Diffusionsdialyse
Die Diffusionsdialyse (DD) ist ein durch Konzentrationsgradienten angetriebenes Trennverfahren mit Ionenaustauschmembran (IEM). Da die treibende Kraft für den Trennungsprozess hauptsächlich der Konzentrationsgradient ist, ist die Diffusionsdialyse als spontaner Trennungsprozess bekannt.
DD ist ein Membrantrennverfahren. Es wird seit vielen Jahren erfolgreich zur Abtrennung und Rückgewinnung von Säuren aus gelösten metallhaltigen Lösungen eingesetzt. Diffusion ist die spontane Bewegung eines Materials von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Angetrieben durch den Konzentrationsunterschied setzt sich die Materialbewegung von selbst fort, bis der Konzentrationsunterschied nicht mehr besteht. Dialyse ist die Trennung von Molekülen aufgrund der Unterschiede in der Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle durch eine halbdurchlässige Barriere.
DD ist ein Membrantrennverfahren. Es wird seit vielen Jahren erfolgreich zur Abtrennung und Rückgewinnung von Säuren aus gelösten metallhaltigen Lösungen eingesetzt. Diffusion ist die spontane Bewegung eines Materials von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Angetrieben durch den Konzentrationsunterschied setzt sich die Materialbewegung von selbst fort, bis der Konzentrationsunterschied nicht mehr besteht. Dialyse ist die Trennung von Molekülen aufgrund der Unterschiede in der Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle durch eine halbdurchlässige Barriere.
Im Vergleich zu einigen konventionellen Verfahren weist DD deutliche Vorteile auf,
| a. | Höhere Effizienz bei der Abwasserreinigung; Verbesserung der Produktivität und Qualität der Produkte. |
| b. | Geringer Energieverbrauch (DD läuft unter normalem Druck und hat während des Vorgangs keine Zustandsänderung, sodass für den Betrieb von DD keine Energie benötigt wird). |
| c. | Geringe Installations- und Betriebskosten; stabil, zuverlässig und einfach zu bedienen. |
| d. | Keine Umweltbelastung. |
Bis heute wurde DD erfolgreich beantragt
| 1. | Rückgewinnung von Säuren und Laugen aus den Abwässern der Stahlproduktion |
| 2. | Metallveredelung |
| 3. | Galvanik |
| 4. | Regeneration des Kationenaustauscherharzes |
| 5. | Nichteisenmetallschmelze, Aluminiumätzung |
| 6. | Schmelzen von Wolframerz |
Nichtsdestotrotz hat DD auch seine Grenzen, wie z. B. eine relativ geringe Verarbeitungsfähigkeit und Effizienz, weshalb es als weniger effizient als einige andere Membrantrennverfahren, wie z. B. die Elektrodialyse (ED), angesehen wird.
Die geringen Umweltauswirkungen und der geringe Energieverbrauch können DD jedoch wettbewerbsfähiger machen, da Umweltverschmutzung und Energieknappheit die Hauptentscheidungsfaktoren für Projekte sind. Darüber hinaus können mit der Verbesserung von Ionenaustauschmembranen und Diffusionsdialysatoren die Verarbeitungsfähigkeit und Trenneffizienz von DD wesentlich verbessert werden.
Die Membranen für DD können entweder Anionenaustauschermembranen (AEMs) oder Kationenaustauschermembranen (CEMs) sein. Ersteres ist für die Trennung von Säuren mit den entsprechenden Salzen und letzteres für die ähnliche Trennung von Basengemischen.
Aufgrund der höheren Anforderungen an die Säurerückgewinnung wurde AEMs im Vergleich zu CEMs mehr Aufmerksamkeit geschenkt, und daher wurde eine zunehmende Anzahl von AEMs für DD-Anwendungen entwickelt.
Schwefelsäure (H2 SO4), Salzsäure (HCl) oder eine Kombination aus Fluss- und Salpetersäure (HF + HNO3) wird häufig als Beizmittel in der Industrie für eine Vielzahl von Ätz- und Ablöseprozessen von Metallen verwendet, z. B. bei der Stahlherstellung und Metallveredelung , Schmelzen von Nichteisenmetallen. Während der Beizschritte werden große Mengen verbrauchter Lauge erzeugt.
Bisher wurden verschiedene Verfahren zur Behandlung der sauren Ausscheidungen angewendet, darunter Kühlung und Kristallisation, thermische Zersetzung, Verdampfung und Kristallisation, Ionenaustausch, Lösungsmittelextraktion, Destillation und Elektromembran-Trennverfahren sowie direkte Entsorgung und Neutralisation mit Alkalien. Nichtsdestotrotz behindern einige inhärente Mängel immer noch ihre weiteren Entwicklungen und Anwendungen, wie z. B. hohe Investitionen für die Ausrüstung, großer Verbrauch an Energie und Alkalien und Umweltverschmutzung.
Bei der Rückgewinnung von Säuren mit DD fungiert eine Anionenaustauschermembran als halbdurchlässige Barriere, die zwischen einem fließenden Wasserstrom und einer fließenden Säure mit gelöster Metalllösung angeordnet ist. Die Anionenaustauschermembran hat eine feste positive Ladung, die sich auf ihrer Oberfläche befindet. Diese positiven Ladungsstellen ziehen die negativ geladenen Anionen in Lösung an, die in engen Kontakt mit der Oberfläche der Anionenaustauschermembran kommen.
Beispielsweise ist bei schwefelsauren Eloxalbädern das überwiegend vorherrschende Anion das Sulfation SO4. Da diese Sulfationen in der Schwefelsäure-Anodisierungslösung von der Membran angezogen werden, werden sie auch durch den Konzentrationsunterschied dazu getrieben, über die Membran zur Wasserseite zu diffundieren.
Gleichzeitig erfordert das thermodynamische Gesetz der Elektroneutralität (in Lösung muss die Gesamtladung Null sein) dass die Übertragung jedes Sulfations, das zwei negative Ladungen trägt, von der Übertragung zweier positiver Ladungen begleitet wird.
Positiv geladene Ionen, wie Al +3 oder andere Metallionen, werden aufgrund der Abstoßung zwischen gleichen Ladungen stark daran gehindert, die positiv geladene Membran zu passieren. Das Wasserstoffion, das in der Säurelösung als H3O +1 -Ionen oder protoniertes Wasser vorliegt, ist ebenfalls positiv geladen, kann aber die Membran mit sehr geringer Behinderung passieren. Dies liegt teilweise an der hohen Wasserstoffionenkonzentration in der Säurelösung und teilweise auch an der stark assoziierten Natur von Wasser, die es dem Wasserstoffion ermöglicht, seine Ladung effektiv zu delokalisieren.
Der Nettoeffekt besteht darin, dass die Diffusionsgeschwindigkeit einer Säure durch die Membran um eine Größenordnung größer ist als die des gelösten Metalls. Schließlich kann ein optimaler Vorteil der notwendigen Konzentrationsgradienten verwirklicht werden, indem bewirkt wird, dass die Strömung der Säurelösung in der entgegengesetzten Richtung zu der Strömung des Wassers verläuft (Gegenstromströmung). Die Ergebnisse sind, dass das in das Diffusionsdialysesystem eintretende Wasser als eine an Metall verarmte rückgewonnene Säurelösung austritt und dass die in das Diffusionsdialysesystem eintretende Säurelösung als eine an Säure verarmte gelöste metallhaltige Lösung austritt.
Nachdem die gewünschten Ergebnisse erzielt wurden, ist am Gerät wenig oder gar keine Wartung erforderlich. Die Dosierpumpen werden typischerweise 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche automatisch betrieben.
Die geringen Umweltauswirkungen und der geringe Energieverbrauch können DD jedoch wettbewerbsfähiger machen, da Umweltverschmutzung und Energieknappheit die Hauptentscheidungsfaktoren für Projekte sind. Darüber hinaus können mit der Verbesserung von Ionenaustauschmembranen und Diffusionsdialysatoren die Verarbeitungsfähigkeit und Trenneffizienz von DD wesentlich verbessert werden.
Die Membranen für DD können entweder Anionenaustauschermembranen (AEMs) oder Kationenaustauschermembranen (CEMs) sein. Ersteres ist für die Trennung von Säuren mit den entsprechenden Salzen und letzteres für die ähnliche Trennung von Basengemischen.
Aufgrund der höheren Anforderungen an die Säurerückgewinnung wurde AEMs im Vergleich zu CEMs mehr Aufmerksamkeit geschenkt, und daher wurde eine zunehmende Anzahl von AEMs für DD-Anwendungen entwickelt.
Schwefelsäure (H2 SO4), Salzsäure (HCl) oder eine Kombination aus Fluss- und Salpetersäure (HF + HNO3) wird häufig als Beizmittel in der Industrie für eine Vielzahl von Ätz- und Ablöseprozessen von Metallen verwendet, z. B. bei der Stahlherstellung und Metallveredelung , Schmelzen von Nichteisenmetallen. Während der Beizschritte werden große Mengen verbrauchter Lauge erzeugt.
Bisher wurden verschiedene Verfahren zur Behandlung der sauren Ausscheidungen angewendet, darunter Kühlung und Kristallisation, thermische Zersetzung, Verdampfung und Kristallisation, Ionenaustausch, Lösungsmittelextraktion, Destillation und Elektromembran-Trennverfahren sowie direkte Entsorgung und Neutralisation mit Alkalien. Nichtsdestotrotz behindern einige inhärente Mängel immer noch ihre weiteren Entwicklungen und Anwendungen, wie z. B. hohe Investitionen für die Ausrüstung, großer Verbrauch an Energie und Alkalien und Umweltverschmutzung.
Bei der Rückgewinnung von Säuren mit DD fungiert eine Anionenaustauschermembran als halbdurchlässige Barriere, die zwischen einem fließenden Wasserstrom und einer fließenden Säure mit gelöster Metalllösung angeordnet ist. Die Anionenaustauschermembran hat eine feste positive Ladung, die sich auf ihrer Oberfläche befindet. Diese positiven Ladungsstellen ziehen die negativ geladenen Anionen in Lösung an, die in engen Kontakt mit der Oberfläche der Anionenaustauschermembran kommen.
Beispielsweise ist bei schwefelsauren Eloxalbädern das überwiegend vorherrschende Anion das Sulfation SO4. Da diese Sulfationen in der Schwefelsäure-Anodisierungslösung von der Membran angezogen werden, werden sie auch durch den Konzentrationsunterschied dazu getrieben, über die Membran zur Wasserseite zu diffundieren.
Gleichzeitig erfordert das thermodynamische Gesetz der Elektroneutralität (in Lösung muss die Gesamtladung Null sein) dass die Übertragung jedes Sulfations, das zwei negative Ladungen trägt, von der Übertragung zweier positiver Ladungen begleitet wird.
Positiv geladene Ionen, wie Al +3 oder andere Metallionen, werden aufgrund der Abstoßung zwischen gleichen Ladungen stark daran gehindert, die positiv geladene Membran zu passieren. Das Wasserstoffion, das in der Säurelösung als H3O +1 -Ionen oder protoniertes Wasser vorliegt, ist ebenfalls positiv geladen, kann aber die Membran mit sehr geringer Behinderung passieren. Dies liegt teilweise an der hohen Wasserstoffionenkonzentration in der Säurelösung und teilweise auch an der stark assoziierten Natur von Wasser, die es dem Wasserstoffion ermöglicht, seine Ladung effektiv zu delokalisieren.
Der Nettoeffekt besteht darin, dass die Diffusionsgeschwindigkeit einer Säure durch die Membran um eine Größenordnung größer ist als die des gelösten Metalls. Schließlich kann ein optimaler Vorteil der notwendigen Konzentrationsgradienten verwirklicht werden, indem bewirkt wird, dass die Strömung der Säurelösung in der entgegengesetzten Richtung zu der Strömung des Wassers verläuft (Gegenstromströmung). Die Ergebnisse sind, dass das in das Diffusionsdialysesystem eintretende Wasser als eine an Metall verarmte rückgewonnene Säurelösung austritt und dass die in das Diffusionsdialysesystem eintretende Säurelösung als eine an Säure verarmte gelöste metallhaltige Lösung austritt.
Nachdem die gewünschten Ergebnisse erzielt wurden, ist am Gerät wenig oder gar keine Wartung erforderlich. Die Dosierpumpen werden typischerweise 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche automatisch betrieben.