Umkehr- Elektrodialyse (EDR)

Elektroden erzeugen ein elektrisches Feld, das negative und positive Ionen durch semipermeable Anionen- und Kationenmembranen drückt, mit gebundenen positiv bzw. negativ geladenen Spezies. Die Elektrodialyse wird in mehreren Stufen verwendet, um die Sole auf Sättigungsniveau zu konzentrieren.

Einführung
Prozessfunktion
Vorteile und Nachteile
Anwendungen in der Prozessindustrie

1) Einführung

Die Elektrodialyse ist ein Membranprozess, bei dem alternierende anionenselektiven Membranen (AM) und kathionenselektiven Membranen (KM) zwischen einer Anode (+) und einer Kathode (-) verwendet werden. Aufgrund des angelegten elektrischen Feldes bewegen sich Anionen zur Anode und Kationen zur Kathode. Anionen werden von den KM‘s und die Kationen von den AM‘s gestoppt, wodurch ein Prozessfluss mit niedriger Ionenkonzentration und ein Prozessfluss mit hoher Ionenkonzentration (Konzentrat) erzeugt wird.

Ein Zellenpaar besteht aus einer kathionenselektiven Membrane, einer anionenselektiven Membrane und der Bereich zwischen beiden. Ein Zellenpaar ist die Grundeinheit eines Stapels und wird "(n)" Mal wiederholt. Die Anzahl der Zellpaare in einem tatsächlichen Stapel variiert je nach Elektrodialysesystem mit bis zu 600 Zellpaaren in einem typischen System im industriellen Maßstab.

Bei der Elektrodialyse lagern sich suspendierte Feststoffe auf der Membranoberfläche ab, die positive oder negative elektrische Ladungen tragen. Diese können den Widerstand der Membran dramatisch erhöhen. Bei der Elektrodialyse wurde das Problem jedoch weitgehend beseitigt, indem in bestimmten Zeitintervallen die Polarität des angelegten elektrischen Feldes umgekehrt wurde, was zur Entfernung geladener Teilchen führt, die auf den Membranen ausgefällt wurden. Diese Technik wird als Elektrodialyseumkehr (EDR) bezeichnet.

2) Prozessfunktion

Fig.1, Schematische Beschreibung des Umkehrprozesses der Elektrodialyse

In jedem Elektrodialysestapel befinden sich an der Außenseite zwei Elektroden, die in eine wässrige Salzlösung getaucht sind, die elektrischen Strom leiten kann und die es ermöglicht, ein elektrisches Feld um den Stapel zu legen. Die Salzlösung wird gepumpt, um das Ionengleichgewicht aufrechtzuerhalten. Da sich auch zwischen den Ionenaustauschermembranen eine Salzlösung (Speisestrom) befindet, führt das elektrische Feld zum Ionentransport. In den als "Verdünner" gekennzeichneten Zwischenräumen zwischen den Elektroden diffundieren die Kationen durch das KM zur negativen Elektrode (Kathode), während die Anionen durch das AM zur positiven Elektrode (Anode) diffundieren.

Die Ionen, die die Verdünnungszufuhr verlassen, bewegen sich in die benachbarte Konzentratzufuhrkammer, was zu einer Verringerung der Ionenkonzentration in den Verdünnungskammern des Elektrodialyseprozesses führt. In den Konzentratkammern versuchen die Kationen, sich zur negativen Elektrode zu bewegen, aber sie werden von der AM blockiert, und die Anionen versuchen, sich zur positiven Elektrode zu bewegen, werden jedoch von der KM blockiert. Dies führt zu einer Erhöhung ihrer jeweiligen Konzentrationen in den Konzentratkammern.

Bei der Elektrodialyse wird die Spannung an den Elektroden alle 30 bis 60 Minuten umgekehrt, wodurch auch die Richtung des Ionentransports umgekehrt wird und elektrisch geladene Substanzen von der Membranoberfläche entfernt werden. Dadurch werden schwerwiegende, möglicherweise irreparable Schäden verhindert. Es wird allgemein empfohlen, folgende Substanzen im Voraus zu entfernen:

Dispergierte Partikel,
Kolloid
Huminsäuren
Öle und Fette

Die durchschniuttliche Lebensdauer von Elektrodialysemembranen liegt zwischen 5 und 7 Jahren.

3) Vor- und Nachteile

Vorteile:

Die Elektrodialyse hat einige vorteilhafte Eigenschaften, durch die es besonders erfolgreich wird. Die Elektrodialyse kann aufgrund seiner Polaritätsumkehr eine sehr hohe Wasserrückgewinnung durchzuführen. Dies ermöglicht, Speisewasser mit konzentrierten Salzablagerungsfaktoren ohne Chemikalien weit über die Sättigung hinaus zu behandeln. Mit der Zugabe eines Antiskalants erhöht die Elektrodialyse seine Salzverträglichkeit noch weiter. Im Gegensatz zur RO, einem druckgetriebenen Prozess, fließt bei der Elektrtodialyse Speisewasser über die Oberfläche von Ionenaustauschmembranen, während ein elektrisches Feld Ionen über diese entfernt. Elektrodialyse hat keine kompakte Verschmutzungsschicht wie RO, wodurch die Rückgewinnungseffizienz nicht so Eingeschränkt ist.

Nachteile:

Ein Hauptnachteil besteht darin, dass über eine bestimmte Stromdichte (Stromdichtegrenze) hinaus die Diffusion von Ionen durch die Elektrodialysemembranen nicht mehr linear zur angelegten Spannung ist. Ab diesem Punkt führt es zu einer Wasserdissoziation (Wasserspaltung in H + - und OH- -Ionen) wodurch die Effizienz des Systems verringert wird. Die Elektrodialyse muss also immer unterhalb der Stromdichtegrenze arbeiten. Es stehen experimentelle Messverfahren zur Verfügung, um den CDL für ein bestimmtes Speisewasser zu bestimmen.

Ein weiterer Nachteil von der Elektrodialyse besteht darin, dass Mikroorganismen und organische Verunreinigungen nicht entfernt werden. Daher ist immer eine Nachbehandlung erforderlich, wenn qualitativ hochwertiges Wasser erforderlich ist.

4) Anwendungen in der Prozessindustrie