A. Beschreibung

A. Beschreibung

1. Funktionelle Gruppen

2. Kapazität

3. Selektivität

4. Porengröße

5. Feuchtigkeitsgehalt 

1. Funktionelle Gruppen
Wie lösliche Kat-und Anionen, können die unlöslichen Ionenaustauscher auch als starke oder schwache Säuren bzw. Basen betrachtet werden.
Stark saure Kationenaustauscher tragen eine Sulfonsäure-Gruppe und können über den gesamten pH-Bereich bis pH 1 eingesetzt werden. Die maximale Arbeitstemperatur liegt bei 120 °C. Höhere Temperaturen können zum Zerfall der funktionellen Gruppen führen, insbesondere wenn sich das Harz in der H+-Form befindet.
Schwach saure Kationenaustauscher bestehen aus einem Ko-Polymerisat von DVB und Acryl- oder Methacryl-Monomeren. Als funktionelle Gruppe tragen sie eine Carboxyl-Gruppe, die im Gegensatz zur Sulfonsäure-Gruppe bei pH < 5 nicht mehr geladen vorliegt und somit keine Ionenaustauchfähigkeiten mehr besitzt. Aus diesem Grund können diese Ionenaustauscher nur im neutralen und basischen pH-Bereich eingesetzt werden. Die maximale Arbeitstemperatur liegt auch hier bei 120 °C.
Eine spezielle Form des Kationenaustauschers bilden die Komplexbildner-Harze. Für weitere Details sehen Sie hierzu den Abschnitt D: SERDOLIT® Komplexbildner-Harze.

Stark basische Anionenaustauscher besitzen eine quaternäre Ammonium-Gruppe. Somit sind diese Harze für stark alkalische Lösungen geeignet. Typ I-Harze besitzen eine funktionelle Gruppe vom Typ -CH2-N(CH3)3+.. Ihre maximale Arbeitstemperatur beträgt 100 °C (Cl--Form) bzw. 60 °C (OH--Form). In der Hydroxid-Form spalten die Harze schon bei Raumtemperatur Trimethylamin ab, das bereits in Spuren zu einem fischartigen Geruch führt. Trimethylamin lässt sich durch Waschen des Harzes entfernen.

Typ II-Harze besitzen eine funktionelle Gruppe vom Typ: -CH2-N+(CH3)2-CH2CH2-OH. Spaltprodukte dieser funktionellen Gruppe sind geruchlos. Die maximale Arbeitstemperatur beträgt 70 °C (Cl--Form) bzw. 35 °C (OH--Form).

Schwach basische Anionenaustauscher besitzen entweder primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppen. Diese Ionenaustauscher können nur im sauren und neutralen pH-Bereich eingesetzt werden, z. B. zur Neutralisation von Säuren. Da keine Amine von der Matrix abgespalten werden, finden diese Harze häufig Anwendung im Bereich Pharmazie und Lebensmittel. Die maximale Arbeitstemperatur beträgt 100 °C.

2. Kapazität
Die Kapazität von Ionenaustauschern wird in Äquivalenten pro Liter angegeben, wie bei Säuren und Basen. Das Äquivalentgewicht entspricht dem Molekulargewicht eines Ions geteilt durch dessen Wertigkeit/Valenz.
Nachfolgend ein Beispiel für das Na+ und das Ca2+ -Ion:

Ion Wertigkeit/Valenz Molekulargewicht Äquivalentgewicht
 Na+  23 23 
 Ca2+ 40  20 

Ein Kationenaustauscher mit einer Kapazität von 1,7 eq/L
kann entweder 1,7 eq/L x 23 g/eq = 39,1 g/L Na+-Ionen
oder 1,7 eq/L x 20 g/eq = 34 g/L Ca2+ -Ionen binden.

Tabelle 1

 Ionenaustauscher

Quervernetzung
(% DVB)

 Feuchtigkeitsgehalt
(%)

 Kapazität
(eq/L)
 SERDOLIT® CS-1
 stark sauer

 8

 45 - 55

 mind. 1,7
 SERDOLIT® CW-1
 schwach sauer

 8

 50 - 60

 mind. 3,1
 SERDOLIT® AS-1
 stark basisch

 8

 45 - 55

 mind. 1,0
 SERDOLIT® AW-1
 schwach basisch

 6
(makroporös)

 55 - 65

 mind. 1,1

Die Kapazität beschreibt die maximale Ionen-Menge, die ein Ionenaustauscher unter optimalen Bedingungen binden kann. Da es aber auch zu Konkurrenzreaktionen zwischen den ausgetauschten Ionen kommt, sollte in der Praxis nur ein Teil der theoretisch möglichen Kapazität genutzt werden.

3. Selektivität
Die Selektivität von Ionenaustauschern wird oft überbewertet. Eine selektive Trennung von anorganischen und organischen Ionen kann in der Regel nur über ausgefeilte Chromatographietechniken mit vielen theoretischen Trennstufen innerhalb der Säule erreicht werden. Im Allgemeinen erhöht sich die Affinität eines Ions zu den funktionellen Gruppen mit seiner Wertigkeit. Außerdem hängt die Selektivität von der Größe der Hydrathülle und der Konzentration des jeweiligen Ions ab sowie dem pH-Wert, der Temperatur, dem Grad der Quervernetzung und der funktionellen Gruppen der Ionenaustauscher-Matrix. Die Bindung der Ionen wird auch durch nicht-ionische van der Waals- oder hydrophobe Wechselwirkungen zwischen Matrix und Ionen bestimmt.
Die Selektivität des Harzes wird durch die Gleichgewichtskonstante der folgenden Reaktion (Kationenaustausch) bestimmt:

RA + B+ = A+ + RB 

R: Ionentauscherharz
A+, B+ : Kationen, die um die Bindung an R konkurrieren

Gleichgewichtskonstante der Reaktion:

K = [A+] x [RB] / [B+] x [RA]

Die Symbole in Klammern bezeichnen die Konzentration der entsprechenden Ionen (mol/L oder eq/L) in Lösung bzw. am Harz.

In Tabelle 2 sind Selektivitätskoeffizienten für Alkali-, Erdalkali und einige Übergangsmetalle an zwei DOWEX® Harzen mit unterschiedlicher Quervernetzung aufgeführt. Je höher der Selektivitätskoeffizient, desto stärker wird das Ion vom Harz gebunden. Des Weiteren zeigt die Tabelle den Effekt der Quervernetzung auf die Ionenbindung. Schwächer gebundene Ionen, z. B. H+, Na+ können durch Ionen mit höherer Selektivität, Mg2+ oder Ca2+ ersetzt werden. Dieser Unterschied der Slektivität kann bei der Wasserenthärtung genutzt werden

Tabelle 2
Selektivitätskoeffizienten verschiedener Kationen (bezogen auf H+-Ion) an sulfonierten DOWEX®-Kationenaustauschern mit unterschiedlichem Quervernetzungsgrad (% DVB)

 Gegenion
4 % DVB

8 % DVB
 Li+  0,78  0,79
 H+  1,00  1,00
 Na+  1,20  1,56
 K+  1,72  2,28
 Rb+  1,86  2,49
 Cs+  2,02  2,56
 Mg2+  2,23  2,59
 Zn2+  2,37  2,73
 Co2+  2,45  2,94
 Cu2+  2,49  3,03
 Ni2+  2,61  3,09
 Ca2+  3,14  4,06
 Sr2+  3,56  5,13
 Pb2+  4,97  7,80
 Ba2+  5,66  9,06

 Zur Verfügung gestellt von The Dow Chemical Company

Die Stärke der Bindung von Alkalimetall-Ionen an sulfonierte Harze ist umgekehrt proportional dem Hydratisierungsgrad der Ionen. Das kleinste, aber auch am stärksten hydratisierte Li+-Ion wird am schwächsten gebunden. Hingegen wird das nur schwach hydratisierte Cs+-Ion sehr stark gebunden. Ähnliche Effekte treten auch bei den Alkali- und Erdalkalimetallen auf.

Einige Kationen zeigen sehr ähnliche Selektivitätskoeffizienten, so dass eine effektive Trennung durch Ionenaustausch nicht möglich ist. Ähnliches zeigt sich bei den Übergangsmetallen Zn, Co, Cu und Ni. Um diese Ionen voneinander oder von Erdalkali-Metallionen zu trennen, ist es ratsam, Komplexbildnerharze zu verwenden statt Ionenaustauscher (siehe Tabelle 7 und 8). Auch der Zusatz von Anionen (z. B. Chlorid) führt zu Bildung negativ geladener Komplexe wie [Fe(Cl)4]-, die dann an stark basische Anionenaustauscher gebunden werden können. So können Schwermetall-Ionen im Abwasser gezielt von Alkali-/Erdalkali-Ionen abgetrennt werden.

Tabelle 3
Selektivitätskoeffizienten verschiedener Anionen (bezogen auf OH-Ion)
an DOWEX®-Anionenaustauschern mit unterschiedlicher Basenstärke
(Typ I und II)

Ion
 Typ I
Typ II
 OH-  1,0  1,0
 F-  1,6  0,3
 Acetat  3,2  0,5
 HCO3-  6,0  1,2
 CI-  22  0,5
 NO2-  24  3
 HSO3-  27  3
 CN-  28  3
 Br-  50  6
 NO3-  65  8
 HSO4-  85  15
 J-  175  17

Zur Verfügung gestellt von The Dow Chemical Company

Die Unterschiede der Bindungsstärke von Halogenid-Ionen an Typ I-Anionen-
austauschern ist größer als der Unterschied zwischen Alkali- oder Erdalkali-Ionen an stark sauren Kat-ionenaustauschern. So ist die Regeneration eines Typ I-Anionenaustauschers in der Iodid-Form mit NaOH nicht mehr möglich. Schwach basische Anionenaustauscher zeigen ähnliche Selektivitäten, jedoch mit Ausnahme des OHIons, das hier mit hoher Affinität bindet.
Bei pH > 10 sind die schwach basischen Anionenaustauscher formal ungeladene Polyamine.

4. Porengröße
Der Anteil an Divinylbenzol (% DVB) wird als Quervernetzung bezeichnet. In der Regel beträgt der DVB 2 %, 4 %, 6 % oder 8 %. DOWEX® 50 WX8 enthält 8 % und DOWEX® 50 WX2 2 % DVB. Höhere DVB-Anteile bedeuten geringere Porengrößen und somit höhere mechanische und chemische Stabilität als auch geringere Mengen an Restfeuchtigkeit. Das feuchte Harz besitzt dann mehr ionisierte Gruppen pro Volumeneinheit und demzufolge eine höhere Kapazität. Je kleiner die Porengröße der Matrix wird, desto stärker wird der Einfluss sterischer Effekte auf die Gleichgewichtseinstellung. Diese Matrices werden als mikroporöse Ionenautauscher bezeichnet.
Wird während der Polymerisation ein inertes Lösungsmittel eingesetzt, bilden sich makroporöse Matrices. Sie zeichnen sich durch eine starre Struktur mit  großen Poren und Kanälen aus. Dadurch wandern Ionen schneller durch die Matrix. Der Ionenaustauschprozeß wird weniger stark durch sterische Effekte behindert

5. Feuchtigkeitsgehalt
Ionenaustauscher sind sehr hygroskopisch. Die aufgenommene Feuchtigkeit wird erst nach langer Trocknung bei 120 °C abgegeben. In Tabelle 4 ist der Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Vernetzungsgrad bei DOWEX® Harzen dargestellt.

Tabelle 4

Quervernetzung
Feuchtigkeitsgehalt
(%)
 Mind. Austausch-
Kapaität (eq./l)
 Ausschluss-
größe
(Dalton)1
 DOWEX® 1X ...      
 2 %, 50-100 mesh
 2 %, 100-200 mesh
 2 %, 200-400 mesh
65 - 75
70 - 80
70 - 80
0,7
0,6
0,6
3000
3000
3000
 8 %, 50-100 mesh
 8 %, 100-200 mesh
 8 %, 200-400 mesh
43 - 48
39 - 45
39 - 45
1,2
1,2
1,2
< 400
< 400
< 400
 DOWEX® 50WX ...      
 2 %, 50-100 mesh
 2 %, 100-200 mesh
 2 %, 200-400 mesh

74 - 82
74 - 82
74 - 82

0,6
0,6
0,6
3000
3000
3000
 4 %, 50-100 mesh
 4 %, 100-200 mesh
 4 %, 200-400 mesh
64 - 72
64 - 72
64 - 72
1,1
1,1
1,1
750
750
750
 8 %, 50-100 mesh
 8 %, 100-200 mesh
 8 %, 200-400 mesh
50 - 56
50 - 58
50 - 58
1,7
1,7
1,7
< 400
< 400
< 400

 1) Die Ausschlussgrößen sind keine Absolutwerte, da diese stark von den Anwendungsbedingungen, z. B. pH-Wert, Ionenstärke etc. abhängen. Die angegebenen Werte können aber bei der Auswahl des geeigneten Harzes hilfreich sein

Zur Verfügung gestellt von The Dow Chemical Company

Tabelle 5: Umrechnung der Mesh-Größen in Millimeter

mesh
mm
 16  1,20
 18  1,00
 20  0,84
 50  0,30
 100  0,15
 200  0,08
 400  0,04

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