Ionen uitwisseling

Water

Water is een vloeistof, gemaakt van watermoleculen (formule H2O).
Alle natuurlijke wateren bevatten een aantal vreemde stoffen, meestal in kleine hoeveelheden. Het water in de rivier, in een put of uit je kraan thuis is niet zomaar H2O, het bevat een beetje van:
• Vaste, onoplosbare stoffen, zoals zand of plantaardig afval. Deze vaste stoffen kun je er in principe uit filteren.
• Oplosbare stoffen, die je meestal niet kunt zien en die er niet uit gefilterd kunnen worden. Deze stoffen kunnen anorganisch of organisch zijn, ze kunnen geïoniseerd (elektrisch geladen) zijn of niet.
De oplosbare, niet-geïoniseerde stoffen zijn in het water aanwezig in de vorm van moleculen van verschillende groottes en formules, bijvoorbeeld:
• Koolstofdioxide is een klein molecuul met een simpele formule: CO2.
• Suiker is een groter molecuul met een ingewikkelde formule afgekort als C12H22O11.
Misschien wilt u deze vreemde stoffen uit het water verwijderen. Door ionenuitwisseling kun je de geïoniseerde stoffen verwijderen.

Ionen

De oplosbare, geïoniseerde stoffen zijn in water aanwezig als ionen, dit zijn elektrisch geladen atomen of moleculen. De positief geladen ionen worden kationen genoemd en de negatief geladen ionen worden anionen genoemd. Omdat water elektrisch globaal neutraal is (anders krijg je een elektrische schok als je je hand in het water steekt) is het aantal positieve ladingen gelijk aan het aantal negatieve ladingen.
Ionen kunnen één of meer ladingen hebben, het meest gebruikelijke bereik is 1 tot 3. Ionen kunnen uit slechts één atoom bestaan, of meerdere atomen die permanent aan elkaar zijn gekoppeld, zoals moleculen.
Voorbeelden:
• Een eenwaardig atomair kation: het natriumion Na+
• Een tweewaardig atomair kation: het calciumion Ca++
• Een eenwaardig moleculair kation: het ammoniumion NH4+
• Een eenwaardig atomair anion: het chloride-ion Cl—
• Een eenwaardig moleculair anion: het nitraation NO3—
• Een tweewaardig moleculair anion: het carbonaat-ion CO3=
• Een tweewaardig complex anion: het chromaation CrO4=
• Het driewaardige aluminiumkation Al+++ bestaat alleen in zeer zure oplossing, niet in normaal water.
Ionen kunnen zich in water verplaatsen, ze zijn niet gefixeerd en ze zijn niet gehecht aan ionen met de tegenovergestelde lading. Alleen de som van de ladingen is hetzelfde voor alle kationen en alle anionen. Zie figuur 1 voor een schematische weergave van ionen in water.

Zouten

Zouten zijn gekristalliseerde stoffen die een vaste verhouding kationen en anionen bevatten. Keukenzout heeft bijvoorbeeld exact hetzelfde aantal natriumkationen (Na+) en chloride-anionen (Cl—). De formule wordt gegeven als NaCl. Wanneer je een zout in water oplost, kunnen de kationen en anionen vrij ronddwalen.

Ionen in water zijn losjes verbonden met watermoleculen. Er wordt gezegd dat ze gehydrateerd zijn, de kationen worden aangetrokken door het O-atoom, anionen door de H-atomen van het watermolecuul.

Magnesiumsulfaat is een zout met precies hetzelfde aantal magnesiumkationen (met dubbele lading: Mg++) en sulfaatanionen (ook met dubbele lading, SO4=) zodat de formule MgSO4 is.
Calciumchloride is gemaakt van calciumionen (met 2 ladingen, Ca++) en chloride-ionen (met slechts 1 lading, Cl—). Je hebt 2 chloride-anionen nodig om elk calciumkation in evenwicht te brengen. Daarom is de formule van calciumchloride CaCl2.
Evenzo heb je in natriumcarbonaat natriumkationen Na+ en carbonaatanionen CO3=, zodat je 2 natriumionen nodig hebt voor elk carbonaation, en de formule is Na2CO3.
Als je water lang kookt en verdampt, houd je een droog residu over dat is gemaakt van zouten en mogelijk andere residuen, zoals silica en organische verbindingen. Alleen in zeewater heb je een flinke hoeveelheid droog residu, 35 tot 40 gram droog residu op een liter zeewater. In rivier- of kraanwater is het droge residu meestal erg laag, variërend van 50 tot 500 mg/L. Het droge residu wordt ook wel Total Dissolved Solids genoemd en afgekort als TDS.

Ionenuitwisseling

Onzuiverheden in water
Water bevat, zoals we hebben gezien, kleine hoeveelheden vreemde stoffen. In veel gevallen veroorzaken deze stoffen geen probleem. Drinkwater met een beetje zout is veel beter voor de gezondheid dan ultrapuur water. Voor specifieke toepassingen worden deze vreemde stoffen echter als onzuiverheden beschouwd en moeten ze uit het water worden verwijderd.
Onoplosbare stoffen (zand enz.) kunnen door filtratie worden verwijderd. Er zijn veel verschillende soorten filtratietechnologieën, tot aan ultrafiltratie die deeltjes van minder dan een micron kan verwijderen. Voor oplosbare stoffen moeten andere technieken worden gebruikt.
Oplosbare geïoniseerde stoffen kunnen worden verwijderd door ionenwisseling.

Demineralisatie

Als je alle in water opgeloste kationen vervangt door H+ ionen en alle anionen door OH– ionen, zullen deze recombineren en nieuwe watermoleculen vormen. Hiervoor heb je een kationenuitwisselingshars in de H-vorm en een anionenuitwisselingshars in de OH-vorm nodig. Alle kationen en anionen worden uitgewisseld, en in dit geval is het netto resultaat een volledige “verdwijning” van de ionische verontreinigingen. De kationenuitwisselingsreacties zullen zijn:
2R’H+Ca++ ✓R2Ca+2H+
R’H+Na+ tot R’Na+H+
In deze vergelijkingen stelt R’ de kationhars voor. Dit is te zien in figuur 5. De hars is aanvankelijk in de waterstofvorm (H+). Op deze foto zijn de anionen in water niet weergegeven. Je kunt zien dat één Ca++-ion dat binnenkomt ervoor zorgt dat twee H+-ionen de hars verlaten, terwijl één Na+-kation wordt uitgewisseld voor één H+-ion.