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Branchenreport Ionenaustaucher Schweizer Taschenmesser der Chemie

02.06.2016

Ionenaustausch hat etwas von einer Allzweckwaffe für chemische Prozesse: Von der Spülmaschine bis zum Kraftwerk leistet die Technologie nützliche Dienste. In Zukunft kann sie noch wichtiger werden – beim Recycling wertvoller Rohstoffe oder bei der Produktion von Hightech-Glas.

Was haben Dampfturbinen, milder Orangensaft, bestimmte Katalysatoren, langsam wirkende Medikamente, Brauwasser und Vollwaschmittel gemeinsam? In jedem Fall ist eine Technologie im Spiel, die bereits in der Bibel erwähnt wird: Als er durch die Wüste zog, soll Moses bitteres Wasser in süßes verwandelt haben, indem er altes Holz hineinwarf. Um ein Wunder handelte es sich dabei nicht: Verrottete Zellulose holt schließlich die (bitteren) Magnesium-Ionen aus dem Wasser – sie fungiert als Ionenaustauscher.

Ionenaustauscher sind Materialien, die es erlauben, gelöste Ionen durch andere Ionen gleichnamiger Ladung (positiv oder negativ) zu ersetzen. Heute werden dafür meist Kunstharze eingesetzt. Die auszutauschenden Ionen werden gebunden, dafür wird eine entsprechende Menge zuvor im Harz gebundener Ionen an die Lösung abgegeben. Ist das Ionenaustauscher-Granulat erschöpft, lässt es sich mit einer geeigneten Lösung regenerieren. Die einfachste Nutzung ist der Filter fürs Teewasser oder die Entkalkereinheit in der Spülmaschine: Kalzium- und Magnesium-Kationen werden durch Natrium-Kationen ersetzt. Modernes Waschpulver bringt seinen Ionenaustauscher gleich mit: Der Inhaltsstoff Zeolith macht das Wasser weich.

Breites Anwendungsspektrum

Mithilfe spezieller Anionen- und Kationenaustauscherharze lassen sich gezielt bestimmte Stoffe aus einer Lösung entfernen. Die Aufbereitung von Wasser ist dabei das bekannteste und größte Einsatzgebiet. Die Harze holen Gifte, etwa Schwermetalle oder organische Schadstoffe, aus dem Trinkwasser. Bei der Meerwasserentsalzung nutzt man sie, um unerwünschte Stoffe wie Bor zu entfernen. Mit ihrer Hilfe wird hochreines Wasser hergestellt, das für viele Produktionsprozesse erforderlich ist – etwa bei der Herstellung von Mikrochips. In Kraftwerken beugt der Einsatz von Ionenaustauschern Korrosion und Verkrustungen in Dampferzeugern vor. Auch Abwasser und Rauchgas-Waschwasser lassen sich mit ihrer Hilfe aufbereiten: Die Harze binden zum Beispiel nicht nur Arsen, Cadmium oder Quecksilber, sondern auch radioaktives Cäsium aus Kernkraftwerkskühlungen.

In der Lebensmittelindustrie verwendet man Ionenaustauscher unter anderem, um unerwünschte Bitterstoffe oder Mineralien zu entfernen oder etwa auch um Rohzucker zu entsalzen und zu entfärben. In der Arzneimittelherstellung wird das Prinzip nicht nur im Produktionsprozess eingesetzt. Retard-Medikamente geben den Wirkstoff ebenfalls mithilfe eines Ionenaustauschers langsam an den Körper ab. Ein Überschuss an Kalium oder an Gallensäure lässt sich mit entsprechenden Harzen ebenfalls behandeln. Und schließlich kann man Ionenaustauscher auch zur Metallgewinnung einsetzen – auf diese Weise lassen sich beispielsweise Kupfer, Nickel und Uran binden.

In diesem vielgestaltigen Markt ist nicht nur Platz für große Konzerne wie etwa Merck Millipore, Dow und Lanxess. Bei privaten Anwendern am bekanntesten sind wohl die Wasserfilter der deutschen Firma Brita. Und Unternehmen wie Antech-Gütling und Envirochemie bieten Spezialanwendungen und -konzepte.
Die steigenden Umweltanforderungen sind einer der Wachstumstreiber der Branche. Die Einsatzgebiete reichen von der Reinigung von Industrieabwässern über die Altlastensanierung bei Grundwasser und Böden bis hin zur Erfüllung der zunehmend strengeren Umweltstandards in der Produktion. Auch in Asien etwa beginnt hier ein Veränderungsprozess. So wachsen auch international die Marktchancen für Austauscherharze und entsprechende Anlagen.

Wachstumstreiber Umweltschutz

In der Produktion ist hoch gereinigtes beziehungsweise von bestimmten Inhaltsstoffen befreites Wasser in vielen sensiblen Produktionsprozessen unverzichtbar. Die Beispiele reichen von der Zwischenreinigung beim Lackieren von Autos bis hin zur Herstellung von Mikroelektronik, LEDs oder Solarmodulen. Solange hier die Nachfrage wächst, steigt auch der Bedarf an Wasseraufbereitungsanlagen.

Positiv entwickelt sich darüber hinaus die Nachfrage nach Produkten für Lebensmittelanwendungen. Chemiekonzern Lanxess hat deshalb in Leverkusen eine Food-Grade-Packaging-Einrichtung eingerichtet, die auf die Abfüllung größerer Mengen in lebensmittelgerechter Qualität eingestellt ist. Insgesamt waren die Lanxess-Werke für Ionenaustauscherharze in Deutschland und Indien laut Unternehmensangaben 2015 hoch ausgelastet.

Die Firma Envirochemie baut (Ab-)Wasseraufbereitungsanlagen für internationale Kunden. Im Bereich der Ionenaustauscher ist jedoch der umsatzstärkste Arbeitsbereich die Dienstleistung zur Regeneration von Austauscherharzen. Hier sieht Gottlieb Hupfer, Vorsitzender der Geschäftsleitung, künftig wesentliche Wachstumschancen: Angesichts des breiten Spektrums an Harzen sei es wichtig, mit einem solchen Service zuverlässig kundenspezifische Qualitäten für die Erzeugung von reinem beziehungsweise hochreinem Wasser oder für Wasserkreisläufe zu liefern. Über die Tochter Envirofalk investiert sein Unternehmen deshalb gerade in ein neues modernes Regenerierzentrum.

Auf Service setzt auch Lanxess. Der Konzern bietet nicht nur Schulungen und Beratung, sondern stellt Kunden das hauseigene Know-how gratis über die Software Lewaplus zur Verfügung. Im Jahr 2012 war Lanxess auch in das Geschäft mit der Membrantechnologie eingestiegen, da Umkehrosmose und Ionenaustausch bei der Wasserreinigung meist kombiniert werden. Das Tool erlaubt es Kunden, den Aufbereitungsprozess mit Hilfe der beiden Technologien bis ins Detail nach ihren Bedürfnissen zu planen.

Marktprobleme und Wachstumschancen

Im Bergbau, in der Gas- und Ölförderung – ebenso beim Fracking und der Verarbeitung von Teersänden – spielt die Aufbereitung von Brauch- und Abwasser eine große Rolle. Durch die sinkenden Ölpreise wie durch den Preisverfall bei Metallen ist derzeit allerdings in diesen Bereichen die Nachfrage gesunken. Doch aufgrund der vielseitigen und zukunftsträchtigen Anwendungsmöglichkeiten geht man bei den Unternehmen insgesamt von einem stabilen Wachstum des Marktes im Bereich Ionenaustauscher aus. Gottlieb Hupfer etwa berichtet, dass die Einsatzgebiete in der klassischen Galvanotechnik sowie in fossilen Kraftwerken stark unter Margen- und Preisdruck stehen. Er geht davon aus, dass diese Bereiche dauerhaft zurückgehen. Trotz der schwierigen Marktsituation im Gasbereich kann Envirochemie aber aktuell einen größeren Auftrag aus Russland verbuchen. Generell rechnet Hupfer auch künftig mit einem beständigen Wachstum der internationalen Nachfrage.

Recycling ist ein weiteres Zukunftsthema. Beim Austauschprozess lassen sich Stoffe gezielt binden. Damit ermöglicht der Prozess auch das Recycling von Wertstoffen. Aus Beiz- und Säurebädern lassen sich etwa Silber, Gold, Platin oder Palladium zurückholen. Beim Wassertechnikspezialisten Antech-Gütling geht man davon aus, dass in der metallverarbeitenden Industrie zunehmend in Recyclingmaßnahmen investiert wird. Wertvolle Rohstoffe finden sich auch in der Asche von Müllverbrennungsanlagen sowie in Klärschlämmen. Phosphor ist als Dünger unverzichtbar – und wird weltweit immer knapper. Bei Antech-Gütling sieht man künftig unter anderem Ertragschancen in der Reinigung von Phosphorsäure durch die Entfernung von Schwermetallen. Gottlieb Hupfer von Envirochemie nennt zudem das Beispiel Natriummolybdat. Der Stoff lässt sich durch Ionenaustauscher in Entsorgungsbetrieben zurückgewinnen.

Biegsames, ultradünnes Glas

Ein Smartphone soll leicht sein – und dennoch stabil. Das stellt hohe Anforderungen an die Glasqualität. Beim ersten Iphone wurde 2007 das Gorilla-Glas von Corning in den Markt eingeführt. Es wurde per Ionenaustausch in einem 400 °C heißen Salzbad gehärtet. Inzwischen ist vergleichbares Coverglas Standard. Die Elektronikindustrie fordert jedoch immer dünneres Material. Es soll die optische Qualität und Transparenz von Glas besitzen, dabei aber möglichst kratz- und bruchfest sein – und am besten die Biegsamkeit von Metallen oder Kunststoffen aufweisen. Beim deutschen Unternehmen Schott produziert man bereits Glas dünn wie ein menschliches Haar und mit einem Biegeradius von < 5 mm, ohne dass das Glas zerspringt. Das ist nur möglich, weil das Glas chemisch gehärtet wird. Nur wenige Hersteller weltweit sind in der Lage, ultradünnes Glas zuverlässig in Dicken von 200 bis zu 25 μm zu produzieren. „Beim chemischen Härten per Ionenaustausch stellen sich hier besonders hohe Herausforderungen an Prozessstrategie und Prozessführung", sagt Dr. Rüdiger Sprengard, Director Business Development Ultra-thin Glass bei Schott. Die Forscher und Ingenieure des Unternehmens arbeiten an noch kleineren Radien. Im Bereich der Consumer Electronics sieht Sprengard aufgrund der Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten großes Potenzial für chemisch gehärtetes Ultradünnglas: vom Chip-Packaging über Dünnschichtbatterien bis hin zu präzisen und zuverlässigen Fingerabdruckscannern.

In den nächsten zehn Jahren könnte das Material laut Sprengard zu einer wahren Technologie- und Produktrevolution in Elektronik, Licht- und Haustechnik, Mobilität und Industrieanwendungen beitragen. Vielleicht gibt es dann auch das bieg- oder gar rollbare Smartphone – klein in der Tasche, aber mit großem Display zum Lesen.

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