Kationenharze

Kationenharze sind polymerbasierte Ionenaustauschharze, die in wässrigen Lösungen Kationen gegen Kationen aus ihrer Harzstruktur austauschen. Typischerweise bestehen sie aus einem stark vernetztem Polystyren-Divinylbenzol-Träger, der mit sauren Funktionsgruppen versehen ist. Die Funktionsgruppen bestimmen die Art des Harzes: starke Kationenharze (SAC) tragen sulfonische Gruppen (-SO3H) und arbeiten über einen breiten pH-Bereich zuverlässig; schwache Kationenharze (WAC) verwenden Carboxylgruppen (-COOH) und zeigen ihre Austauschkapazität unter bestimmten pH-Bedingungen stärker abhängig.

Im Austauschprozess befinden sich die Harzkationen in einer form der counterions, häufig Na+. Beim Durchströmen einer Lösung werden Fremdkationen durch die Harzseite ersetzt, während die Harzsekundäre auf der Gegenionenseite freigesetzt werden. In der praktischen Anwendung, insbesondere der Wasserenthärtung, tauscht das Harz Calcium- und Magnesiumionen gegen Na+-Ionen aus. Für eine anschließende Regeneration wird das Harz mit einer konzentrierten Salzlösung gespült, sodass Ca2+ und Mg2+ durch Na+ ersetzt werden (bei SAC in Na+-Form); alternative Regenerationen verwenden starke Säuren, um das Harz wieder in die H+-Form zu überführen, insbesondere bei Harzen, die für Entmineralisierung oder Demineralisierung vorgesehen sind.

Wichtige Eigenschaften sind Austauschkapazität (Milligramm äquivalente Härte pro Gramm Harz), Selektivität gegenüber mehrwertigen versus einwertigen Kationen, Beeinflussung durch Belastung durch Eisen, organische Substanzen oder hohe Temperaturniveaus sowie die mechanische Stabilität des vernetzten Harzes. Kationenharze finden breite Anwendung in der Wasseraufbereitung, der Lebensmittel- und Pharmaproduktion sowie in industriellen Trennprozessen.