Investigation of Ion Exchange Based Separation of Sodium and Potassium Ions

This study investigated the ion-exchange-based separation of potassium ions (K⁺) from sodium ions (Na⁺) using two sulfonated cation exchange resins of contrasting morphology, a gel-type resin (Lewatit® MonoPlus S 215 KR) and a macroporous resin (Lewatit® K 2629), and explored the potential of enhancing separation selectivity through impregnation with 18-crown-6. Both resins exhibited preferential adsorption of K⁺ over Na⁺, well described by the Langmuir and Freundlich isotherm models, with the gel-type resin demonstrating higher adsorption capacity (qm = 73.50 mg/g at 25°C) and the macroporous resin achieving higher K⁺/Na⁺ selectivity under binary-ion conditions (𝛼𝑁𝑎𝐾 = 2.25 at 25°C). The thermodynamic analysis revealed a contrasting morphology-dependent behaviour, exothermic and enthalpy-driven adsorption on the gel-type resin, and endothermic and entropy-driven adsorption on the macroporous resin, which directly governed the opposing temperature dependence of selectivity observed under competitive conditions. Impregnation of Lewatit® K 2629 with 18-crown-6 yielded hybrid adsorbents with selectivity enhancements of up to 45.4% in the first adsorption cycle, with K2629-CE15 identi-fied as the optimal formulation; however, progressive crown ether leaching under successive cycles highlighted the inherent limitation of physical impregnation as a modification strategy. Under continuous-flow conditions, Lewatit® K 2629 was selected as the more suitable resin based on higher selectivity and superior hydrodynamic stability, with preferential K⁺ retention maintained across all feed compositions investigated. Regeneration optimisation identified HNO₃ (1.04 M) as the most effective regenerant, achieving 99.4% recovery efficiency, while fractional eluent collection was identified as a viable strategy for recovering a potassium-en-riched product stream.

In der vorliegenden Arbeit wurde die ionenaustauscherbasierte Trennung von Kaliumionen (K⁺) und Natriumionen (Na⁺) unter Verwendung zweier sulfonierter Kationenaustauscherharze mit unterschiedlicher Morphologie untersucht, einem Geltyp-Harz (Lewatit® MonoPlus S 215 KR) und einem makroporösen Harz (Lewatit® K 2629), sowie das Potenzial einer Selektivitätssteigerung durch Imprägnierung mit 18-Krone-6 erforscht. Beide Harze zeigten eine bevorzugte Adsorption von K⁺ gegenüber Na⁺, die durch die Langmuir- und Freundlich-Isothermen gut beschrieben werden konnte. Das Geltyp-Harz wies dabei eine höhere Adsorptionskapazität auf (qm = 73,50 mg/g bei 25°C), während das makroporöse Harz unter Binärbedingungen eine höhere K⁺/Na⁺-Selektivität erreichte (𝛼𝑁𝑎𝐾= 2,25 bei 25°C). Die thermodynamische Analyse offenbarte ein morphologieabhängiges Gegenläufigkeitsverhalten: exotherme und enthalpiegetriebene Adsorption beim Geltyp-Harz sowie endotherme und entropiegetriebene Adsorption beim makroporösen Harz, was die gegensätzliche Temperaturabhängigkeit der unter kompetitiven Bedingungen beobachteten Selektivität unmittelbar erklärte. Die Imprägnierung von Lewatit® K 2629 mit 18-Krone-6 führte zu Hybridadsorbentien mit Selektivitätssteigerungen von bis zu 45,4 % im ersten Adsorptionszyklus, wobei K2629-CE15 als optimale Formulierung identifiziert wurde. Allerdings verdeutlichte das fortschreitende Auswaschen des Kronenethers in aufeinanderfolgenden Zyklen die inhärente Limitation der physikalischen Imprägnierung als Modifikationsstrategie. Unter kontinuierlichen Strömungsbedingungen wurde Lewatit® K 2629 aufgrund der höheren Selektivität und überlegenen hydrodynamischen Stabilität als geeigneteres Harz ausgewählt, wobei die bevorzugte K⁺-Retention über alle untersuchten Zulaufzusammensetzungen hinweg aufrechterhalten wurde. Die Regenerationsoptimierung identifizierte HNO₃ (1,04 M) als effektivstes Regenerationsmittel mit einer Rückgewinnungseffizienz von 99,4 %, während die fraktionierte Eluentensammlung als praktikable Strategie zur Gewinnung eines kaliumangereicherten Produktstroms identifiziert wurde.