Vorlesung 10

1. Definition: Elektrodialyse ist ein elektrisch angetriebenes Membranverfahren zur Trennung geladener Ionen aus einer wässrigen Lösung.

2. Funktionsweise:

   • Ionen bewegen sich im elektrischen Feld: Kationen zur Kathode, Anionen zur Anode.

   • Ionenaustauschermembranen (IEMs) ermöglichen selektiven Ionentransport.

   • In den Diluatzellen wird die Ionen-Konzentration reduziert, in den Konzentratzellen erhöht.

3. Treibende Kraft: Elektrisches Feld (elektrochemisches Potenzial)

1. Kationen- (CEM) und Anionenaustauschermembranen (AEM).

2. Elektroden-Spüllösung zur Vermeidung von Nebenreaktionen.

3. Seriell angeordnete Zellen (Diluatzellen & Konzentratzellen).

4. Gleichspannungsquelle zur Erzeugung des elektrischen Feldes.

1. Arbeitsweise:

   • CEMs: Lassen nur Kationen passieren, halten Anionen zurück.

   • AEMs: Lassen nur Anionen passieren, halten Kationen zurück.

2. Herstellung:

   • Polymerisation funktionalisierter Monomere.

   • Grafting-Techniken zur Einbringung funktioneller Gruppen wie SO₃⁻, COO⁻, NH₄⁺.

1. Anforderungen:

   • Hohe Permselektivität für bestimmte Ionen.

   • Niedriger elektrischer Widerstand für effizienten Ionentransport.

   • Mechanische & chemische Stabilität.

   • Homogene Struktur für gleichmäßige Leistung.

2. Typen:

   • Homogene IEMs: Gleichmäßige Ionenverteilung, niedriger Widerstand.

   • Heterogene IEMs: Höhere Permselektivität, aber ungleichmäßige Struktur

1. Strom-Spannungs-Kurve (Current-Voltage-Curve):

   • (1) Ohmisches Gebiet: Linearer Anstieg, Ionentransport durch Membran.

   • (2) Plateau-Bereich: Begrenzung durch Konzentrationspolarisation.

   • (3) Überlimitierender Bereich: Turbulenzen und Wasserzersetzung setzen ein.

2. Ursache: Bei hohen Strömen bildet sich eine ionenarme Grenzschicht, wodurch der Ionentransport limitiert wird.

Maßnahmen zur Erhöhung i_lim:

• Höhere Querströmungsgeschwindigkeit → Reduktion der Grenzschichtdicke.

• Erhöhung der Ionenkonzentration im Diluaten.

• Optimierte Membrangeometrie für verbesserten Stofftransport.

Scaling (Ablagerungen):

• Ablagerung schwerlöslicher Salze (z. B. CaSO₄, Mg(OH)₂).

• Reduziert die Leitfähigkeit und Membranleistung.

• Maßnahmen:

  • pH-Kontrolle

  • Antiscalants

  • Regelmäßige Reinigung

1. Wechselnde Schichten aus CEMs & AEMs.

2. Spacer für gleichmäßige Strömung.

3. Elektrodenkammern mit Spüllösung.

1. Batch-Betrieb: Hohe Konzentrationsdifferenzen, kleine Mengen.

2. Feed & Bleed: Rezirkulation zur Reduzierung des Energieverbrauchs.

3. Kontinuierlicher Betrieb: Geringer Energieverbrauch für große Mengen.

1. Periodische Umkehrung der Polung der Elektroden.

2. Verhindert Scaling & Fouling.

3. Verlängert die Lebensdauer der Membranen.

1. Bipolare Membranen (BM):

   • Zerlegen Wasser in H⁺ und OH⁻.

   • Ermöglichen Säure- und Basenproduktion aus Salzen.

2. Anwendung:

   • Regeneration von Chemikalien (z. B. NaOH, HCl).

   • Elektrodialyse mit BM (EDBM) zur Umwandlung von Salzen in Säuren/Basen.

1. Meerwasserentsalzung.

2. Aufbereitung von Prozess- und Abwasser.

3. Lebensmittelindustrie:

   • Fruchtsaft-Entsalzung.

   • Weinentkalkung (Tartrate Removal).

4. Chemische Produktion:

   • Herstellung von Säuren & Basen mit BM.

1. Vergleich mit anderen Verfahren:

   • Niedrigere Kosten als Destillation.

   • Höhere Kosten als Umkehrosmose (RO) für hohe Salzkonzentrationen.

2. Beeinflussende Faktoren:

   • Membrankosten (nur 10–30 % der Gesamtkosten).

   • Energieverbrauch.

   • Anlagengröße & Wartungskosten.