Bipolair membraan elektrodialyse (EDBM)

Introductie

Het basisaspect van elektrodialyse met bipolaire membranen (EDBM) is de combinatie van elektrodialyse voor zout scheiding gecombineerd met elektrolyse watersplitsing voor het omzetten van een zout in een zuur en/of base. De bipolaire membranen versterken de splitsing van water in protonen en hydroxide-ionen.

Fig.1, Black box beschrijving van het EDBM-proces.

Bipolaire membranen zijn een speciaal type gelaagd ionen uitwisselingsmembraan (IEM) waarbij de twee polymeerlagen alleen doorlaatbaar zijn voor de anionen en de andere alleen voor kationen. In tegenstelling tot membraanprocessen, wordt het bipolaire membraan niet toegepast voor scheidingsdoeleinden, maar om een reactie te krijgen in de bipolaire junctie van het membraan waar het anion en de kationdoorlaatbare lagen in direct contact staan.

De belangrijkste vereisten voor een bipolair membraan zijn:

1. Uitstekende lange termijn stabiliteit.
2. Een lage passieve daling van het elektrisch potentiaal.
3. Een hoge mate van watersplitsing.
4. Hoge permselectiviteit.
5. Goede mechanische stabiliteit.

Water splitst zich in protonen en hydroxide-ionen. Het geproduceerde proton en hydroxide-ion worden gescheiden door migratie in de respectievelijke membraanlaag uit het membraan.

2H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^-

_­In tegenstelling tot een watersplitsing bij elektroden tijdens elektrolyse, worden er geen gassen gevormd als bijproducten bij deze reactie, noch worden er gassen gebruikt. Elektrodialyse met bipolaire membranen kan elektrolyse vervangen met watersplitsing bij de elektroden en kan gebruikt worden voor een breed scala aan toepassingen.

Fig.2, Schematisch proces van het genereren van een zuur en base met behulp van bipolaire membranen

Het potentiaalverschil dat nodig is voor de elektrodialytische productie van een één molair oplossing is 0.83 V wat overeenkomt met een energieverbruik van 22 Wh. In contrast komt, de elektrolytische productie van een theoretische potentiaaldaling overeen met een energieverbruik van 55 Wh. Verdere voordelen van bipolaire membraantechnologie een relatief eenvoudige systeemconfiguratie, de mogelijkheid van een gestapelde serie geschakelde opstelling en lage investeringskosten.

Vooral het potentieel om water te splitsen zonder dat er reactieve gassen bij betrokken zijn, maakt deze techniek al jaren een veelbelovende technologie.

Characteristics of EDBM

1. Splits water into acid (H^＋) and alkali (OH^－) with relatively low voltage.
2. Due to the absence of electrode reaction, no oxidation-reduction reaction takes place. Therefore, there will be no byproduct.
3. Produces acid and alkali from inorganic salt and organic acid salt in a single process.
4. Controls the concentration rate of acid and alkali.
5. Different from electrolytic processing, no electrodes are required for through every single cell and, therefore, fewer gases are generated.
6. Produces less waste solution.
7. Can withstand continuous operations for an extended time since no regeneration process, like ion exchange resin process, is required.

 Application examples of EDBM

1. ・Production of organic acid from organic acid salt
2. ・Production of amino acid from amino acid salt
3. ・Production of acid and alkali from waste solution with salt
4. ・Production of acid and alkali from inorganic salt

Fig. 3, Productievoorbeelden met behulp van EDBM.