Abwasserbehandlung durch Ionenaustausch

Abschnitte

• Was ist Ionenaustausch?
• Ionenaustausch angewendet in Abwasser
• Vakuumverdampfung und Konzentration von Abfällen aus dem Ionenaustausch
• Fazit

Was ist Ionenaustausch?

Es gibt Abwässer, die aufgrund ihrer Natur und Zusammensetzung schwer zu behandeln sind und den aktuellen Vorschriften anzupassen. Dies tritt auf, wenn wir auf bestimmte Kationen oder Anionen stoßen, die durch konventionelle Systeme wie physikalisch-chemische Behandlungen, biologische Behandlungen und sogar Membranen mit hoher Salzrückhaltung kaum trennbar sind.

Dies geschieht beispielsweise bei Nitraten, Borsalzen, Fluor, Arsen und anderen Schwermetallen wie Blei, Cadmium oder Quecksilber, die besonders toxisch sind.

Ionenaustausch ist ein Prozess, bei dem ein Material namens Ionenaustauscherharz verwendet wird, das in der Lage ist, gelöste Ionen selektiv an seiner Oberfläche zurückzuhalten, sie vorübergehend an der Oberfläche zu binden und sie mit regenerierenden Lösungen wieder freizusetzen.

Die Austauschreaktion ist wie folgt schematisiert:

(a) RNa⁺ + Ca⁺⁺ ——> RCa⁺⁺ + Na⁺

In diesem Fall würde die Regeneration des Harzes durch Zugabe eines Überschusses an Regenerierlösung (NaCl) erfolgen.

(b) RCa⁺⁺ + Na⁺ ——-> RNa⁺ + Ca⁺⁺

Ionenaustauscherharze werden je nach ihrer Polarität in zwei Grundtypen unterteilt:

1. Die mit negativer Ladung und daher für den Austausch mit Anionen anwendbar sind, werden „anionisch“ genannt.
2. Die mit positiver Ladung werden „kationisch“ genannt; sie erscheinen als kleine Kugeln aus Kunststoffmaterial (ähnlich Bakelit) mit einem Durchmesser von etwa 0,5 – 1 mm.

Eine häufige Anwendung von Ionenaustauscherharzen ist die Entfernung von Salzen, wenn diese in niedrigen Konzentrationen vorliegen.

Dies ist sehr gebräuchlich bei den Prozessen der Demineralisierung und Enthärtung von Wasser oder anderen Lösungen.

Ionenaustausch ist auch effizient für die Rückhaltung bestimmter Chemikalien.

Die Hauptmerkmale dieses Prozesses sind wie folgt:

• Die Harze wirken selektiv, sodass sie ein Ion gegenüber einem anderen mit relativen Affinitätswerten von 15 oder mehr bevorzugen können.
• Die Ionenaustauschreaktion ist reversibel, das heißt, sie kann in beide Richtungen ablaufen. (Austausch / Regeneration)
• Die Elektroneutralität wird in der Reaktion aufrechterhalten.

Es gibt natürliche Substanzen wie Zeolithe, die Austauschkapazität besitzen, aber in der Wasserbehandlung werden synthetische polymerische Harze verwendet, da sie bedeutende Vorteile bieten.

Zu den Vorteilen des ionischen Prozesses für die Wasserbehandlung zählen insbesondere:

• Sie sind sehr vielseitige Anlagen, solange sie mit relativ niedrigen Salzkonzentrationen arbeiten.
• Ionenaustauscherharze sind ein kompaktes System mit hohen Behandlungskapazitäten.
• Niedrige wirtschaftliche Kosten im Vergleich zu anderen Technologien.
• Die Harze sind chemisch sehr stabil, langlebig und leicht zu regenerieren.
• Es besteht eine gewisse Leichtigkeit der Automatisierung und Anpassung an spezifische Situationen.

Ionenaustausch angewendet in Abwasser

Im Fall von Abwasser muss die Konzentration der zu entfernenden Salze berücksichtigt werden, da die Harze bei Wasser mit hohen Salzgehalten nicht kosteneffektiv sind, da ihre Rückhaltekapazität begrenzt ist (ca. 50 g CaCO₃/l Harz). Eine hohe Salzkonzentration würde den Einsatz großer Harzmengen sowie erhebliche Volumina an Regeneriermittel erfordern.

Wir müssen auch bedenken, dass die Harze trotz ihrer hohen Beständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien durch das Vorhandensein von Oxidationsmitteln wie Cl₂ und durch hohe Temperaturen leicht beschädigt werden.

Ionenaustauscherharze sind zudem empfindlich gegenüber Fouling und dem Vorhandensein organischer Stoffe, weshalb eine Vorbehandlung für ihre ordnungsgemäße Anwendung unerlässlich ist.

Selektive Harze

Ionenaustauscherharze haben sich als effektive Lösung für die selektive Entfernung von Ionen und Kontaminanten herausgestellt. Wie erwähnt, können diese Harze zwei Typen sein:

• Kationischer Typ, wenn ihre Polarität positiv ist und sie in der Lage sind, Kationen wie Blei, Cadmium und Quecksilber zu trennen.
• Anionischer Typ, wenn sie eine negative Ladung besitzen und in der Lage sind, Anionen wie Nitrate, Sulfate, Arsenat, Chromat und andere zu trennen.

Einige Harze können modifiziert werden, um ihre Affinität für bestimmte Verbindungen zu erhöhen, das heißt, um ihre Wirksamkeit bei der Trennung bestimmter Kontaminanten zu verbessern.

Vorteile der Verwendung selektiver Harze

• Hohe Effizienz: Ionenaustauscherharze können hohe Reinigungsgrade erreichen und bis zu 99 % der Kontaminanten entfernen.
• Selektivität: Sie ermöglichen die spezifische Trennung toxischer Ionen, ohne andere nützliche Elemente im Wasser zu beeinträchtigen.
• Wiederverwendbarkeit: Diese Harze können regeneriert und wiederverwendet werden, was Kosten und Abfall reduziert.

Anwendungen in der Abwasserbehandlung

Ionenaustauscherharze werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt:

• Behandlung industrieller Abwässer: Besonders in Industrien wie Bergbau und Metallherstellung, wo Abwässer Schwermetalle und andere toxische Verbindungen enthalten.
• Entsalzung: In Prozessen zur Behandlung von Salzwasser, bei denen es entscheidend ist, Natrium- und Chloridionen zu entfernen.
• Nährstofftrennung: In städtischen Abwasserbehandlungssystemen zur Reduzierung von Stickstoff- und Phosphorwerten.

Trotz ihrer Vorteile gibt es bei der Verwendung von Ionenaustauscherharzen einige Nachteile:

• Kosten: Die Anfangsinvestition in hochwertige Harze kann hoch sein.
• Regeneration: Der Regenerationsprozess erzeugt Abwässer, die einer zusätzlichen Behandlung bedürfen. Das neue Abwasser enthält die von den Harzen getrennten Kontaminanten sowie überschüssige Regeneriermittel.
• Lebensdauer: Die Lebensdauer der Harze kann durch extreme Bedingungen oder Kontaminanten im Wasser beeinträchtigt werden.

Komplexbildnerharze

Dieser Harztyp enthält spezifische funktionelle Gruppen, die ihm eine selektive Überlegenheit gegenüber bestimmten speziellen Metallen verleihen. Diese Harze haben ein breites Anwendungsspektrum, von denen folgende hervorzuheben sind:

• Entkalkung von Sole in der Chlor-Alkali-Industrie
• Harz zur Metallgewinnung, Kupfer, Nickel, Zink und Kobalt.
• Bortrennung im Trinkwasser.
• Rückgewinnung von Edelmetallen.
• Entfernung von Quecksilber.

Vakuumverdampfung und Konzentration von Abfällen aus dem Ionenaustausch

Ein Vakuumverdampfer ist eine Anlage, die die Konzentration flüssiger Abfälle durch Verdampfung ihrer wässrigen Komponente unter Vakuumbedingungen ermöglicht.

Dieser Prozess reduziert den Druck in der Verdampfungskammer, was den Siedepunkt des Wassers senkt und es ermöglicht, bei niedrigeren Temperaturen zu verdampfen. Dies ist besonders nützlich zur Konzentration von Abwässern aus der Regeneration von Ionenaustauscherharzen.

Der Konzentrationsprozess mit Vakuumverdampfern basiert auf der Verwendung einer Vakuumpumpe zur Druckabsenkung im Inneren, wodurch Wasser bei niedrigeren Temperaturen verdampfen kann.

Durch Wärmezufuhr verdampft das Wasser und trennt sich von den gelösten oder konzentrierten Feststoffen im Abwasser. Der erzeugte Dampf wird zu einem Kondensator geleitet, wo er abgekühlt und wieder in Flüssigkeit umgewandelt wird, die wiederverwendet oder behandelt werden kann.

Die verbleibenden Feststoffe und andere Verbindungen werden am Boden des Verdampfers konzentriert und sind bereit für eine ordnungsgemäße Entsorgung.

Vorteile von Vakuumverdampfern

• Energieeffizienz: Durch den Betrieb bei niedrigen Temperaturen benötigen Vakuumverdampfer weniger Energie im Vergleich zu konventionellen Verdampfungssystemen.
• Schutz empfindlicher Verbindungen: Diese Technologie minimiert die Zersetzung von Substanzen, die bei hohen Temperaturen abgebaut werden könnten.
• Wassergewinnung: Das kondensierte Wasser kann zurückgewonnen und im Prozess wiederverwendet werden, was zur Nachhaltigkeit des Systems beiträgt.
• Reduzierung des Abfallvolumens: Die Konzentration der Abwässer reduziert das zu entsorgende Abfallvolumen erheblich und erleichtert die nachfolgende Behandlung.

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile ist zu beachten, dass die Kosten für diese Anlagen und ihr Energieverbrauch relativ hoch sind, wodurch diese Geräte eher für kleine Volumina mit hohen Kontaminantenkonzentrationen geeignet sind, wie im Fall von Abwässern aus der Regeneration von Ionenaustauscherharzen.

Fazit

Der Ionenaustauschprozess ergänzt konventionelle Behandlungen (physikalisch-chemisch, biologisch usw.) und ermöglicht die Trennung bestimmter Kationen und Anionen aus Wasser basierend auf der Affinität zu Ionen in Lösungen, die mit geeigneten Substanzen (Regeneriermitteln) regeneriert werden können.

Selektive Ionenaustauscherharze (Komplexbildner) werden in Abwasserbehandlungen eingesetzt, die komplexe und toxische Kontaminanten enthalten.

Vakuumverdampfer sind eine effiziente und nachhaltige Lösung zur Konzentration von Abwässern aus der Harzregeneration. Ihre Fähigkeit, unter Vakuum bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten, und ihre hohe Effizienz machen sie zu einer ausgezeichneten Option in zahlreichen Industrien.

Literatur und Anfragen

Chelating Resins | Purolite | www.purolite.com