ermöglicht, wobei der Ionenaus-tausch zum Stand der Technik zählt.

Entwicklungstendenzen gehen dahin, durch Verfahrensoptimierung mit weniger Regenerier-chemikalien auszukommen.

VII. Emissionen/Entsorgung

Beim Ionenaustausch werden ungiftige Ionen gegen giftige Schwermetall bzw. Cyanidionen ausgetauscht. In der Regel handelt es sich bei den ausgetauschten Ionen um Na⁺, Ca⁺, oder Cl -, so daß die Salzfracht im gereinigten Wasser erhöht wird. Auch bei der Konditionierung der Harze können salzhaltige Abwässer anfallen. Umweltfreundliche Regenerationen schwerme-tallbeladener Austauscherharze erfolgen nach den Arbeiten von HÖLL [3.59] mit Kohlensäu-re.

Beladene Ionenaustauscher werden regeneriert, so daß die Schwermetalle bzw. Cyanide in konzentrierter Lösung vorliegen. Im Falle von Schwermetallen kann diese Lösung durch Fäl-lung nachbehandelt werden. Schwermetalle lassen sich im Gegensatz zu organischen Verbin-dungen aber nicht zerstören, so daß praktisch immer eine Deponierung erfolgen muß. Die Wiedereinführung in den Wirtschaftskreislauf ist i.d.R. ökonomisch nicht sinnvoll oder sogar unerwünscht (z.B. Quecksilber). Lediglich Wertmetalle wie z.B. Chrom könnten durch Elek-trolyse zurückgewonnen und wiederverwertet werden.

Die in der aufkonzentrierten Lösung enthaltenen Cyanide lassen sich durch Oxidation zerstö-ren.