Nicht jedes Atom oder Molekül, speziell Salze, ist bei der Wasseraufbereitung gewünscht. Das einfachste Beispiel ist Kalzium, welches gegen Natrium ausgetauscht wird. Kalzium und vor allem seine Verbindungen wie Kalziumcarbonat, können sich in Leitungen ablagern. Natrium und seine Verbindungen bleiben gut löslich. Beides sind Kationen. Dieses Funktionsprinzip kommt schon bei der einfachen Spülmaschine im Haushalt zum Einsatz.
Für die technische Wasseraufbereitung ist das Einsatzspektrum deutlich breiter. Beispielsweise ein Gleichstromaustauscher kann Wasser enthärten oder technisch ausgedrückt entkarbonisieren. Noch etwas leistungsfähiger, vor allem bei großen Anlagen, sind Gegenstromaustauscher. Der Mischbettaustauscher kann gleichzeitig Anionen und Kationen austauschen und eignet sich für die Gewinnung von demineralisiertem Wasser in einem Arbeitsgang. Daneben existieren noch weitere Bauformen.
Funktionen
Ionenaustauscher können Umsalzen, Teilentsalzen, Vollentsalzen oder auch ganz einfach das Wasser enthärten.
Alle Ionenaustauscher haben eine Arbeitsphase und eine Regenerationsphase. In der Arbeitsphase nehmen sie die unerwünschten Ionen auf und geben die gewünschten Ionen ab. In der Regenerationsphase wird kurzzeitig wieder der Vorrat an gewünschten Ionen aufgefüllt und die gebundenen, unerwünschten Ionen abgesondert. Das unterscheidet sich nach den verwendeten Baustoffen und dem Funktionsprinzip. So ist eine Regeneration teilweise im laufenden Betrieb in einer Flussrichtung möglich. Bei anderen Geräten wird die Strömung umgekehrt und das eingesetzte Regenerat abgeleitet.
Kommen wir zu den Materialien. Am meisten verwendet man Kunstharz-Ionenaustauscher. Diese sind oft sogar als recht kleine Geräte im Haus zu finden, wenn das Wasser hart ist. Daneben existieren deutlich größere Bauformen für chemische Prozesse. Bis hin zu Agarose (einem Gel von Polysacchariden) in der DNA-Diagnostik reichen die Tauschermaterialien. Auch schon in der Natur sind Ionenaustauscher zu finden. Faulendes Holz oder einfaches Chlorophyll waren die ersten von Menschen unbewusst eingesetzten Ionenaustauscher bei der Säuberung von Wasser. Hinzu kommen mineralische Verfahren mit Alumiumoxid, Tonmineralien oder Aluminiumsilikat.
Wann und wo welcher Ionenaustauscher eingesetzt wird, hängt von vielen Faktoren ab. Für eine einfache Enthärtung reicht ein Modell mit Kunstharz. Wird das Prozesswasser in der chemischen Industrie in mehreren Stufen verändert, können sogar Tauscher vor dem Übergang zwischen verschiedenen Leitungsabschnitten nötig sein, damit sich die Leitungen nicht zusetzen oder angegriffen werden. Hier kommt es zu einem Zusammenspiel mit anderen chemischen Prozessen wie Ausfällung, Zugabe von Säuren oder Basen – je nach dem, welche Moleküle im Wasser gelöst sind.