PCCell GmbH
PCCell GmbH Lebacher Strasse 60 66265 Heusweiler Deutschland

Veröffentlichungen

Veröffentlichungen

Die folgenden Poster bzw. Vorträge wurden auf unterschiedlichen Kongressen oder Symposien veröffentlicht. Hier stellen wir die original-Handreichungen bzw. Präsentationen als pdf zur Verfügung.

 

 

New ways in chemical processing with acid-ed

P. Altmeier, PCA GmbH

Paper published in Impact Issue 8 (1999), 136

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Patrick Altmeier, of PCA GmbH, discusses how electrodialysis can become a useful tool for intelligent design of closed flow chemical production lines.

New Anion Exchange Membranes for the Electrodialytic Treatment of Acids

Patrick Altmeier a), Henning Bolz a), Günter Schwitzgebel b)

a) PCA GmbH
b) Universität des Saarlandes, Im Stadtwald; D-66123 Saarbrücken

Paper presented at the Eleventh International Forum on Electrolysis in the Chemical Industry November 2-6, 1997, Clearwater, FL

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Abstract

New anion exchange membranes on the basis of alipathic polyethers demonstrate the ability to tailor membranes with high conductivity for organic anions or membranes with high permselectivity in mineral acids. This paper provides data on the chemical composition and on electrochemical properties relevant to potential end users. The possibility of tailoring the membranes is shown by the example of membranes developed for the transport of large organic anions. It is stated that the permeability of such anions is limited by a sieving effect of the membrane matrix and a concept is presented to minimize this effect. The properties of the membrane type PC 400D developed by this method are demonstrated by the example of lactobionic acid.

Membranen für die Synthese von großen organischen Säuren mittels Elektrodialyse

P. Altmeier, G. Schwitzgebel

FB 11.3 - Physikalische Chemie, Universität des Saarlandes

Poster presented at the DECHEMA Jahrestagung, Wiesbaden, 1996

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Einleitung und Zielsetzung

Herstellungsbedingt fallen organische Säuren vielfach in Form ihrer Salze an, die elektrodialytisch als Säuren abgespalten werden können. Der Energiebedarf ist etwa zu gleichen Teilen durch den Spannungsabfall über die bipolare Membran und durch den ohmschen Widerstand der Anionenaustauschermembran bestimmt. Ein Vergleich zwischen der Leitfähigkeit der Anionen in der Anionenaustauschermembran mit der von Ionen in freier Lösung zeigt, daß der Widerstand sich stark minimieren lassen müßte. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, ein neues Konzept zur Optimierung von Anionenaustauschermembranen für große Anionen (Molmasse > 150 Dalton) zu entwickeln, nämlich Membranen mit geringem elektrischen Widerstand und geringer Quellung. Solche Membranen werden charakterisiert und auf ihre Eignung in Anwendungsbeispielen überprüft.

Methoden und Resultate

Baustein für die Entwicklung der Membranen ist ein lineares, polymeres quartäres Ammoniumion, das über quartäre bifunktionelle Ammoniumionen vernetzt wird. Zwischen den Vernetzungspunkten zweier Polymerketten entstehen so Schlaufen, durch die beim Einsatz als Membran Ionen permeieren müssen ("Poren"). Für die statistische Verteilung der Größe der "Poren" wird ein mathematisches Modell entwickelt, dessen Resultat mit der Verteilung in einer idealen Membran verglichen wird. Anhand der sich aus der Statistik ergebenden Randbedingungen wird ein Polymersystem gesucht, das möglichst günstige Verteilungen ergibt. In diesem so ausgewählten Polymersystem werden die Festionenkonzentration variiert und der resultierende Quellungsgrad, der Widerstand und die Permselektivität bestimmt. Die Änderungen und die gegenseitige Abhängigkeit der Größen
werden diskutiert. Die experimentellen Ergebnisse ermöglichen es, nach dem mathematischen Modell Eignungskriterien aufzustellen. Innerhalb der Membranreihen kann die der Größe des interessierenden Anions angepaßte Festionenkonzentration ausgewählt werden. Die Funktionstüchtigkeit
und die Kenngrößen dieser Membranen werden am Beispiel der Spaltung eines Salzes untersucht, wobei die für technische Anwendungen wesentlichen Kenngrößen (ohmscher Widerstand, osmotischer Wasserfluß, Stromausbeute, Energiebedarf und Produktreinheit) in Abhängigkeit
von Produktkonzentration bestimmt und diskutiert werden.

Ergebnis

Das Konzept dieser Arbeit sieht vor, in der Elektrodialyse für jedes Anion eine optimale Anionenaustauschermembran zu erzeugen. Es können Membranen entwickelt werden, welche dimensionsstabil sind und Anionen bis 400 Dalton permeieren lassen oder deren Widerstand für Molmassen um 200 Dalton minimiert ist. Dadurch können bei der elektrodialytischen Gewinnung von organischen Säuren erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden, manche Prozesse werden überhaupt erst möglich.

Optimierte Anionenaustauschermembranen für die elektrodialytische Salzspaltung

P. Altmeier a), G. Schwitzgebel a), A. Konrad b)

a) FB 11.3 Physikalische Chemie, Universität des Saarlandes
b) Fachbereich Chemie, Technische Chemie, Universität Kaiserslautern

Kurzfassung Posterbeitrag 5. Aachener Membran Kolloquium, 14.-16. März 1995

Electrodialysis: an overview on some industrial applications

Patrick Altmeier, Henning Bolz

PCA - Polymerchemie Altmeier GmbH / PCCell GmbH

Paper presented at israel water conference , Tel Aviv, Israel 2014

Setup of a 20 m3/h ED/RO plant to produce pure water from river water

Rudolph E. Brunner a), Patrick Altmeier a) b)

a) Ioncontract
b) PCCell GmbH

Paper presented at the GDCh Shortcourse on Membranes, Weil am Rhein, Germany 2005

Mineral Acid Concentration Process with Electrodialysis Leading to High Concentrations

Patrick Altmeier a), Henning Bolz a), Günter Schwitzgebel b)

a) PCA GmbH
b) Universität des Saarlandes, Im Stadtwald; D-66123 Saarbrücken

Paper presented at the 14th International Forum on Electrolysis in the Chemical Industry November 12-16, 2000, Clearwater, FL

Meerwasserentsalzung

Ein allgemeiner Verfahrensvergleich zur Deinoisierung von Meerwasser und Brackwasser zur Herstellung von Trinkwasser

1. Einleitung

Wasser scheint es auf der Erde im Überfluss zu geben. Doch nur 0,3% der gesamten Wassermenge der Erde können als sauberes Trinkwasser verwendet werden. Der Mensch benötigt täglich große Mengen und entnimmt es für unzählige Anwendungen der Natur. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Trinkwasser stellt Meerwasser eine bedeutende Trinkwasserquelle dar. Um dieses Wasser nutzen zu können, muß es entsalzt werden. Die Meerwasserentsalzung ist somit eine wesentliche Aufgabe, vor der die westliche Zivilisation steht.

  • Die ursprüngliche Methode der Meerwasserentsalzung ist die Destillation. Pro t Trinkwasser benötigt man ca. 620 kWh Verdampfungsenthalpie.
  • In technischen Anlagen wird ein vielstufiger Entspannungsverdampfer (MSF multiple stage flash evaporator) eingesetzt, der ca. 100 kWh/t (2 bar Heißdampf) und 3,5 kWh/t el. Energie für Pumpen benötigt.

Membranverfahren
Membranverfahren ermöglichen das Entsalzen ohne eine Phasenumwandlung von Wasser (verdampfen oder ausfrieren). Dadurch entfällt der Energieeintrag für die Phasenumwandlung und öffnet den Weg zu energieeffizienten Entsalzungsverfahren.
Um Meerwasser zu entsalzen, muß eine Energie von ca 1,7 kWh / t Meerwasser aufgewendet werden. Dies ist die entropische Energiedifferenz für das Aufkonzentrieren von Meerwasser. Jene Energie übrigens, die bei dem umgekehrten Mischvorgang auch frei wird und die man in den Umkehr-Verfahren (Osmoseverfahren und Umkehr-Elektrodialyse) als Energiepool ausnutzt.
Um entsalztes Wasser zu gewinnen, kann man prinzipiell entweder das Wasser durch die Membran drücken (Umkehrosmose) oder das Salz über die Ionenaustauschermembranen entfernen (Elektrodialyse), wie in dem folgenden Bild dargestellt:

  • Umkehrosmoseanlagen (reverse osmosis, RO) benötigen zur Produktion von Trinkwasser mit Gesamtsalzgehalt von weniger als 500 ppm einstufig aus Meerwasser (3,7 % Gesamtsalz) ca 2,5 kWh/t elektrische Energie für die Pumpen. Dies gelingt durch Fortschritte bei den Membranen und vor allem durch Druck-Rückgewinnung. In kleineren Anlagen kann der Pumpdruck nicht rückgewonnen werden. Dann muss man mit einem Verbrauch von 20 bis 40 kWh / t Wasser rechnen.
  • Demgegenüber ist die Triebkraft bei der Elektrodialyse mit Ionenaustauschermembranen der elektrische Strom, der die Ionen des zu entsalzenden Wassers aus diesem entfernt. Da der benötigte Strom dem Salzgehalt proportional ist, lässt sich ein spezifischer Energiebedarf nicht genau angeben. Bei niedrigen Salzgehalten wie z.B. beim Brackwasser oder bei salzhaltigen Quellen (stark ausgebeutete Süßwasserquellen in Meeresnähe) ist das Verfahren daher wesentlich günstiger (Energiebedarf 1 - 5 kWh/t) als bei stark salzhaltigem Wasser (Energiebedarf bis 10 - 20 kWh/t).

Die Elektrodialyse ist bei relativ geringen Salzgehalten gegenüber der RO konkurrenzfähig. Um sich für die eine oder andere Technik zu entscheiden, müssen jedoch die unten diskutierten Unterschiede der Verfahren abgewägt werden.

2. Trinkwasser

Demineralisierungsverfahren für Wasser unterscheiden sich nicht nur durch die Triebkraft, sondern auch die Eigenschaften des entstehenden Wassers. Der Energiebedarf der verschiedenen Verfahren hängt von der Qualität des produzierten Wassers und der Zusammensetzung des zu entsalzenden Wassers ab. Ziel der Demineralisierung von Wasser ist normalerweise die Herstellung von Trinkwasser, dessen Zusammensetzung in der folgenden Tabelle aufgeführt ist.

Für Trinkwasser gelten nach der WHO folgende Standards [1]:

toff Erwünschte maximale Konzentration in mg/l Erlaubte maximale Konzentration in mg/l Isotonische Lösung mg/l ,[2]
Gelöste Feststoffe insgesamt

500

1500

9000

Mg

30

150

-

Ca

75

200

-

Chlorid

20

60

3550-3800

Sulfat

200

400

-

Natrium

-

-

3050-3400

Kalium

-

-

150-210

Gesamtgehalt in mmol/l

ca. 10

ca. 3

ca. 150

3. Vergleich Umkehrosmose (RO) / Elektrodialyse (ED)

Seit 1990 hat sich die RO kontinuierlich hinsichtlich Leistungsfähigkeit, d.h. Investitionskosten, Durchsatz pro Membranfläche und Energiebedarf, verbessert.
Demgegenüber hat es hinsichtlich der (altbekannten) Probleme der ED keine nennenswerten Fortschritte gegeben.
Dennoch bleiben die Vorteile der ED:

  • Sie bietet als einziges Verfahren ein "lebendes" Wasser: Das entsalzte Wasser ist das Ursprungswasser "an sich": Aus Meerwasser wird Salz entfernt. Das Wasser an sich bleibt unberührt. Es muss keine Membran durchdringen wie es bei der RO der Fall ist. Daher bleiben dem Wasser alle weiteren Stoffe, die sich darin befinden mögen, erhalten.
  • Das Salz entsteht bei der ED als konzentrierte Sole. Es kann zur Salzgewinnung eingesetzt werden, während bei der RO keine ausgesprochen konzentrierte Lösungen erzeugt werden.
  • Die ED benötigt weniger als 1,5 m3 H2O/t, während die RO 2-4 t benötigt. Je nach Anwendungsfall gewinnt also die Frage eine gewisse Bedeutung, was man mit dem aufkonzentrierten Salz macht. - Am Meer sicher kein Problem, was aber an aufgesalzenen Quellen?
  • Bei nitrathaltigen Wässern kann mittels ED eine selektive Nitratabreicherung erreicht werden.

Letztendlich bleibt zu sagen, dass bei der RO das Entwicklungspotenzial weitgehend ausgeschöpft ist, während der ED diese Entwicklungen noch bevorstehen.

Die wesentlichen Optimierungspunkte sind nach wie vor:

Konzentrationspolarisierung,
Membranwiderstand und

ionenleitfähige Spacer.

Literatur:

[1] N.N. Greenwood, A. Earnshaw , Chemie der Elemente, VCH, 1988

[2] R. Ludewig KH. Lohs, Akute Vergiftungen, VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1981

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