Elektrodialyse mit bipolaren Membranen

Das wesentliche Merkmal der Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (EDBM) ist die Kombination der konventionellen Elektrodialyse bei der Abtrennung eines Salzes und der elektrodialytischen Wasserdissoziation bei der Überführung des Salzes in seine korrespondierende Säure und Base. Bipolare Membranen induzieren die Dissoziation von Wasser in Protonen und Hydroxid-Ionen.

Das Verfahren steht damit in Konkurrenz zur elektrolytischen Herstellung von Säuren und Basen. Infolge der zwingenden Koproduktion von Wasserstoff und Sauerstoff, ist die theoretisch notwendige Energie der elektrolytischen Wasserspaltung mehr als doppelt so hoch.

Die notwendige Potentialdifferenz zur elektrodialytischen Herstellung von 1 molaren Lösungen beträgt 0,83 V, was einem Energieverbrauch von 22 Wh entspricht. Im Gegensatz dazu entspricht die elektrolytische Herstellung einem theoretischen Potentialabfall von 2,1 V bzw. einem Energieaufwand von 55 Wh. Als weiterer Vorteil der bipolaren Membrantechnik sind der vergleichsweise einfache apparative Aufwand, die Möglichkeit zum stapelweisen Aufbau und die geringeren Investitionskosten zu nennen.

Eine bipolare Membran besteht aus einer Kationenaustauschermembran, einer Anionenaustauschermembran und einer katalytischen Zwischenschicht zur Beschleunigung der Dissoziation von Wasser in Protonen und Hydroxid-Ionen. Die wesentlichen Anforderungen an eine bipolare Membran sind

  • eine exzellente Langzeitbeständigkeit
  • ein geringer passiver Potentialabfall
  • eine hohe Wasserdissoziationsgeschwindigkeit
  • eine hohe Permselektivität
  • sowie eine gute mechanische Stabilität

Die Entwicklungsarbeiten zur Herstellung von bipolaren Membranen des Typ fumasep FBM wurden im Jahr 1984 eingeleitet und führten bereits 1988 zur ersten Patentanmeldung. Zeitgleich mit der Firma Aqualytics in den USA wurden vielfältige Verfahren zur Herstellung und Anwendung von bipolaren Membranen untersucht und patentiert. Im Jahr 1999 wurde die Firma Aqualytics mit allen Markenrechten und über 200 Patentfamilien von FUMATECH BWT GmbH übernommen und das Produktprogramm von Aqualytics vollständig in die Fertigung in St. Ingbert integriert. Der heute verfügbare Patentstamm schützt die Spaltung anorganischer und organischer Säuren und Aminosäuren in 2- und 3-Kammer Anordnung. Ebenso ist die Herstellung von bipolaren Einzelfilmmembranen durch Schutzrechte von FUMATECH BWT GmbH und Aqualytics umfassend geschützt.

Die einfachste Ausführungsform der bipolaren Membrantechnik ist der so genannte 3-Kammer Stapel. Die sich wiederholende Membraneinheit im Stapel setzt sich in diesem Fall aus einer bipolaren Membran, einer Kationen- und einer Anionenaustauschermembran zusammen. Im elektrischen Feld wandern die Chlorid-Ionen durch die Anionenaustauschermembran zur Anode, werden an der kationenselektiven Seite der bipolaren Membran zurückgehalten und bilden gemeinsam mit den in der bipolaren Membran produzierten Protonen schließlich Salzsäure. In gleicher Weise wird an der anionenselektiven Seite der bipolaren Membran Natronlauge und in der zentralen Rohlösungskammer ein Diluat gebildet.

Eine große Anzahl unterschiedlicher Anwendungen der bipolaren Membrantechnologie wurden zwischenzeitlich untersucht und realisiert. Die erste industrielle Anwendung wurde von der Firma Aqualytics in der Stahlindustrie zur Rückgewinnung von Flusssäure und Salpetersäure aus Beizbädern realisiert. Heute gilt das größte Interesse der Abtrennung und Aufbereitung von organischen Säuren, wie Milchsäure und Zitronensäure aus Fermentationslösungen. Neben der Biotechnologie werden in der chemischen und pharmazeutischen Industrie erste Anlagen zur Herstellung von Aminosäuren realisiert. Eine standardisierbare Anwendung von bipolaren Membranen kann sich in der Herstellung von ultrareinem Wasser durch eine kontinuierliche Deionisation unter Einsatz bipolarer Membranen ergeben.

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