Elektrodialyse (ED) und umgekehrte Elektrodialyse (RED)

Condorchem Envitech verfügt über Experten für Elektrodialyse und umgekehrte Elektrodialyse im Team sowie über umfangreiche Erfahrung im Einsatz der verschiedenen Varianten dieser Technik. In den Designs werden hocheffiziente Module verwendet, die einen variablen Durchfluss zwischen 1,7 und 30 m³/h pro Modul behandeln können. Diese können parallel betrieben werden, sodass behandelte Durchflüsse Hunderte von Kubikmetern pro Stunde erreichen können.

Die Anwendungen der Elektrodialyseprozesse (ED, RED, SED, EDBM und EDM) nehmen ständig zu.

Zu den am häufigsten verwendeten Anwendungen gehören die Gewinnung von ultrapurem Wasser, die Konzentration von Salzströmen und die Entsalzung von Brackwasser. Der Energieverbrauch bei all diesen Anwendungen ist deutlich geringer als bei anderen Membranverfahren, wie der Umkehrosmose.

Darüber hinaus arbeiten sie bei niedrigem Druck, erfordern keine aufwändige Vorbehandlung des Zulaufwassers und es gibt keine Probleme mit Fouling oder Skalierung der Membran. Schließlich kann im Gegensatz zur Umkehrosmose mit EDR eine Null-Ablassmenge erreicht werden, was in zahlreichen Industriezweigen ein sehr geschätztes Ziel ist.

Zusammenfassend ist die Elektrodialyse eine alternative Technik zur Umkehrosmose und in der Regel die finanziell wettbewerbsfähigere Lösung.

Elektrodialyse (ED) ist ein Verfahren, bei dem Ionen mittels elektrischer Energie als treibende Kraft durch eine Ionenaustauschmembran transportiert werden.

Die Membranen enthalten eine hohe Dichte an ionischen Gruppen, die den selektiven Transport von Ionen durch die Membran je nach deren Ladung ermöglichen. Gegenionen (entgegengesetzt geladene Ionen) dürfen passieren, während Koionen (Ionen mit gleicher Ladung) durch den Donnan-Effekt zurückgehalten werden. Dieser Prozess findet zwischen zwei Elektroden unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes statt.

Die angelegte elektrische Energie bewegt die Ionen von der weniger konzentrierten Lösung zur stärker konzentrierten Lösung. Dadurch erfolgt die Reinigung des Lösungsmittels durch Entfernung des gelösten Stoffes. Dies unterscheidet sich von dem, was bei Umkehrosmose oder Ultrafiltration geschieht, wo der Transport des Lösungsmittels durch die Membran gleichzeitig mit der Verhinderung des Durchgangs des gelösten Stoffes erfolgt.

Inverse oder umgekehrte Elektrodialyse (RED) funktioniert nach dem gleichen Mechanismus wie die Elektrodialyse, außer dass bei RED die Polarität der Elektroden periodisch umgekehrt wird (etwa 3 bis 4 Mal pro Stunde); und die Ausgänge der konzentrierten und verdünnten Lösungen automatisch mittels Ventilen ausgetauscht werden. Dies bewegt die Ionen in entgegengesetzte Richtungen und erschwert die Bildung von Ablagerungen, während die Membran gespült wird.

Die Vorteile der Elektrodialyse im Vergleich zur Umkehrosmose sind geringere Ablehnungsraten, geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwebstoffen, längere Membranlebensdauer, kein Bedarf an vollständiger Vorbehandlung, einfachere Bedienung und niedriger Stromverbrauch.

Elektrodialyse wird häufig zur Entsalzung von Brackwasser und zur Herstellung von Trinkwasser eingesetzt. Da dies ihre Hauptanwendung ist, wird sie auch in kleinerem Maßstab in den folgenden Branchen verwendet: Lebensmittelindustrie (z. B. bei der Entsalzung von Molke, Entfernung von Gerbsäure aus Wein und Rückgewinnung von Zitronensäure aus Fruchtsaft); Pharmaindustrie (Herstellung von ultrapurem Wasser); Biotechnologie (Proteinproduktion); Oberflächenbehandlung, Textilien, Mineralrückgewinnung, Energieerzeugung, Elektronik und Abwasserbehandlung (z. B. Entfernung von Schwermetallen oder Salzen zur Wiederverwendung von Wasser und Konzentration von Umkehrosmose-Rückständen).

Innerhalb dieser Technologie wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die durch Anpassung des Membrantyps und der Anordnung ambitionierte Ergebnisse mit spezifischeren Anwendungen erzielen. Folgende Entwicklungen sind dabei besonders hervorzuheben:

• Selektive Elektrodialyse oder Selectrodialyse (SED)

SED wendet die Prinzipien der konventionellen ED an, verwendet jedoch monovalente kationische permselektive Membranen (MCPSM) und monovalente anionische permselektive Membranen (MAPSM), die Membranen sind, die selektiv auf die Ladung von Ionen reagieren; sie ermöglichen die Trennung monovalenter Ionen von ihren mehrwertigen Gegenstücken.

Eine Einschränkung dieser Technik ist jedoch die Notwendigkeit, die in der Lösung vorhandenen Ionen zu behandeln: Es dürfen keine zweiwertigen Kationen in der Lebensmittelprobe vorhanden sein, wenn SED zur Trennung von Anionen nach ihrer Ladung verwendet wird; und umgekehrt darf die Lebensmittelprobe keine zweiwertigen Anionen enthalten, wenn SED zur Trennung monovalenter Kationen von mehrwertigen verwendet wird.

Diese Technik trennt die Ionen entsprechend ihrer Ladung und ist nützlich in Anwendungen, bei denen die Fraktionierung der Ionen von besonderem Interesse ist; dies ist der Fall bei der Vorbehandlung von phosphathaltigen Strömen zur anschließenden Rückgewinnung oder der Entfernung von Salzen aus Lösungen mit hoher Salzkonzentration.

• Bipolare Elektrodialyse (EDBM)

Ionenaustauschermembranen werden im EDBM-Verfahren verwendet, um Säuren und Basen in einem Salzstrom zu trennen und zu konzentrieren. Das unterscheidende Element dieses Verfahrens ist die bipolare Membran, die aus zwei verschiedenen Schichten besteht, die selektiv für entgegengesetzt geladene Ionen sind.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass Säure- und Basenlösungen direkt aus den Ionen eines Ausgangssalzes sowie den H⁺- und OH^–-Ionen des Wassers in den verschiedenen Elektrolytzellkammern gebildet werden können.

Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes diffundiert Wasser an der Membranoberfläche, wo es in seine Bestandteile H⁺ und OH^– dissoziiert, die dann durch die anionischen und kationischen Membranschichten in die verschiedenen Kammern transportiert werden. Das Ergebnis ist die Konzentration dieser Spezies in den jeweiligen Kammern.

Salze, die in industriellen Abwässern vorhanden sind, wie Natriumacetat, Chlorid, Sulfat, Nitrat und Kaliumfluorid, können durch EDBM in ihre jeweiligen Säuren und Basen umgewandelt werden.

Die wichtigsten Anwendungen dieses Verfahrens sind:

• Regeneration von Laugen, die bei der Herstellung von Edelstahl verwendet werden (Rückgewinnung von HF, HN0₃, KOH).
• Entschwefelung von Rauchgasen, Herstellung von Natriumsulfit
• Rückgewinnung organischer Aminosäuren und Säuren
• Rückgewinnung von Ionenaustauscher-Regeneraten
• Reinigung von Säuren und Basen

• Elektrodialyse-Metathese (EDM)

Das Konzept der Elektrodialyse-Metathese (EDM) wurde entwickelt, um Brackwasser zu entsalzen, ohne einen Reststrom zu erzeugen; das heißt mit Null-Flüssig-Emission (ZLD).

Zur Erreichung dieses Ziels werden in der Regel kationische Ionenaustauschermembranen (CEM) und anionische Ionenaustauschermembranen (AEM) verwendet; in bestimmten Anwendungen kommen auch monovalente kationische permselektive Membranen (MCPSM) und monovalente anionische permselektive Membranen (MAPSM) zum Einsatz.

Durch die geeignete Anordnung dieser Membranen ist es möglich, monovalente und zweiwertige Anionen und Kationen gleichzeitig zu trennen und zu konzentrieren. So entstehen ein Strom, der monovalente Kationen mit Anionen enthält, und ein anderer Strom, der monovalente Anionen mit Kationen enthält.

Dies verhindert die Bildung von schwer löslichen Salzen wie CaCO₃, MgSO₄ und CaSO₄ innerhalb der Anlage.

Anschließend können die beiden konzentrierten Ströme gemischt werden, um ihre Komponenten gegebenenfalls für die Wiederverwendung in der ZLD-Anlage zurückzugewinnen.

• Monovalente Elektrodialyse (mEDR)

Das Hauptziel der monovalenten Elektrodialyse (mEDR) ist die selektive Entfernung von Ionen oder Salzen, insbesondere bei komplexen Abwässern. Sie basiert auf den Prinzipien der konventionellen Elektrodialyse, wobei eine der Membranen (anionisch oder kationisch) durch eine selektive Membran (anionisch oder kationisch, je nach Anwendung) ersetzt wird.

Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der in der Lebensmittelprobe vorhandenen Ionentypen, jedoch wird eine zusätzliche Lösung benötigt, die monovalente Ionen (Anionen oder Kationen, je nach spezifischer Anwendung) enthält.