Elemente und Moleküle, Schulbuch

120 6 LUft, WASSeR, BoDeN – UNSeRe UMWeLt Wasseraufbereitung Für viele Zwecke ist natürliches Wasser ungeeignet. Im chemischen Labor benötigt man für Analysen möglichst reines Wasser, dem vor allem alle gelösten Salze ent- zogen sind. Dies wurde früher vor allem durch Destillation erreicht (destilliertes Wasser). Für Anwendungen, bei denen besonders reines Wasser notwendig ist, kann sogar doppelt destilliert werden (bidestilliertes Wasser). Diese Methode ist aber zeit- und energieaufwändig und wird daher nur mehr selten angewandt. Heute ver- wendet man für diesen Zweck Ionenaustauscher . Das so aufbereitete Wasser nennt man entionisiertes Wasser oder Deionat . Ionenaustauscher sind wasserunlösliche Makromoleküle, heute meist Kunststoffe, die geladene Gruppen in der Molekülkette enthalten. Zum Ladungsausgleich ist eine ent- sprechende Zahl kleiner Gegenionen vorhanden. Diese können durch andere Ionen ausgetauscht werden. Sind die austauschbaren Ionen Kationen, so spricht man von Kationenaustauschern, im anderen Fall von Anionenaustauschern. Zur Herstellung von Deionat muss der Kationenaustauscher mit H 3 O + -Ionen und der Anionenaustauscher mit OH – -Ionen beladen sein. Das Wasser aus der Wasserleitung fließt durch beide Austauscher. Die Kationen werden durch H 3 O + ausgetauscht, die Anionen durch OH – . Es stellt sich das Protolysegleichgewicht des Wassers ein (Abb. 120.1). Natürlich hat ein Ionenaustauscher nur eine begrenzte Austauschkapazität, die er- schöpft ist, wenn er zur Gänze mit den Ionen der Wasserinhaltsstoffe beladen ist. Die Austauschreaktion ist aber eine Gleichgewichtsreaktion, bei der die anderen Ionen nicht viel fester gebunden werden als die H 3 O + - oder OH – -Ionen. Daher kann der Kationenaustauscher mit einer starken Säure (zB HCl) und der Anionenaustau- scher mit einer Hydroxid-Lösung (zB NaOH) wieder regeneriert werden. Das Rege- nerieren der Austauscher muss natürlich getrennt erfolgen. Sind in der Anlage die Austauscher (meist etwa 1 mm kleine, braune Kunststoffkügelchen) gemischt (Mischbettaustauscher), so müssen sie vor dem Regenerieren getrennt werden. Die Trennung erfolgt auf Grund ihrer unterschiedlichen Dichte. Im Haushalt, zB in Geschirrspülmaschinen, dienen Ionenaustauscher nicht zum Vollentsalzen, sondern nur zum Enthärten. Hier verwendet man konzentrierte Nat- riumchlorid-Lösung zum Regenerieren. Mischbettaustauscher müssen dabei nicht getrennt werden. Die Enthärtungsanlage ersetzt im Betrieb dann die Härtebildner durch Natriumchlorid (Abb. 120.2). Die Kapazität einer Enthärtungsanlage wird in Härtelitern angegeben. Eine Anlage mit 4000 Härtelitern enthärtet dabei 4000 Liter Wasser der Härte 1 oder 400 Liter Wasser der Härte 10. Ionenaustauscher dienen auch als Langzeitdünger für Hydrokulturpflanzen. Dabei sind sie mit den Ionen der Pflanzennährsalze beladen. Das Gießen erfolgt mit nicht enthärtetem Wasser. Die Salze des Wassers setzen dabei jedesmal eine kleine Men- ge Nährsalze aus dem Ionenaustauscher frei. Enthärtetes Wasser wird nicht nur im Haushalt, sondern in großen Mengen auch in der Technik benötigt. Dabei wird das Wasser meist durch Zusatz von Salzen enthär- tet, die die Härtebildner in unlösliche Verbindungen überführen. Dazu dienen Soda oder Calciumhydroxid. Die Härtebildner scheiden sich als Carbonate aus, die in Lö- sung verbleibenden Salze sind keine Härtebildner. Wasserenthärtung durch Ausfällen der Härtebildner Ca(HCO 3 ) 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + 2 NaHCO 3 CaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4 Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 → 2 CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O Auch Waschmittel enthalten Wasserenthärter. Früher verwendete man dazu Poly- phosphate, wie zB Natriumtriphosphat (NTP). (Abb. 121.1) Diese reagieren mit den Calcium- und Magnesium-Ionen des Wassers zu wasserlöslichen Verbindungen (Komplexe). Diese Komplexe sind so feste Verbindungen, dass die Kesselsteinbildung und Kalkseifenbildung unterbunden wird, da die Ca 2+ - und Mg 2+ -Ionen nun nicht Cl – -Ionen Na + -Ionen H + -Ionen OH – -Ionen H 2 O-Moleküle Rohwasser Deionat Kationentauscher Anionentauscher Na + Salztank Tauscher Leitungs- wasser Abfluss SPÜLEN Na + Na + Ca 2+ Na + Ca 2+ Na + Na + Salztank Tauscher Leitungs- wasser Abfluss SPÜLEN – ENDE Na + Ca 2+ Na + Ca 2+ Na + Salztank Tauscher Leitungs- wasser Abfluss REGENERIEREN – Letzter Arbeitsgang Na + Na + Ca 2+ Na + Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Abb. 120.2: Wasserenthärtung im Geschirrspüler Abb. 120.1: Herstellung von Deionat aus salzhältigem Wasser Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv