In der Elektrodialyse-Einheit werden die Lösungen in zwei voneinander getrennten Kreisläufen durch einen Membranstapel gepumpt, in dem Anionen-Austauschermembranen, die nur für Anionen durchlässig sind, und Kationen-Austauschermembranen, die nur für Kationen durchlässig sind, abwechselnd angeordnet sind. Dadurch entstehen die beiden Arten von Kammersystemen (rot und blau in der Abbildung), die sich durch den Membrantyp, der in Richtung der Kathode liegt, voneinander unterscheiden. Wird ein Strom angeschlossen, bewegen sich die Kationen im Diluat (blaue Kammern) auf die Kathode zu und passieren dabei die Kationen-Austauschermembran, die auf dieser Seite liegt. Entsprechend bewegen sich die Anionen zur Anode hin und passieren dabei die Anionen-Austauschermembran. Ein Weitertransport dieser Ionen, die sich jetzt in einer Kammer des Konzentrats befinden (rote Kammern), wird durch die jeweils nächste Membran verhindert.

Stapel-Aufbau für die Elektrodialyse

Eine Elektrodialysezelle (links zu sehen ist eine PCCell ED 1000H mit 5 m² Membranfläche) besteht aus zwei Elektroden-Endblöcken (PP, grau) und den dazwischen gestapelten Membranen. An den durch einen Stahlrahmen zusammengepressten Endblöcken befinden sich der Ausgangs- und Eingangs- adapter sowie die elektrischen Anschlüsse. Das Membranpaket besteht aus den Membranen und Spacern, die abwechselnd angeordnet sind. Im Bild sind die Membranen dunkel und die Spacer hell, daher das streifenförmige Muster.

Die folgende Skizze zeigt den schematischen Aufbau einer Elektrodialyse-Zelle:

Die Membranen sind durch Spacer (5) voneinander getrennt, die aus einem Dichtungsrahmen und einem Netz im aktiven Bereich bestehen. Dieses Netz ist mit dem Elektrolyten gefüllt und verhindert, dass die Membranen sich berühren. Aus den Löchern der Spacer bilden sich Röhren, die so angeordnet sind, dass zwei verschiedene Kanalsysteme entstehen. Auf diese Weise werden der Konzentrat- und der Diluatkreislauf aufgebaut.

Elektrodialysezellen unterscheiden sich in der Größe der verwendeten Membran. Eine PCCell ED 64 hat z.B. einen quadratischen Grundaufbau mit 11 x 11 cm Membranfläche, von der 8 x 8 cm aktive Membranfläche sind und der Rest durch Dichtung (4) abgedeckt wird. Eine Übersicht der kommerziellen Stackabmessungen sind im Datenblatt zusammengefasst.

Neben der Größe sind auch die Dicke und Länge der Kammern entscheidende Prozessgrößen, wie unten erläutert wird. So stehen eher dünne Spacer für Entsalzungsanwendungen und dickere Spacer für Anwendungen mit Schwebstoffen oder im Batchbetrieb bei höheren Leitfähigkeiten zur Verfügung.

Anwendung der Elektrodialyse

Die Elektrodialyse ermöglicht es, Ionenverbindungen aus einer Kammer in eine andere zu transportieren, d.h., sie kann sowohl bei der Übertragung von Salzen als auch von Säuren von einer Lösung in eine andere zur Anwendung kommen. Ein typisches Beispiel ist die Meerwasserentsalzung.

Nicht nur salzige Lösungen können entsalzt und konzentriert werden, sondern auch Säuren. Beispiele für diese wichtige Anwendung sind die Rückgewinnung von Beizsäuren oder das Recycling von Spüllösungen beim Feuerverzinken (englische Zusammenfassung).

Eine wesentliche Fähigkeit der Elektrodialyse ist die Entsalzung von nicht-geladenen Lösungen, z.B. Zuckerlösungen. Da ungeladene Moleküle nicht tranportiert werden, können somit Salze von ihnen abgetrennt werden. Damit erschließt sich die Entfernung von Salzen aus organischen Reaktionsmischungen. Auch Polyalkohole können gut entsalzt werden.

Letztendlich werden die Verfahren durch die Membraneigenschaften und ihre Transportselektivitäten bestimmt: Neben der Permselektivität (Stromausbeute) spielt der Wassertransport (EOP, electroosmotic cotransfer) und die Ionenselektivitäten (Bevorzugung von z.B. Na+ gegenüber Mg2+). So lassen sich auch Lösungen aufkonzentrieren, die hinsichtlich Gips fast gesättigt sind, ohne daß Gips im Konzentrat ausfällt und die Zelle und Anlage blockiert.

Eine Elektrodialyseanlage

Damit der Elektrodialyse-Prozess in der Zelle (Stapel) statt finden kann, müssen die Betriebslösungen und der Strom in der richtigen Menge zugeführt werden. Die Lösungen werden aus einem Vorratsbehälter durch die Zelle gepumpt. Jeder Kreislauf benötigt eine eigene Pumpe, einen Vorratsbehälter und eine Verschlauchung. Nach einmaliger Passage des Stapels ist die Lösung normalerweise noch nicht fertig behandelt (entsalzt von einem Anfangswert zum Zielwert). Die Lösung muss den Stapel mehrmals passieren.

Dies wird im sogenannten Batch-Verfahren, mit einer bestimmten Portion Arbeitslösung so lange gemacht, bis die Leitfähigkeit der Lösung im Batch ihren Zielwert erreicht. Dabei steigt der Energieverbrauch während des Prozesses an, da der Spannungsabfall über der Zelle zunimmt.

Zwei weitere ED-Zell-Verfahren sind der kontinuierliche Modus (siehe Abbildung unten) und der Feed-and-Bleed-Modus. Beide Verfahren sind unten dargestellt. Um zu entscheiden, ob ein Batch-Verfahren oder ein kontinuierlicher Modus geeignet ist, muss die Stapelkonstruktion berücksichtigt werden. Für einen kontinuierlichen Betrieb muss der Stapel die Lösung in einem Durchgang behandeln. Da eine bestimmte Zeit und eine bestimmte Lösungsgeschwindigkeit erforderlich sind, hat dies Auswirkungen auf die Verfahrenslänge.

Verfahrensbedingungen für die Elektrodialyse

Ein laufender ED-Prozess bedeutet, dass die in der Zelle befindlichen Ionen über die Membran bewegt werden. Die Membran bestimmt mit ihrer Permselektivität welche Ionen passieren und welche geblockt werden und der Aufbau des Moduls ist so gewählt, daß dadurch Stoffströme generiert werden, die verfahrenstechnisch gewinnbar sind (siehe dazu: Transport in Ionenaustauschermembranen ). Dieser Transportprozess muss von allen am Verfahren beteiligten Komponenten, die die Membran umgeben, aufrecht erhalten werden: dem Stapel, den Lösungskreisläufen, dem Strom und der Temperatur.

Ein wichtiger Effekt ist die Konzentrationspolarisation der Ionen auf der Membranoberfläche: In der Lösung bewegen sich alle Ionen in Abhängigkeit von ihrer Konzentration und Beweglichkeit. Auf der Membranoberfläche ändert sich aber sowohl die Beweglichkeit als auch die Konzentration erheblich. Das heißt, es bauat sich eine Ionen-Verarmungs- bzw. eine Ionen-Konzentrationsgrenzschicht auf. Vor allem der Aufbau einer Ionen-Verarmungsgrenzschicht sollte vermieden werden, denn diese führt zu einem Anstieg des Ohm'schen Widerstands, zu Wasserspaltung und kann sogar die Membranen verbrennen.

Die Wasserspaltung (Bildung von H+ und OH- - Ionen) führt zu einer pH-Verschiebung: in Richtung Kathode wird es sauer, in Richtung Anode basisch. Wenn in der Prozesslösung Ionen vorhanden sind, die als Hydroxid ausfallen oder als freie Säure schwer löslich sind (organische Carbonsäuren), fallen diese aus. Somit wird man in der Praxis immer Schwierigkeiten haben, wenn Konzentrationspolarisierung auftritt.

Anwendungsbeispiele

Beobachtet man die Leitfähigkeit im zu entsalzenden Prozesstrom (Diluat) gegen die Zeit in einem Batch-Prozess, erhält man einen Verlauf, wie unten gezeigt. Beim Einschalten des Stroms springt die Leitfähigkeit um den Betrag der Entsalzung bei dem einmaligen Durchlauf. Dieser hängt von dem Strom dem Durchfluss und anderen Faktoren ab. Anschließend nimmt die Leitfähigkeit der Lösung kontinuierlich ab.

Die Abhängigkeit der Entsalzung vom geflossenen Strom ist linear und die Steigung ist durch die Stromausbeute gegeben. Mit einer PCCell ED 200 kann man Stromausbeuten zwischen 90 und 95 % erwarten. Die Stromausbeute hängt von der Stromdichte, den Konzentrationen und anderen Faktoren ab.