Umkehrelektrodialyse

Die Dialyse (aus dem Griechischen dialysis = Auflösung) ist ein konzentrationsgetriebener Membranprozess (siehe Membran), mit dessen Hilfe man sehr kleine Teilchen (typischerweise Ionen oder kleine Moleküle) aus Lösungen entfernen kann. Nimmt man elektrische Spannungen zur Hilfe um gezielt elektrisch geladene Spezies abzutrennen, so spricht man von "Elektrodialyse" (s.u.).

Elektrodialyse

Die Elektrodialyse ist ein elektrochemisch getriebener Membranprozess (siehe Membrantechnik) in dem Ionenaustauschermembranen in Kombination mit einer elektrischen Potentialdifferenz benutzt werden, um ionische Spezies von ungeladenen Lösungsmitteln oder Verunreinigungen abzutrennen. Das Prinzip der Elektrodialyse wird im folgenden beschrieben.

Schema des Aufbaus eines Elektrodialyse - Separators

In einem Elektrodialyse-Separator wird der Raum zwischen zwei Elektroden durch einen Stapel aus einander abwechselnden Anionen- und Kationentauschermembranen getrennt. Jedes Paar Ionentauschermembranen bildet eine separate "Zelle". In technischen Systemen bestehen diese Stapel aus mehr als zweihundert Membranpaaren. Wird eine elektrische Gleichspannung an die Elektroden angelegt, so wandern die Anionen zur Anode. Die Anionen können einfach die positiv geladenen Anionentauschemembranen passieren, aber sie werden jeweils an der nächstgelegenen negativ geladenen Kationentauschermembranen gestoppt. Weil dasselbe (natürlich mit umgekehrten Vorzeichen) auch mit den Kationen geschieht, besteht der Nettoeffekt der Elektrodialyse in einer Anreicherung der Salze in den Zellen mit ungerader Nummer (Anionentauschermembran/Kationentauschermembran), während die Zellen mit gerader Nummer (Kationentauschermembran/Anionentauschermembran) an Salz verarmen. Die Lösungen mit erhöhter Salzkonzentration werden zum "Konzentrat" vereint, während die salzarmen Lösungen das "Diluat" bilden.

Wegen der großen Anzahl von Zellen zwischen den Elektroden haben elektrochemische Elektrodenreaktionen praktisch keinen Einfluss auf den Energieverbrauch eines Elektrodialyse-Separators. Unter Berücksichtigung des Energieaufwandes für das Pumpen der Lösungen durch die Separator-Einheiten ist der Energieaufwand von Elektrodialyse-Trennungen proportional zur Salzkonzentration der Eingangslösung. Aus diesem Grund ist die Elektroosmose bei kleinen Salzkonzentrationen wirtschaftlicher als z.B. die Umkehrosmose. Zurzeit konkurriert das Elektrodialyseverfahren stark mit Umkehrosmosesystemen zur Entsalzung von Brackwasser. In Japan werden jährlich ca. 350.000 t Speisesalz mit Hilfe von Elektrodialyseanlagen produziert. Seewasser wird dabei von etwa 15 g/L auf 200 g/L Natriumchlorid-Gehalt angereichert, ehe man das Restwasser durch konventionelles Verdampfen entfernt. Andere technisch realisierte Anwendungen der Elektrodialyse betreffen die Abwasserbehandlung, z.B. die Regeneration von Kupfer-Abscheidungsbädern bei der Produktion integrierter Schaltkreise. Käsemolke wird mittels Elektrodialyse demineralisiert und man entsalzt Dextranlösungen mit diesem Verfahren.

Der technische Einsatz von Elektrodialyseverfahren wird durch die begrenzte selektive Permeabilität derzeit vorhandener Ionentauschermembranen bei hohen Salzkonzentrationen eingeschränkt. Der Prozess wird unwirtschaftlich, sobald die Stromausnutzung 50 - 60% unterschreitet. Dies geschieht bei den heutigen ionenselektiven Membranen, wenn die Salzkonzentration ca. 10 - 15 mol/L überschreitet.

Elektrodialyse mit Polumkehr

Diese Art der Elektrodialyse - englisch: Electrodialysis Reversal oder abgekürzt EDR - arbeitet mit einem regelmäßigen Wechsel der elektrischen Polarität der Membranen. Hierdurch ist zwar der apparative Aufwand deutlich höher, aber durch die Polumkehr von Anode zur Kathode wird eine interne Reinigung der Membranen erreicht. Diese Reinigungswirkung wird erzielt, weil an der aktiven Kathodenoberfläche der Membranen der pH-Wert absinkt und an der Anodenoberfläche ansteigt. Die Bildung von Belägen wird dadurch auch bei leicht übersättigten Wässern unterdrückt. Insbesondere bei der Erzeugung von Trinkwasser aus stärker salzhaltigen Rohwässern wird das EDR-Verfahren mit Erfolg eingesetzt.

Umkehrelektrodialyse

Die Umkehrelektrodialyse ist der umgekehrte Prozess, bei dem eine Salzlösung und Süßwasser durch einen Block sich abwechselnder Kathoden- und Anodenaustauschmembranen geleitet werden. Der Unterschied des chemischen Potentials zwischen Salz- und Süßwasser erzeugt einen Spannungsunterschied zwischen jeder Membranen. Das elektrische Gesamtpotential des Systems entspricht der Summe der Potentialunterschiede aller Membranen. ^[1]

Labordialyse

Die Dialyse ist eine Arbeitsmethode im chemischen Labor. Sie dient dazu, kleine Moleküle und Ionen, wie zum Beispiel Salze oder Zucker, auszutauschen, während große Moleküle, wie zum Beispiel Proteine oder Nukleinsäuren, zurückgehalten werden.

Bei einer häufig angewandten Dialysemethode wird ein dünnwandiger Schlauch aus in Wasser gequollener Acetyl-Zellulose eingesetzt, der entfernt an eine Wursthaut erinnert. Ein Ende eines Schlauchstückes wird verknotet und dann mit einer Lösung befüllt, die beispielsweise Proteine oder Nukleinsäuren enthält. Danach wird auch das andere Schlauchende verknotet, so dass die Lösung eingeschlossen ist. Der Schlauch wird nun in einer sehr viel größeren Menge einer bestimmten Salz- oder Pufferlösung leicht geschwenkt und darin belassen.

Nach einer Nacht hat sich im Inneren des Schlauches näherungsweise dieselbe Salzkonzentration eingestellt, wie sie in der äußeren Salzlösung vorlag, in die der Schlauch zuvor eingebracht wurde. Die Proteine bzw. Nukleinsäuren sind im Schlauch verblieben, da nur Moleküle mit einer molaren Masse unterhalb des Porendurchmessers (dieser kann bei Ultrafiltrationsmembranen je nach Verwendungszweck zwischen ca. 3000 und 50000 Dalton betragen) durch die Wand des Schlauches gelangen können (siehe Osmose). Eine solche Membran nennt man deshalb semipermeabel (halbdurchlässig). Daher konnten die Proteine oder Nukleinsäuren den Schlauch nicht verlassen, die Salzkonzentrationen beider Lösungen konnten sich aufgrund der geringeren Größe der Ionen angleichen. Da das Volumen der Lösung außerhalb des Schlauches erheblich größer war, stellt sich deren Salzkonzentration auch innerhalb des Schlauches ein. Auf diese Weise kann die Konzentration der ursprünglich vorhandenen unerwünschten Salze auf ein vernachlässigbares Maß reduziert werden.

Literatur

• H. Strathmann: Electrodialysis and related processes. In: R. D. Noble, S. A. Stern (eds.), Membrane separations technology - Principles and applications, pp. 415 - 465, Elsevier, Amsterdam 1995.
• E. Korngold, K. Kock, H. Starthmann, Desalination 24, 129 - 139 (1978)
• H. Strathmann, B. Bauer, H. J. Rapp, CHEMTECH 1993, 17 - 24.
• R.Köhler, R. Brunner, WLB Wasser, Luft und Boden, 7-8/1991

Einzelnachweise

1. ↑ Universität Twente: Power generation by reverse electrodialysis August 2007