Elektrodialyse

Principeschema

 

 

Principe- en installatiebeschrijving

Elektrodialyse (ED) is een membraanproces dat gebruikt wordt voor het verwijderen van ionen uit een oplossing.

Tussen een anode (+) en kathode (-) worden afwisselend anionselectieve membranen (AM) en kationselectieve membranen (CM) geplaatst. Onder invloed van een elektrisch veld zullen anionen migreren in de richting van de anode en kationen in de richting van de kathode. De anionen worden tegengehouden door de CM en de kationen door de AM, hierdoor ontstaat er een processtroom die steeds armer wordt aan ionen (het diluaat) en een processtroom die steeds rijker wordt aan ionen (het concentraat).

De combinatie van een CM, een AM en de beide tussenruimtes tussen deze membranen wordt een celpaar genoemd (zie figuur, aanduiding in stippellijn).  Een celpaar is de basiseenheid van een stack, welke “n” keer kan herhaald worden (in de figuur is “n”=8). In de praktijk kan een stack enkele honderden celparen bevatten.

Aan de buitenzijde van de stapeling van de celparen bevinden zich twee elektroden (kathode en anode) welke zijn ondergedompeld in een elektrode elektrolyt (EE). Een elektrolyt is een waterige oplossing van zouten (in ionen gesplitst) en de elektrische stroom kan geleiden. De EE laat toe om over de stack een elektrisch veld aan te brengen. Het EE wordt rondgepompt (kathode ? anode? kathode) om de ionenbalans in het EE te vrijwaren. Vermits er zich ook een zoutoplossing (voedingsstroom) bevindt tussen de membranen zal het elektrische veld een ionentransport veroorzaken zoals getoond in de figuur. In de tussenruimtes met de aanduiding “diluaat” zullen de kationen doorheen de CM diffunderen naar de negatief geladen elektrode (kathode) terwijl de anionen  doorheen de AM diffunderen naar de positief geladen elektrode (anode). Zowel de, vanuit de diluaatkamer migrerende, anionen als kationen komen dus terecht in een aangrenzende concentraatkamer. Het resultaat is dus dat de concentratie aan kationen en anionen in de diluaat kamers tijdens het ED proces daalt. In de concentraatkamers daarentegen zullen de kationen eveneens trachten te bewegen naar de negatief geladen elektrode maar kunnen uiteraard niet doorheen het AM diffunderen. Op een analoge wijze kunnen de anionen in de concentraat kamer niet doorheen het CM migreren in de richting van de positief geladen elektrode. Het resultaat is dat de concentratie aan kationen en anionen in de concentraatkamers tijdens ED stijgt. De diluaatkamers worden dus ontzout terwijl de concentraatkamers rijker worden aan zout. Er dient opgemerkt te worden dat de membraanstapeling dient te worden afgesloten met één membraan dat identiek is aan het begin membraan (bv. om te vermijden dat Cl--ionen aan de anode gereduceerd worden tot het giftige chloorgas en ook om het EE te vrijwaren van ongewenste ionen uit de voeding).

Specifieke voor- en nadelen

Elke cel van een ED stack vertoont een identiek transport aan ionen waardoor ook eenzelfde elektrische stroomsterkte (stroomdichtheid) wordt bekomen per celpaar. Het voordeel van een stack is bijgevolg dat het totale transport (ontzouting) evenredig is met het aantal cel paren. Een belangrijk limiterend aspect is wel dat vanaf een bepaalde stroomdichtheid (de limiet stroomdichtheid) het ionen transport niet meer lineair met de aangelegde spanning (volgens de wet van Ohm) verloopt maar afvlakt naar een zone waar waterdissociatie optreedt (systeem werkt in deze omstandigheden inefficiënt). Vanuit energie-efficiëntie dient dus steeds gewerkt te worden beneden de limiet stroomdichtheid. Er bestaan experimentele meetprocedures om voor een bepaalde waterige (afval)stroom en een gespecificeerde Diluaat Uit concentratie de limiet stroomdichtheid te bepalen.

Het gebruik van “n” celparen in een stack heeft ook bijkomende voordelen :

-       de twee elektroden worden gebruikt voor “n” cel paren en bijgevolg is de elektrode kost relatief laag. Het elektrode materiaal is immers duur vanwege de speciale metalen (bv. titanium).

-       het energieverlies vanwege overspanning (overpotentiaal) aan de elektroden is verwaarloosbaar bij grote “n”.

-       H+- en OH--reacties aan de elektroden beïnvloeden enkel de nabijgelegen celparen.

-       de totale geproduceerde hoeveelheid aan waterstof en zuurstof aan de elektroden is beperkt.

Er dient echter ook rekening gehouden te worden met een aantal beperkingen:

-       de benodigde spanning over de elektroden is ook proportioneel met aantal celparen. Er dient dus rekening gehouden te worden met de spanning en stroomsterkte capaciteit van op de markt beschikbare gelijkstroom voedingen

-       hydraulisch dient de stack ook zodanig ontworpen te worden dat een gelijkmatige verdeling van concentraat en diluaat over de celparen gegarandeerd wordt (moeilijker met stijgende “n”)

Membraan vervuiling kan ook optreden maar met de methode van EDR (“electrodialysis reversal”) kan membraan vervuiling in zeer grote mate vermeden worden. Bij EDR wordt de spanning over de elektroden om de 30 tot 60 minuten omgewisseld alsook simultaan de diluaat- en concentraat stroom. Op die manier wordt de richting van het ionen transport omgekeerd (dus ook transport van vervuilende stoffen) waardoor de membranen telkens gereinigd worden. Oppervlakte actieve stoffen met polaire groepen kunnen ernstige, zelfs niet-herstelbare, vervuiling van de membranen veroorzaken. Het wordt aangeraden om gedispergeerde deeltjes, colloïden of humuszuren op voorhand te verwijderen; zand filtratie, cartridge filtratie, microfiltratie, ultrafiltratie, flocculatie methoden of actieve kool kunnen aangewend worden voor een specifieke verwijdering. Olie of vet dient eveneens verwijderd te worden (coagulatie of actieve kool). Een regelmatige membraanreiniging met specifieke reinigingsmiddelen (zuren, base, …) kan noodzakelijk zijn in een aantal gevallen. De gemiddelde levenduur van ED membranen ligt tussen 5 a 7 jaren.

Toepassingen

De toepassingen van ED zijn erg breed:

  • Het herwinnen van kostbare elektrolyten of zuren uit spoelbaden in metallurgische (oppervlakte) behandelingen kan uitgevoerd worden via ED. De pre-demineralisatie van voedingswater voor boilers kan via ED uitgevoerd worden. Het verwijderen van zouten of het concentreren van zoutoplossingen (NaNO3, …) is mogelijk via ED. Het omzetten van een zout in zijn zuur en base is eveneens mogelijk (bvb het herwinnen van zuren bij etsbaden). Het herwinnen van proceswater zelf is hierbij ook een doelstelling.
  • ED wordt nog steeds toegepast bij de aanmaak van drinkbaar water uit zeewater of brak water. Wat de bereiding van drinkwater betreft wordt ED ook ingezet om nitraat te verwijderen.
  • In de voedingsindustrie worden bvb melkproducten of suiker gerelateerde oplossingen gedemineraliseerd via ED. De zuurgraad in fruitsap kan eveneens verwijderd worden. In Japan wordt keukenzout via ED (gecombineerd met verdamping) bereid uit zeewater.
  • ED kan dus ingezet worden in sectoren waar ionen uit een processtroom dienen verwijderd ofwel geconcentreerd te worden (bv. chemische industrie).

Randvoorwaarden

ED membranen moeten aan een aantal voorwaarden voldoen betreffende  een voldoende hoge selectiviteit en geleidbaarheid en een voldoende mechanische sterkte. Er bestaan twee typen van ion geleidende membranen. Homogene membranen hebben een homogene bulkstructuur waarbij de ionen dus doorheen de gehele structuur kunnen diffunderen, dit in tegenstelling tot inhomogene membranen die bestaan uit een kunststof matrix, met daarin de ion wisselende hars deeltjes ingebed. De homogene membranen zijn duurder maar hebben een veel hogere geleidbaarheid en sterkte. De inhomogene membranen zijn goedkoper maar tonen over het algemeen een lagere geleidbaarheid en sterkte (tenzij verstevigd en/of een grotere membraandikte).

Werkingsgraad

ED kan toegepast worden voor de verwijdering van o.a. de volgende parameters:

  • opgeloste stoffen;
  • nutriënten (N en P);
  • (zware) metalen;
  • anorganische zouten.

Geschikte ED procesvoorwaarden kunnen experimenteel bepaald worden en via ontwerp software kan een schatting gemaakt worden van een geschikte stack configuratie. Het werkingsgebied van ED is breed en de verwijdering van ionen kan ver doorgedreven worden. Mits rekening te houden met de limiet stroomdichtheid kan dit via een aantal ED trappen gebeuren (een trap omvat een ED stack configuratie welke op een geschikte lagere stroomdichtheid kan bedreven worden overeenkomstig een lagere limiet stroomdichtheid bij lagere concentratie).

Hulpstoffen

Hier kan verwezen worden naar hulpstoffen vereist voor de bovenvermelde voorbehandeling methoden (bv. flocculantia en coagulantia) en membraanreinigingsmethoden (reinigingsproducten).

Milieu-aspecten

Zoals bij de meeste membraanscheidingtechnologieën ontstaan er twee stromen : een diluaat stroom en een concentraat stroom. In het geval dat de concentraat stroom een afvalstroom is (in een aantal gevallen is de concentraat stroom de gewenste stroom) levert dit uiteraard een probleem op wat de verwijdering van deze afvalstroom betreft vermits een lozing uitgesloten is. Een optie is om deze concentraatstroom te behandelen via een verdampingstechnologie om te komen tot een steekvaste/droge afvalrest.

Kosten

Belangrijke kostenelementen bij ED zijn de membraan – en elektrische energie kost. De limiterende stroomdichtheid is bij ED een grens vermits het bereiken van deze limiet samenhangt met de splitsing van water en dus energieverlies. De bedrijfsvoering dient dus te gebeuren in het Ohmse gebied (ontzouting lineair met spanning) voor alle stacks in de installatie. Dergelijke stacks staan meestal in serie en het is de laatste stack met de laagste Diluaat Uit concentratie waar het gevaar van de limiterende stroomdichtheid optreedt. Het is dus aangewezen om via experimenten de limiterende stroomdichtheid te bepalen en in ED design software  te gebruiken ter bepaling van de optimale seriële stack configuratie (totale lengte en totale membraanoppervlakte). De limiterende stroomdichtheid bepaalt dus de prijs van het ED proces : het is dus niet mogelijk om algemene indicatieve prijzen te geven voor ED vermits de toepassing volledig de ED design bepaalt vanwege de concentratie specificaties.  Als ruwe vuistregel wordt in de praktijk een limiet van 3000 ppm opgeloste stoffen beschouwd als grens tussen een kosten effectieve behandeling via omgekeerde osmose en ED : beneden 3000 ppm dus ED en boven 3000 ppm omgekeerde osmose. Een ander argument ten gunste van ED kan de eis van een hoge recovery van de voeding zijn.  Voor een ED-installatie die 10 m3 afvalwater per dag behandeld afkomstig uit de oppervlaktebehandeling van metalen rekent men op een investeringskost van 200 000 € en een operationele kost van 50 000 €/jaar.  Afhankelijk van de aard van het afvalwater kunnen de kostprijzen sterk afwijken.

Opmerkingen

De gekende full-scale toepassingen zijn beperkt en meestal betreft het kleinere installaties.  Door de specificiteit van elke toepassing zijn uitgebreide testen noodzakelijk voor een full-scale implementatie.

Complexiteit

Een voor een bepaalde toepassing optimaal afgestemde ED installatie vertegenwoordigt een robuust werkend proces. Een dieper inzicht in de complexe ED parameters is echter wel vereist bij het modificeren van de randvoorwaarden van een bepaalde toepassing (concentratie, debiet, …).

Automatiseringsgraad

De opbouw van een ED installatie is robuust: voor een klassieke ED zijn er slechts drie afzonderlijke eenvoudige vloeistof circuits nodig: de diluaatstroom, de concentraatstroom en de EE, waarvan de debieten dienen ingesteld te worden. Standaard stacks zijn verkrijgbaar met membranen overeenkomstig de toepassing. Een elektrische voeding is eveneens standaard te verkrijgen. Voor parameter optimalisatie kan eerst een ED piloot installatie aangewend worden welke specifieke instrumentatie omvat om het proces op te volgen tijdens de ED testen. Zulke instrumentatie omvat het meten van druk, debiet, temperatuur, pH en geleidbaarheid. Na het optimaliseren van de ED voorwaarden voor een bepaalde toepassing kan de industriële installatie in principe zelf functioneren zonder de uitgebreide instrumentatie, na het instellen van de geoptimaliseerde parameters binnen de procesgrenzen. Vanuit deze optiek vertoont een ED installatie naar het uiteindelijke gebruik een vrij hoge bedrijfszekerheid, mits het voorkomen van (incidentele) membraanvervuiling.

Referenties

  • AEA Technology, Manual of Effluent Process Technology, Environmental & Process Engineering Department, Harwell (GB), 1991
  • Davis T.A., Genders J.D., Pletcher D., A First Course in Ion Permeable Membranes, Alresford Press, England, ISBN 0 9517307 8 9, 1997
  • European Desalination Society (www.edsoc.com), Course on Electromembrane Processes : their principle and practical application, March 26-27, 2007, L’Aquila, Italy, 2007
  • Kemperman A.J.B., Handbook on Bipolar Membrane Technology, Prepared within the framework of the ‘Thematic Network on Electro-Membrane Processes’,
  • Krol J.J., Monopolar and Bipolar Ion Exchange Membranes, Proefschrift PhD, Universiteit Twente, 29 augustus 1997
  • Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (NL), 1996.
  • Nederlandse Membraangids, Het aanbod van technische membranen in Nederland en België, versie 2.0, februari 1996, Nederland, ISBN nummer 90-74718-04-3, 1996
  • Sata T., Ion Exchange Membranes: Preparation, Characterization, Modification and Application, Royal Society of Chemistry, London 2004
  • Strathmann H., Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, New York, 2004
  • TNAV, leverancierbevraging, 2008
  • Twente University Press, Enschede, ISBN 9036515203,2000
  • Visser C.R., Electrodialytic Recovery of Acids and Bases, Proefschrift PhD, Rijksuniversiteit Groningen, 2 februari 2001
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008
  • Wilson J.R., Demineralization by Electrodialysis, Butterworths Scientific Publications, London, 1960

Versie: februari 2010

Producten en diensten: