ED / EDR - abwasserfreie Entsorgung ZLD
- Einleitung
- Prozessfunktion
- Vor- und Nachteile
- Anwendung in der Prozessindustrie
1) Einleitung
Die Elektrodialyse ist ein elektrochemischer Membranprozess, bei dem die Ionen in einer Lösung je nach Ladung von einer Anode (+) oder Kathode (-) angezogen werden. Dabei stoßen sie auf semipermeable Membranen, die alternierend entweder Anionen oder Kationen hindurchlassen (anionselektive Membranen (AM) oder kationenselektive Membranen (CM)). Die treibende Kraft ergibt sich durch den elektrischen Potentialunterschied der Anode (+) und Kathode (-) auf je einer Seite. Aufgrund des angelegten elektrischen Feldes bewegen sich Anionen zur Anode und Kationen zur Kathode. Anionen werden von den CMs und Kationen von den AMs gestoppt, wodurch ein Prozessfluss mit niedriger Ionenkonzentration (Diluat) und ein Prozessfluss mit hoher Ionenkonzentration (Konzentrat) erzeugt wird.
Ein Elektrodialysestapel besteht aus mehreren Zellenparen, wobei ein Zellenpaar aus einer kationselektiven und einer anionselektiven Membran und den beiden Kammern zwischen diesen Membranen besteht. Ein Zellenpaar ist die Basiseinheit eines Moduls und wird „(n)“ Mal wiederholt. Die Anzahl der Zellenpaare in einem Modul variiert mit bis zu 600 Zellpaaren in einem typischen Industriesystem.
Bei der Elektrodialyse werden suspendierte Feststoffe, die positive oder negative elektrische Ladungen tragen, auf der Membranoberfläche abgeschieden und erhöhen somit den Widerstand der Membran dramatisch. Dieses Problem konnte jedoch bei der Elektrodialyse weitgehend beseitigt werden, indem in bestimmten Zeitintervallen die Polarität des angelegten elektrischen Felds umgekehrt wird, was zur Entfernung geladener Teilchen führt, die auf den Membranen ausgefallen sind. Diese Technik wird als Umkehrelektrodialyse (EDR) bezeichnet.
2) Prozessfunktion
Abb.1, Schema eines Umkehrelektrodialyseprozesses
Mit Hilfe von zwei Elektroden an den Aussenseiten wird über dem EDR-Stapel ein elektrisches Feld erzeugt, dass die Ionen im Wasser zu der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode bewegt.
Dies ist jedoch nur möglich, soweit die selektiven Membranen dies zulassen. Die Kationen können durch die kationenselektive Membran (CM) zur negativen Elektrode (Kathode) diffundieren, während die Anionen durch die anionenselektive Membran (AM) zur positiven Elektrode (Anode) diffundieren.
Da dies nur jeweils in eine Richtung und durch eine Membran geht, sammeln sich alle Ionen in der Konzentratkammer, während die Kammern rechts und links davon entionisiert werden, die Diluatkammern. Dies geschieht dadurch, dass die Ionen aus der Diluatkammer sich frei zur benachbarten Konzentratkammer bewegen können (Die Anionen Richtung Anode und die Kationen Richtung Kathode), was zu einem Abfall der Ionenkonzentration in den Diluatkammern des EDR-Prozesses führt.
In den Konzentratkammern versuchen die Kationen, sich weiter zur negativen Elektrode zu bewegen, werden jedoch von der AM blockiert, und die Anionen versuchen, sich zur positiven Elektrode zu bewegen, werden jedoch von der CM blockiert. Dies führt zu einer Erhöhung ihrer jeweiligen Konzentrationen in den Konzentratkammern. Siehe Abb.1
Bei der EDR wird, im Vergleich zum EDI-prozess, die Spannung an den Elektroden alle 30 - 60 Minuten umgekehrt. Hierdurch wird auch die Richtung des Ionentransports umgekehrt. Dies hilft elektrisch geladenen Substanzen von der Membranoberfläche entfernen zu können, die ansonsten zu Verblockung oder möglicherweise irreparable Schäden führen. Dadurch ist der EDR-Prozess viel schonender für die Membranen und kann längerfristig gute Qualität liefern.
Es wird allgemein empfohlen die folgenden Substanzen mit Hilfe einer guten Vorbehandlung zu entfernen,
- dispergierte Teilchen
- Kolloide
- Huminsäuren
- Öle und Fette
Die durchschnittliche Lebensdauer von ED-Membranen liegt zwischen 5 und 7 Jahren.
3) Vor- und Nachteile
Vorteile:
EDR hat gegenüber des EDI-prozesses vorteilhafte Eigenschaften, die es als Erfolg auszeichnen. Zu allererst ist die EDR aufgrund ihrer Umpolung in der Lage sehr hohe Ausbeuten zu erzielen. Dies ermöglicht eine chemikalienfreie Behandlung von Speisewasser mit höheren Salzkonzentrationen, die weit über die Sättigung hinausgehen. Durch die Zugabe von Antiscalants kann diese Salztoleranz sogar noch weiter erhöht werden.
Im Gegensatz zur Umkehrosmose, bei der es sich um einen druckgetriebenen Prozess handelt, strömt bei der EDR das Speisewasser über die Oberfläche von Ionenaustauschmembranen, während ein elektrisches Feld die Ionen durch die Membran leitet. EDR hat keine kompakte Schmutzschicht wie die Umkehrosmose, welche deren Ausbeute erheblich einschränkt.
Nachteile:
Ein wesentlicher Nachteil ist, dass die Diffusion von Ionen durch die EDR-Membranen über eine bestimmte Stromdichte (Current Density Limit - CDL) hinaus nicht mehr linear zur angelegten Spannung verläuft, sondern zu einer Wasserdissoziation (Wasserspaltung in H + - und OH- -Ionen) führt und somit die Effizienz des Systems herabsetzt.
Der EDR-Prozess muss also immer unterhalb der Grenzstromdichte arbeiten. Zur Bestimmung des CDL für eine bestimmte Zulaufqualität stehen experimentelle Messverfahren zur Verfügung.
Ein weiterer Nachteil der EDR ist, dass es keine Mikroorganismen und organischen Verunreinigungen entfernt. Daher ist eine Nachbehandlung immer dann erforderlich, wenn qualitativ hochwertiges Wasser benötigt wird.
4) Anwendung in der Prozessindustrie
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Electrdialysis / ED Reversal