Entwicklung eines elektrochemisch schaltbaren Ionenaustauschers zur Wasserenthärtung auf der Basis des leitfähigen Polymers Polypyrrol

Die Entwicklung eines elektrochemisch schaltbaren Ionenaustauschers auf der Basis des leitfähigen Polymers Polypyrrol beruht auf dessen Eigenschaft, bei der Änderung des Oxidationszustandes Ionen mit der umgebenden Lösung auszutauschen.

In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zur Charakterisierung der Ionenaustauscher-Eigenschaften von Polypyrrol (PPy) sowie anwendungsnahe Experimente zum Nachweis der technischen Umsetzbarkeit vorgestellt.

Die Untersuchungen zeigen, daß neben den, in das Polymer eingebauten, Gegenionen auch die Ionen in der umgebenden Elektrolyt-Lösung das Ionenaustauscher-Verhalten von PPy beeinflussen können. Aus Messungen mit der elektrochemischen Quarzmikrowaage geht hervor, daß PPy mit Polystyrensulfonat(PSS)-Gegenionen unabhängig von der Art der Ionen in der umgebenden Elektrolyt-Lösung ausschließlich Kationen austauscht. Damit erweist sich das System PPy(PSS) für den Einsatz in der Wasserenthärtung als geeignet. Untersuchungen der behandelten Lösungen mit Atomabsorptionsspektroskopie zur Überprüfung des Kationenaustauscher-Verhaltens zeigen, daß sich die Ca2+- oder Mg2+-Konzentration in einer Versuchslösung entsprechend dem Oxidationszustand des Polymers ändert. Bei der Reduktion von PPy(PSS) werden Ca2+- oder Mg2+-Ionen in das Polymer aufgenommen und die umgebende Lösung enthärtet. Die zuvor aufgenommenen Ionen können bei der Oxidation wieder abgegeben werden, so daß auch die Regeneration des Kationenaustauschers elektrochemisch durchgeführt werden kann.

Für die technische Anwendung wird eine Methode zur Herstellung kleiner PPy-Partikel mit großer spezifischer Oberfläche vorgestellt. Diese Partikel werden in Kohlenstoffvlies-Elektroden fixiert und elektrochemisch untersucht. In Test-Kreisläufen werden relevanten Parameter für die Wasserenthärtung ermittelt.

Die Experimente belegen, daß PPy(PSS) als elektrochemisch schaltbarer Ionenaustauscher geeignet ist. Die Wasserenthärtung und Regeneration erfolgen ohne den Einsatz von Chemikalien und ohne die Elektrolyse des Wasser.

Mit dieser Arbeit werden wissenschaftlich-technische Voraussetzungen für die Anwendung eines elektrochemisch schaltbaren Ionenaustauschers auf der Basis des leitfähigen Polymers Polypyrrol in der Wasserenthärtung geschaffen.