Lexikon der Chemie: Ionenaustauscher
Ionenaustauscher, Austauscher, meist feste Stoffe, die einen Teil der in den "austauschaktiven Gruppen" gebundenen Ionen reversibel gegen andere Ionen austauschen können. Man unterscheidet Kationenaustauscher, die aus einem hochmolekularen polyvalenten Anion mit beweglichem Kation bestehen und z. B. Hydroxygruppen -OH, Sulfonsäurereste -SO3H und Carboxygruppen -COOH als austauschaktive Gruppen enthalten, und Anionenaustauscher, bei denen das makromolekulare und polyvalente Kation bewegliche Anionen enthält. Als austauschaktive Gruppen fungieren hier vor allem ein- oder mehrfach substituierte Aminogruppen -NH2R, -NH(R)2 und -N(R)3. Zur Herstellung der I. werden die funktionellen Gruppen in Polykondensationsharze und insbesondere in Polymerisationsharze eingeführt. Besonderes technisches Interesse haben makroporöse Harze, mit Porenweiten bis zu 10 nm. Bringt man z. B. einen Kationenaustauscher mit Kochsalzlösung in Berührung, so geht folgende Reaktion vor sich: R-SO3-H++ Na+Cl-
R-SO3Na + HCl (R bedeutet das Austauschergrundgerüst). Beim Anionenaustauscher findet analog folgende Umsetzung statt: [R-N(CH3)3]+OH- + Na+Cl-
R-N(CH3)3Cl + NaOH.
Ist die Kapazität der I. erschöpft, so kann durch Behandlung mit Salzsäure bzw. Natronlauge die ursprüngliche H+- oder OH--Form zurückgewonnen werden (Regenerierung). In der leichten Generierbarkeit liegt die außerordentliche Bedeutung der I. in Natur und Technik.
Zu den anorganischen I. zählen natürliche Silicate bestimmter Struktur, die Zeolithe, und synthetische Verbindungen, ebenfalls auf Silicatbasis, die Permutite, die nur noch historisches Interesse haben. Diese anorganischen I. können jedoch aufgrund ihrer Struktur nur als Kationenaustauscher eingesetzt werden. Zu den organischen I. gehören die Kohleaustauscher, die durch Sulfonierung und partielle Oxidation von Kohle gewonnen werden. Sie ähneln in ihrer Struktur den natürlichen Humusstoffen des Ackerbodens und sind ebenfalls nur Kationenaustauscher.
Als spezielle I. bezeichnet man Ionenaustauschmembranen, die besondere Bedeutung für die Elektrodialyse haben. Die Kationen- und Anionenaustauschmembranen werden in Elektrodialysezellen hintereinandergeschaltet und zur Entsalzung von Wasser eingesetzt. Man unterscheidet homogene Membranen, die z. B. in Folienform aus dem Austauschharz hergestellt werden, und heterogene Membranen, bei denen feingemahlenes Austauschharz in ein plastisches bzw. elastisches Bindemittel eingebettet wird.
Verwendung. Am längsten bekannt und auch heute noch am weitesten verbreitet ist der Einsatz von I. zur Wasseraufbereitung. Dabei kann das Wasser sowohl enthärtet als auch voll- oder teilentsalzt werden (z. B. Süßwassergewinnung durch Meerwasserentsalzung). In der analytischen Chemie dienen die I. 1) zum Ersatz eines Ions durch ein anderes; 2) zur Entfernung störender Ionen (Fremd-Ionen), die häufig analytisches Arbeiten erschweren; 3) zur Bestimmung von Spurenelementen;
4) zur Trennung von Ionen mit ähnlichen Eigenschaften, z. B. von Uran- und Plutonium-Ionen und Ionen der Seltenerdmetalle. In der präparativen Chemie verwendet man I. 1) als Veresterungskatalysator; 2) zur Anreicherung von Spurenelementen und zur Reinigung radioaktiver Abwässer; 3) zur Reinigung technischer Lösungen, z. B. in Zuckerraffinerien; 4) zur Herstellung freier Säuren und Basen; 5) zur Isolierung und Trennung organischer Verbindungen, insbesondere von Naturstoffen, wie Aminosäuren, Antibiotika, Alkaloide, Farbstoffe u. a.
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