Database technieken waterzuivering en -behandeling

Elektrodialyse met bipolaire membranen (EDBM)

Principeschema

Principe- en installatiebeschrijving

Elektrodialyse met bipolaire membranen (EDBM) is een vorm van elektrodialyse, waarbij enerzijds zout via elektrodialyse gaat splitsen in zijn zure (X^–) en base (M⁺) ionen in het diluaatcompartiment. Deze geladen ionen bewegen met het elektrische veld mee door heen het AM of CM. Anderzijds treedt ook de elektrolyse van water op in H+ en OH–. Gecombineerd zorgen deze voor de vorming van respectievelijk zuren (HX) en basen (MOH) in het concentraat.

Een cel bestaat uit drie compartimenten (diluaat en twee concentraatcompartimenten, waar respectievelijke zuren en basen gevormd worden), een CM, AM en een bipolair membraan.

Bipolaire membranen (BPM) zijn een speciaal type van IEX membranen, waarbij een reactie gebeurt in de bipolaire tussenruimte van het membraan waar de anion- en kationdoorlaatbare laag in direct contact staan met elkaar. OH^– en H⁺ ionen bewegen ten gevolge van het het elektrische veld elk naar hun respectievelijke elektrode. Water wordt aangevuld in de interface via diffusie doorheen het gelachtige membraan.

Specifieke voor- en nadelen

Voordelen

Er worden geen gassen gevormd als bijproduct van de watersplitsing (itt elektrolyse);
Laag energieverbruik;
Lage druk (0,5 – 0,8 bar)
Er worden geen bijproducten gevormd ten gevolgen van oxido-reductie reacties;
Vorming van zuren en basen in éénzelfde proces;
Weinig productie van afvalproduct
Lage onderhoudskost
Geen regeneratie nodig.

Nadelen

Bij hoge productconcentraties kan er een significante zoutlekkage doorheen het membraan optreden tengevolge van een drastische afname van de permselectiviteit van het membraan bij verminderde Donnan-exclusie
Bij hoge zuur- en baseconcentratie wordt de retentie van het AM voor H⁺ en CM voor OH^– ionen zeer laag.
Bij aanwezigheid van organische componenten, twee- of meerwaardige ionen in de alkalische oplossing kan er neerslag ontstaan.
Vervuiling van membranen door alkali elementen
Hoge investeringskost (hoge kost van de membranen)

Toepassing

Vorming van zuren en basen uit organische zouten.

Verwerking van concentraten uit membraanprocessen met hoge zoutgehalten.

Gebruik in chemische industrie, voedingsindustrie, biochemische industrie en miliebeschemingstechnologie

Randvoorwaarden

Om één molaire oplossing te vormen, is er een potentiaalverschil van 0,83 V, wat overeenkomt met 22 Wh, nodig.

Vereisten voor BP membranen:

hoge water permeabiliteit
goede mechanische stabiliteit
lange termijn stabiliteit
hoge mate van watersplitsing

Werkingsgraad

Tot 98,5% efficiëntie

Hulpstoffen

Geen

Milieu-aspecten

EDBM wordt toegepast op RO-concentraat, waardoor zouten bijna volledig worden omgezet in hun zuren en basen. Een verdunde zoutstroom komt uit het diluaat compartiment.

Opmerkingen

Bij batchproductie kan de opstart en shutdown problemen geven naar membraanstabiliteit. Zuren en basen kunnen in het membraan terug naar water worden omgezet waardoor de druk in het membraan stijgt en de lagen uit elkaar worden geduwd.

Complexiteit

Het maken van de bipolaire membranen kan via verschillende processen verlopen. Om de juiste capaciteit van waterdissociatie te verkrijgen, is het belangrijk om de juiste concentratie aan katalytische component te hebben in de intermediaire laag.

Daarnaast moet de dikte van de interfase zo laag mogelijk zijn om de elektrische oppervlaktepotentiaal te minimaliseren.

De gevormde zouten kunnen elders in processen worden geïntegreerd, echter zorgt deze geïntegreerde aanpak voor een complexer proces (van ontwerp tot controle)

Elektrodialyse met bipolaire membranen