Bipolare Membranelektrodialyse (EDBM)

Einführung

Der grundlegende Aspekt der Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (EDBM) ist die Kombination von Elektrodialyse zur Salztrennung mit Elektrodialysewasserspaltung zur Umwandlung eines Salzes in seine entsprechende Säure und Base. Die bipolaren Membranen verbessern die Aufspaltung von Wasser in Protonen und Hydroxidionen.

Fig.1, Black-Box-Beschreibung des EDBM-Prozesses

Bipolare Membranen sind ein spezieller Typ einer Schichtionenaustauschmembran (IX), bei der die beiden Polymerschichten nur für die Anionen und die andere nur für Kationen durchlässig sind. Im Gegensatz zu Membranprozessen wird EBM nicht zu Trennungszwecken angewendet, sondern um eine Reaktion im bipolaren Übergang der Membran zu erhalten, wo die anionen- und kationenpermeablen Schichten in direktem Kontakt stehen.

Die Hauptanforderungen an eine bipolare Membran sind:

   

1. Hervorragende Langzeitstabilität
2. Ein geringer passiver Potentialabfall
3. Eine hohe Wasserspaltungsrate
4. Hohe Permselektivität
5. sowie gute mechanische Stabilität
   
   

Wasser spaltet sich in Hydroxidionen und Protonen auf. Das erzeugte Hydroxidion und Proton werden durch Migration in der jeweiligen Membranschicht aus der Membran getrennt.

2H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^-

Im Gegensatz zu einer Wasserspaltung an Elektroden während der Elektrolyse werden bei dieser Reaktion weder Gase als Nebenprodukt gebildet, noch werden Gase verwendet. Die Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (EDBM) kann die Elektrolyse durch Wasserspaltung an den Elektroden ersetzen und auch eine größere Vielfalt von Anwendungen haben.

Fig.1, Schematischer Prozess der Salzionenspaltung durch Aufbringen von bipolaren Membranen auf die entsprechenden Säuren und Basen.

Die für die elektrodialytische Herstellung einmolarer Lösungen erforderliche Potentialdifferenz beträgt 0,83 V, was einem Energieverbrauch von 22 Wh entspricht. Im Gegensatz dazu entspricht die elektrolytische Erzeugung eines theoretischen Potentialabfalls einem Energieverbrauch von 55 Wh. Weitere Vorteile der bipolaren Membrantechnologie sind die vergleichsweise einfache Gerätekonfiguration, die Möglichkeit eines stapelartigen Aufbaus sowie die geringen Investitionskosten.

Insbesondere das Potenzial, Wasser ohne reaktive Gase zu spalten, machte es bereits vor fünfzehn bis zwanzig Jahren zu einer vielversprechenden Technologie.

2. Eigenschaften von EDBM
3. Spaltet Wasser in Säure (H^＋) und alkali (OH^－) mit relativ niedriger Spannung.
4. Aufgrund des Fehlens einer Elektrodenreaktion findet keine Oxidations-Reduktions-Reaktion statt. Daher entsteht kein Nebenprodukt.
5. Produziert Säure und Alkali aus anorganischem Salz und organischem Säuresalz in einem einzigen Prozess.
6. Steuert die Konzentrationsrate von Säure und Alkali.
7. Anders als bei der elektrolytischen Verarbeitung werden für jede einzelne Zelle keine Elektroden benötigt, und daher werden weniger Gase erzeugt.
8. Produziert weniger Abfalllösung.
9. Kann über einen längeren Zeitraum einem kontinuierlichen Betrieb standhalten, da kein Regenerationsprozess wie der Ionenaustauscherharzprozess erforderlich ist.

 

3. Anwendungsbeispiele für EDBM
4. ・Herstellung von organischer Säure aus organischem Säuresalz
5. ・Herstellung von Aminosäuren aus Aminosäuresalz
6. ・Herstellung von Säure und Alkali aus Abfalllösung mit Salz
7. ・Herstellung von Säure und Alkali aus anorganischem Salz

Fig. 2, Beispiele für die Produktion mit EDMB