Ionenaustausch – von der Entdeckung bis zur industriellen Nutzung.

Ionenaustausch findet in der Natur ständig statt. Zum Beispiel wenn Wasser versickert, Torfmoose Nährstoffe aufnehmen, Sonnentau Insekten verdaut oder die Spinne einen Seidenfaden produziert. Der Mensch hat sich dieses Prinzip abgeschaut und nutzt Ionenaustauscher in vielen Bereichen wie Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung, Biochemie, Medizin und Technik.

Wasseraufbereitung nach biblischer Überlieferung
Der wohl älteste Bericht über Ionenaustauscher stammt aus der Bibel, aus dem 2. Buch Mose. Demnach geschah es, als Mose mit dem Volk Israel dürstend nach Mara kam. Sie fanden nur bitteres, ungenießbares Wasser und das Volk „schrie, was sollen wir trinken?“ Offenbar auf Geheiß des Herrn warf Mose faulendes Holz ins Wasser, das daraufhin trinkbar wurde. Heute ist bekannt, dass vermodernde Zellulose als Ionenaustauscher funktioniert und Magnesium-Ionen gegen Kalium- und Natriumionen austauscht.

Zeolithe als Ionenaustauscher erkannt
Jahrhunderte nutzte die Menschheit unwissentlich das Prinzip des Ionenaustausches, erkannt wurde es erst im 19. Jahrhundert. Um 1850 beauftragten der englische Landwirt M. S. Thompson und der Agrikulturchemiker J. T. Way  den Apotheker J. Spence mit Bodenuntersuchungen. Der Apotheker ließ Aluminiumsulfat durch die Bodenprobe laufen, heraus kam Calciumsulfat. Dieser Vorgang wurde zunächst als Basenaustausch gedeutet, später von Wissenschaftlern als Ionenaustausch entlarvt. In jenem Fall waren mehrere Mineralien des Bodens, vor allem Zeolithe am Austausch der Ionen beteiligt.

Permutit zur Wasserenthärtung
Bald darauf begann die gezielte technische Anwendung von Ionenaustauschern, zum Beispiel in der Zuckerindustrie. Doch erst als der Physiker R. Gans den ersten künstlichen Ionenaustauscher herstellte begann die industrielle Nutzung dieses chemischen Prozesses. Die alsbald gegründete Permutit AG stellte Permutit, also künstliches Zeolith im großen Stil her; zunächst vor allem Natriumpermutit, das zur Wasserenthärtung dient.

Kunstharz für den Ionenaustauscher
Seit die ionenaustauschende Fähigkeit von Kunstharzen entdeckt wurde, werden immer mehr Ionenaustauscher durch Polymerisation erzeugt. Inzwischen können unterschiedliche Ionenaustauscherharze hergestellt werden, die auf spezifische Erfordernisse des Anwenders abgestimmt sind. Daraus ergeben sich mannigfaltige Einsatzmöglichkeiten für Ionenaustauscher. Dazu gehören das Enthärten und Demineralisieren von Wasser und das Entsalzen von Meerwasser.

Ionenaustauscher -  Wirkungsweise und Einsatzbereich

Als Ionenaustauscher fungieren in der Regel organische oder anorganische feste Stoffe, die natürlichen Ursprungs oder künstlich hergestellt sind. Sie nehmen Ionen aus einer Elektrolytlösung auf und ersetzten diese mit gleich geladenen Ionen des jeweiligen Feststoffes.

Wirkprinzip Ionenaustauscher
Das Wirkprinzip des Ionenaustausches beruht auf der nach außen wirksamen elektrischen Ladung von Ionen. Diese entsteht durch die unterschiedliche Anzahl von Protonen und Elektronen in Molekülen und Atomen. Ionen mit Elektronenmangel sind positiv geladen (Kationen), während Ionen mit Elektronenüberschuss negativ (Anionen) geladen sind. Es herrscht also ein Ungleichgewicht. Treffen nun Substanzen mit verschieden stark gebundenen Ionen zusammen, ist die Natur bestrebt, ein Gleichgewicht herzustellen. Stärker gebundene Ionen verdrängen die schwächer gebundenen.

Entsprechend der elektrischen Ladung der austauschbaren Ionen lassen sich Ionenaustauscher in Kationentauscher und Anionentauscher unterteilen. Darüber hinaus existieren amphotere Ionenaustauscher, die Kationen und Anionen gleichzeitig austauschen können. Wenn jedoch das chemische Gleichgewicht hergestellt ist, findet kein Austausch mehr statt, der Ionenaustauscher wird sozusagen wirkungslos. Allerdings sind die chemischen Prozesse reversibel, der Austauscherstoff kann sich regenerieren.

Ionenaustauscher in der Wasserwirtschaft
In der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung werden Ionenaustauscher gezielt eingesetzt, um die Wasserqualität zu verändern. Zu den Zielen gehören das Entfernen von Metallionen aus dem Wasser, das Verringern der Wasserhärte und die Herstellung von Reinstwasser. Je nach der Beschaffenheit des Ausgangswassers und dem gewünschten Effekt stehen dabei unter schiedliche Austauscher-Materialien zur Wahl. Bei Bedarf können verschiedene Ionenaustauscher in Reihe geschaltet werden und nacheinander Kationen sowie Anionen verschiedener Stoffe austauschen. 

Während des Gebrauchs erschöpft sich der Ionenaustauscher und muss regenerieren. Während der Regenerationsphase kann er seine ursprüngliche Funktion nicht erfüllen. Für eine kontinuierliche Versorgung empfehlen sich deshalb zwei Systeme, damit immer eines funktionsfähig ist. In der Praxis werden häufig Austauschersäulen verwenden, möglich ist aber auch das Membranverfahren. Als Material für den Ionenaustausch haben sich inzwischen immer mehr Kunstharze durchgesetzt, dennoch kommen auch Naturstoffe zum Einsatz.
Im Haushalt ist der Ionenaustauscher zum Beispiel aus dem Geschirrspüler bekannt, dem regelmäßig ein Regenerationssalz zugesetzt werden muss. Dort werden Ca2+ und Mg2+ -Ionen durch Na+ ersetzt. In Wasserfiltern werden Ionenaustauscher oft mit Aktivkohle kombiniert um, das Wasser zu entkalken sowie unerwünschte Geschmackes- und Geruchsstoffe zu entfernen. Bei der Reinigung von Abwässern werden durch Ionenaustausch giftige Schwermetall-Ionen entfernt und zugleich Wertstoffe zurückgewonnen.

Elektroentionisierung kombiniert Elektrodialyse und Ionenaustauscher
Elektroentionisierung (EDI) ist ein Verfahren um elektrisch geladene Teilchen aus wässrigen Lösungen abzutrennen. Vereinfacht gesagt, handelt es sich um eine Kombination von Elektrodialyse und Ionenaustauscher. Der Prozess findet unter Einsatz von Elektrizität in einem Behälter statt, der oft Zelle oder Kammer genannt wird.

Trennverfahren ohne chemische Zusätze
Wässer aus natürlichen Vorkommen, genau wie Gebrauchtwässer, enthalten einen mehr oder minder großen Anteil an Ionen, also elektrisch geladenen Atomen und Molekülen. Je nach Polarität werden diese Ionen in positiv geladene Kationen und negativ geladene Anionen unterteilt. Ionen unterschiedlicher Ladung ziehen sich an, gehen Ionenbindungen und fungieren im Wasser quasi als elektrische Leiter.

Deshalb messen Wasseranalytiker auch die Leitfähigkeit eines Wassers, um dessen Reinheitsgrad zu bestimmen. Die Elektroentionisierung macht sich diese Eigenschaften zunutze, um Ionen aus der Elektrolytlösung Wasser zu entfernen. Das Entionisieren erfolgt ohne chemische Zusätze. Stattdessen werden Ionenaustauscherharz, selektierende Membrane und elektrische Spannung miteinander kombiniert.

Ionenaustausch, elektrisches Spannungsfeld und EDI-Zelle
Stark vereinfacht lassen sich die Vorgänge und die EDI-Zelle folgendermaßen beschreiben. Eine EDI-Zelle besteht aus einer Kammer mit Ionenaustauscherharz, auch Mischbettionenaustauscher genannt. Dieses Harz wird von Ionenaustaschermembranen und  Elektroden begrenzt. Fließt die Elektrolytlösung in die Kammer mit dem Harz, findet zunächst ein Ionenaustausch statt. Durch das angelegte elektrische Feld werden diese ausgetauschten Ionen von den entsprechend geladenen Elektroden angezogen. Je nach Ladung passieren Ionen die Anionenaustauscher- oder Kationenaustauscher-Membran und gelangen in eine Konzentrationskammer. Die Membran ist nur für Ionen passierbar, das Wasser bleibt entionisiert zurück.

Mangels Ionen verliert das Wasser im Laufe dieses Prozesses an elektrischer Leitfähigkeit. An der Oberfläche des Ionenaustauscherharzes entstehen Wasserstoff- und Hydroxylionen, die als Regenerationsmittel für das Harz wirken. Bei diesem Verfahren regeneriert sich das Ionenaustauscherharz also selbst, es ist keine Regenerationssalz oder Austausch nötig.

Anwendungsgebiete
Elektroentionisierung  empfiehlt sich für viele Anwendungsbereiche und ermöglicht eine konstante Versorgung mit entionisiertem Wasser. Häufig wird die Technologie mit anderen Verfahren der Wasseraufbereitung kombiniert. Zu den Einsatzgebieten gehören die Lebensmittelproduktion, das Rückgewinnen von wertvollen Metallionen aus Abwässern und das Entfernen von Substanzen aus pharmazeutischen Lösungen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise in der Biotechnologie, Elektronik, Kosmetik und in Laboren.

Umkehrosmose und Osmose

Umkehrosmose ist ein physikalisches Verfahren, das Flüssigkeiten und darin gelöste Stoffe voneinander trennt. Es wird auf vielfältige Weise zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete finden sich unter anderem in der Getränkeindustrie, zum Beispiel beim Herstellen von Fruchtsaftkonzentraten, alkoholfreiem Bier, konzentriertem Most und Wein.

Entdeckung des Phänomens Osmose
Der Name Umkehrosmose stellt den Bezug zu dem natürlichen Prozess Osmose her, der den Flüssigkeitshaushalt in Zellen von Lebewesen reguliert. Experimentell sind Wissenschaftler diesem Phänomen bereits seit dem 18. Jahrhundert auf der Spur. Der französische Arzt und Biologe René Joachim Henri Dutrochet nannte bei seinen Versuchen das Einströmen von Wasser Endosmose und das Ausströmen Exosmose. Er bediente sich dabei aus dem Altgriechischen, wo Osmose etwa „eindringen, stoßen oder antreiben“ bedeutet.

Osmose passiert ohne Energie von außen
Stark vereinfacht lässt sich das Phänomen Osmose folgendermaßen zusammenfassen. Es findet  zwischen Lösungen unterschiedlicher Konzentration statt, die durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran getrennt sind. Diese Membran lässt nur kleinere Teilchen der Flüssigkeit durch und bildet für den Rest eine undurchdringliche Barriere. Die Flüssigkeit mit weniger gelösten Teilchen fließt in Richtung der Flüssigkeit mit mehr gelösten Teilchen und verdünnt diese sozusagen. Dies geschieht solange, bis das Konzentrationsgefälle ausgeglichen ist, beziehungsweise ein osmotischer Druck aufgebaut ist. Der Prozess beruht auf der Braunschen Molekularbewegung, die passiv, ohne zusätzliche Energie abläuft. Fachleute sprechen von einseitiger Diffusion.

Umkehrosmose passiert durch zugeführte Energie
Während die Natur mit der Osmose einen Konzentrationsausgleich anstrebt, soll die Umkehrosmose im Prinzip einen Konzentrationsunterschied erzeugen. Dazu muss die höher konzentrierte Lösung in die umgekehrte Richtung gezwungen werden. Dies geschieht mit Druck, es wird also Energie zugeführt. Die Flüssigkeit wird durch die Membran gepresst. Auf der einströmenden Seite bleibt das Konzentrat zurück auf der anderen Seite strömt eine niedrig konzentrierte oder auch reine Lösung aus.

Umkehrosmose – Entwicklung und Anwendung
Das Filtrationsverfahren Umkehrosmose wurde Mitte des vergangenen Jahrhunderts in den USA entwickelt. Damals suchten Forscher intensiv nach rentablen Wegen, um Meerwasser zu entsalzen. Der Durchbruch gelang 1959 schließlich den Wissenschaftlern Sidney Loeb und Sriniasa Sourirajan. Sie entwickelten eine Membran, die aus Salzwasser „mit angemessener Permationsrate, ohne übermäßigen hydrostatischen Druck Frischwasser erzeugte“.
– (Loeb ) strangeside.com/water-israels-production-of-water-from-the-sea/

Reverse Osmose
Dieses Verfahren nannten Sie Reverse Osmose (RO), im deutschsprachigen Raum als Umkehrosmose bekannt. Als erster kommerzieller Nutzer der RO schaffte die Kleinstadt Coalinga in Kalifornien eine Umkehrosmoseanlage an und erzeugte bald ein Drittel des benötigten Süßwassers damit. Inzwischen hat sich die Umkehrosmose einen festen Platz in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung erobert und wird auch in anderen Bereichen eingesetzt.

Einsatzbereiche für Umkehrosmose
Anders als mit Aktivkohlefilter und Ionenaustauscher lassen sich durch Umkehrosmose nahezu alle gelösten Stoffe aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten entfernen. Dazu gehören beispielsweise Zucker, Viren, Salze und Protein, woraus sich Anwendungsmöglichkeiten in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie aber auch in Medizin und Pharmazie ergeben. Dabei kann das Verfahren zur Aufkonzentration einer Lösung genauso genutzt werden wie zum Reinigen der Flüssigkeit.
In der Wasserwirtschaft dient die Umkehrosmose unterschiedlichen Zwecken, erzeugt salzfreies Prozesswasser, reines Laborwasser, sauberes Trinkwasser und filtert Wertstoffe und Schadstoffe aus gebrauchtem Wasser heraus. RO-Anlagen finden sich außer in Wasserwerken unter anderem in der Schifffahrt, beim Militär, in Kraftwerken und in privaten Haushalten.
Übrigens: Die NASA entwickelte Verfahren, um mittels Umkehrosmose aus dem Eigenurin der Raumfahrer Trinkwasser zu gewinnen.

Membran – Herzstück der Umkehrosmoseanlage
Das Herzstück einer Umkehrosmose-Anlage bildet die Membran, den notwendigen Druck erzeugt in der Regel eine Pumpe. Bei Anlagen zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung lassen die mikroskopisch kleinen Poren der Membran meist nur Wassermoleküle durch. Alle anderen Teilchen bleiben konzentriert an der Einströmseite zurück. Damit diese Konzentratseite funktionsfähig bleibt, wird sie während des Betriebs mit Wasser gespült. Um einen Liter reines Wasser zu erzeugen, sind deshalb mehrere Liter Ausgangswasser nötig.
Mit Umkehrosmose lässt sich Reinstwasser kostengünstiger erzeugen als durch Destillation. Durch das Vorschalten weiterer Filter wie Aktivkohle und Ionenaustauscher lässt sich der Prozess optimieren und die Lebensdauer der Membran erhöhen. Dennoch muss diese Filtermembran in regelmäßigen Intervallen, auch aus hygienischen Gründen, ausgetauscht werden.
Umkehrosmose kann in industriellen Großanlagen genauso betrieben werden wie an der Trinkwasserleitung im Privathaushalt. Bei letzteren stehen unter anderem Auftisch- und Untertischanlagen zur Auswahl.

Kombinierte Systeme zur Wasseraufbereitung

Ionenaustauscher, Aktivkohlefilter, Umkehrosmose und andere Verfahren der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung werden häufig miteinander kombiniert. Dies gilt für große, industrielle Anlagen der Wasserwirtschaft genauso wie für kleine Labore oder den Privathaushalt. In vielen Fällen empfiehlt es sich statt mehrere einzelner Wasserfilter kombinierte Systeme einzusetzen.

Im Wasser sind meist ganz unterschiedliche organische und anorganische Substanzen enthalten. Einige davon sind erwünscht, andere sollen entfernt werden. Kein Filter kann alle unerwünschten Stoffe herausfiltern, auch andere Reinigungsverfahren sind nicht bei allen Verunreinigungen im Wasser wirksam. Demzufolge sind mehrere Technologien und Produkte nötig, um Wasser in der erforderlichen Qualität zu erhalten. In diesen Fällen bietet sich der Einsatz kombinierter Systeme zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung an.

Häufige Kombinationen
Häufig werden Aktivkohle und Ionenaustauscher in einem Filtersystem kombiniert. Dann wird beispielsweise das Wasser zuerst in der Kalkkartusche durch Ionenaustauscher entkalkt. Genau wie bei dem einzelnen Ionenaustauscher muss das Austauscherharz nach einer gewissen Zeit regenerieren und langfristig auch mal ersetzt werden. Anschließend fließt das entkalkte Wasser durch die Kartusche mit dem Aktivkohlefilter. Dabei adsorbiert die Aktivkohle gelöste organische Stoffe aus dem entionisierten Wasser.

Bei anderen Systemen werden Aktivkohlefilter und die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht kombiniert. Bei einer bestimmten Wellenlänge macht UV-Licht Mikroorganismen wie Viren und Bakterien unschädlich, das Resultat ist keimfreies Wasser. Aktivkohlefilter in beiden Systemen müssen in regelmäßigen Intervallen ausgetauscht werden. Weitere kombinierte Systeme zur Wasseraufbereitung setzen sich aus mehreren Stufen von Umkehrosmoseanlagen zusammen.

Mobile Systeme – Reisefilter zur Wasseraufbereitung
Für mobile Systeme der Wasseraufbereitung gibt es mehrere Einsatzbereiche. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo kein sauberes Trinkwasser aus anderen Quellen verfügbar ist oder die Trinkwasserqualität individuellen Bedürfnissen angepasst werden soll. Das Angebot reicht vom Kannenfilter über den handlichen Reisefilter bis hin zu mobilen Wasseraufbereitungsanlagen für Katastrophengebiete.
Kannenfilter
Obwohl die örtlichen Wasserwerke sauberes, keimfreies Wasser entsprechend der Trinkwasserverordnung liefern, möchten manche Verbraucher das Leitungswasser zusätzlich filtern. Die Gründe dafür sind unterschiedlich. Bei größerem Bedarf an solchem gefilterten Wasser werden häufig Filtersysteme direkt an die Wasserleitung angeschlossen. Für kleiner Mengen, etwa Tee- oder Kaffeewasser reicht oft ein mobiler Kannenfilter aus.

Reisefilter
Mit einem Reisefilter lässt sich auch unterwegs Trinkwasser in gewünschter Qualität herstellen. Diese mobilen Filtersysteme empfehlen sich besonders bei Reisen in exotische Länder. Dort ist die Beschaffenheit des Leitungswassers auch in Hotels nicht immer gesundheitsverträglich. Ein geeigneter Reisefilter kann bestimmte Verunreinigungen beseitigen und der Reisende hat zumindest zum Zähneputzen und für die Nahrungsmittelzubereitung sauberes Wasser.
Außerdem empfehlen sich Reisefilter für Rucksack- und Trekkingtouren, die durch wenig erschlossene Regionen führen. Oft muss unterwegs das Trinkwasser aus Flüssen und Bächen gewonnen werden. In Gärten, auf naturbelassenen oder entlegenen Zeltplätzen, wo Brunnenwasser genutzt wird, können mobile Systeme zur Wasseraufbereitung ebenfalls nützlich sein.

Größere Systeme – mobile Wasserwerke
Wichtig sind mobile Wasseraufbereitungssysteme auch für die humanitäre Hilfe in Katastrophengebieten. Wenn zum Beispiel durch Erdbeben die Infrastruktur zerstört ist, kann auch die Wasserzufuhr oft nicht mehr gewährleistet werden. Manchmal sind Trinkwasserbrunnen durch Unwetter, Hochwasser oder andere Ursachen verunreinigt. In all diesen Fällen schaffen mobile kleine Wasserwerke sauberes Wasser und können wenigstens die Minimalversorgung mit Trinkwasser erreichen.
Zu den angebotenen mobilen Systemen und Reisefiltern zählen Keramikfilter, Aktivkohle, Umkehrosmoseanlagen und UV-Licht Entkeimer.

Biologische Reinigung von Abwasser
Die biologische Abwasserreinigung erfolgt durch Mikroorganismen. Bei diesen Verfahren wird zwischen anaerober und aerober Behandlung unterschieden. In beiden Fällen werden im Abwasser gelöste, organische Substanzen zersetzt und in Biomasse umgewandelt, die durch weitere Filtrierung aus dem Wasser entfernt wird.
Bei der anaeroben Abwasserbehandlung laufen die Abbauprozesse unter sauerstofffreien Bedingungen ab, während bei der aeroben Methode dem Wasser Luft oder reiner Sauerstoff zugesetzt wird. Im Grunde entsprechen diese Prozesse der Selbstreinigung natürlicher Gewässer. Die gezielte biologische Abwasserreinigung ist allerdings technisch optimiert und verläuft wesentlich schneller als in der Natur.

Mikroorganismen zersetzen organische Verbindungen im Wasser
Für die biologische Abwasserbehandlung werden Milliarden Mikroorganismen eingesetzt. Diese Kleinstlebewesen verstoffwechseln organische Verbindungen von Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoff. Dabei entstehen Biomasse genannte, feste, absetzbare Stoffe, die beispielsweise durch Sedimentation vom Wasser abgetrennt werden.
Während bestimmte Bakterienarten wie Kolibakterien im Wasser unerwünscht sind, werden andere Bakterien zur biologischen Wasserbehandlung eingesetzt. Die Auswahl der „Reinigungsbakterien“ hängt von der Belastung des Abwassers ab. Beispielsweise zersetzen die Bakterienarten Nitrosomanas und Nitrobakter Stickstoffverbindungen zu unschädlichem molekularen Stickstoff.

Verfahren der biologischen Abwasserbehandlung
Mikroorganismen für die biologische Abwasserreinigung wachsen entweder in belebtem Schlamm oder in Biofilmen heran. Dementsprechend wurden in der Wasserwirtschaft Biofilm- und Belebtschlammsysteme entwickelt. In größeren und kleineren Kläranlagen wird das Wasser häufig in Belebungsanlagen gereinigt. Garten- oder Schwimmteiche und andere Naturbecken werden oft durch Biofilme sauber gehalten. Zu den ältesten Verfahren der biologischen Wasserbehandlung zählen Tropfkörper genannte Reaktoren.
Damit die Mikroorganismen dauerhaft ihre Arbeit verrichten können, müssen sie sich auf festen Oberflächen ansiedeln. Deshalb befindet sich in den Anlagen zur Wasserreinigung Trägermaterial in Form von porösem Gestein, Kunststoff oder anderen Materialien. In deren Oberflächenvertiefungen können sich die Kleinstlebewesen dauerhaft festsetzen und verstoffwechseln.

Physikalisch-chemische Wassereinigung
Verfahren der physikalisch-chemischen Reinigung von Wasser werden in der Wasseraufbereitung und in der Abwasserbehandlung eingesetzt. Bei diesen Verfahren finden sowohl chemische als auch physikalische Eingriffe statt. Diese haben das Ziel unerwünschte Substanzen aus dem Rohwasser zu entfernen. Im Grunde werden Prozesse aus Chemie und Physik miteinander kombiniert.
Einerseits werden physikalische Kräfte und Gesetzmäßigkeiten ausgenutzt, um gelöste Teilchen vom Wasser abzutrennen. Andererseits werden chemische Substanzen eingesetzt, um die Bedingungen im Wasser zu verändern, damit physikalische Prozesse besser ablaufen können.

Physikalische und chemische Prozesse
Zu den physikalischen Komponenten gehören Adhäsion, Schwerkraft und Zentrifugalkraft, bei deren Wirkung Dichteunterschiede eine Rolle spielen. Entsprechende Verfahren filtern mithilfe dieser Kräfte aufkonzentrierte Stoffe aus dem Rohwasser. Dabei kommen Siebe, Filter oder auch feinporige Membran zum Einsatz. Charakteristisch sind die entsprechenden Behälter oder räumliche Begrenzungen und deren regelmäßige Spülung.
Durch chemische Reaktionen lassen sich die Bedingungen im Wasser gezielt verändern und die Trennverfahren optimieren. Zu diesem Zweck werden dem Ausgangswasser Substanzen zugefügt, die das Abscheiden der gelösten Stoffe erleichtern, oder Schadstoffe in harmlose Stoffe umwandeln. Beispiele für die veränderten Bedingungen sind PH-Wert Verschiebung und Temperaturveränderung.
Phosphat wird in Kläranlagen beispielsweise durch ein kombiniertes Verfahren ausgeschieden. Infolge chemischer Reaktionen mit Aluminium- und Eisensalzen wird es zunächst eliminiert und flockt aus. Zusätzlich wird ein Fällungsmittel, eventuell noch ein Flockungshilfsmittel zugegeben. Die ausgeflockten Partikel werden dann mit physikalischen Methoden wie Filtrieren abgetrennt.

Mechanische Reinigung von Wasser und Abwasser
Häufig ist die mechanische Reinigung die erste Stufe der Abwasserbehandlung beziehungsweise der Aufbereitung von Wasser. Dabei kommen Rechen, Siebe und Filter zum Einsatz, die grobe Verunreinigungen aus dem Abwasser oder Rohwasser abscheiden.

Mechanische Vorreinigung bei der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung
In größeren Kläranlagen ist die mechanische Vorreinigung des Abwassers nahezu unerlässlich. Sie wird meist mit klassischen Rechenstäben, Trommelsieben oder einer Kombination aus Rechen und Sandfiltern durchgeführt. Dabei werden vor allem größere Feststoffe und Schwebstoffe aus dem Wasser abgetrennt. Auf diese Weise können oft bis zu 30 Prozent aller Verunreinigungen aus Abwässern entfernt werden.
Die Trinkwasseraufbereitung beginnt ebenfalls oft mit einer mechanischen Reinigung. Vor allem, wenn das Rohwasser aus Oberflächengewässern gewonnen wird, sind unweigerlich Schwebstoffe und organische Partikel enthalten. Diese Feststoffe werden mit Rechen und anderen mechanischen Anlagen herausgefiltert.

Weitere Anwendungsbeispiele der mechanischen Wasserreinigung
Der mechanischen Reinigung von Aquariumwasser dienen beispielsweise Gerätschaften wie die Fällungskammer, Keramikröhrchen und Perlonwatte. In den Wasserstrom gehangen, filtern diese Utensilien Schwebeteilchen aus dem Wasser heraus. Verschiedenporige Schwämme wirken ebenfalls als mechanische Filter. Zusätzlich können sich in den Poren Mikroorganismen ansiedeln, dann wird der Reinigungsprozess durch biologisches Filtern ergänzt.

Bei Regenwasserzisternen empfiehlt sich ebenfalls eine mechanische Reinigung. Wenn Regenwasser zum Beispiel auf dem Dach gesammelt und durch ein Fallrohr in einen Sammelbehälter geleitet wird, nimmt es grobe Schmutzpartikel mit. In diesem Fall kann ein Sieb oder Grobfilter in die Regenrinne integriert werden, um das Niederschlagswasser mechanisch zu reinigen, bevor es in den Behälter eintritt. 

Im Grunde werden bei der mechanischen Reinigung physikalische Kräfte wie die Schwerkraft ausgenutzt. Deshalb kann dieser Prozess den physikalischen Wasserreinigungsverfahren zugerechnet werden.