Diffusiedialyse
Diffusiedialyse (DD) is een scheidingsproces met een ionenuitwisselingsmembraan (IEM) dat wordt aangedreven door een concentratiegradiënt. Aangezien de drijvende kracht voor het scheidingsproces voornamelijk de concentratiegradiënt is, staat diffusiedialyse bekend als een spontaan scheidingsproces.
DD is een membraanscheidingsproces. Het wordt al vele jaren met succes gebruikt voor de scheiding en terugwinning van zuren uit opgeloste metaalhoudende oplossingen. Diffusie is de spontane beweging van een materiaal van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Gedreven door het concentratieverschil zal de materiaalbeweging vanzelf doorgaan totdat het concentratieverschil niet meer bestaat. Dialyse is de scheiding van moleculen vanwege de verschillen in de bewegingssnelheid van de moleculen door een semi-permeabele barrière.
DD is een membraanscheidingsproces. Het wordt al vele jaren met succes gebruikt voor de scheiding en terugwinning van zuren uit opgeloste metaalhoudende oplossingen. Diffusie is de spontane beweging van een materiaal van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Gedreven door het concentratieverschil zal de materiaalbeweging vanzelf doorgaan totdat het concentratieverschil niet meer bestaat. Dialyse is de scheiding van moleculen vanwege de verschillen in de bewegingssnelheid van de moleculen door een semi-permeabele barrière.
In vergelijking met sommige conventionele processen vertoont DD aanzienlijke voordelen,
| a. | Hogere efficiëntie bij het zuiveren van afvalwater; verbetering van de productiviteit en kwaliteit van producten. |
| b. | Laag energieverbruik (DD draait onder normale druk en heeft geen statusverandering tijdens het proces, dus er is geen stroom nodig om DD uit te voeren). |
| c. | Lage installatie- en bedrijfskosten; stabiel, betrouwbaar en gebruiksvriendelijk. |
| d. | Geen milieuvervuiling. |
Tot op heden is DD succesvol aangevraagd voor
| 1. | terugwinning van zuren en logen uit de lozingen van de staalproductie |
| 2. | metaalverfijning |
| 3. | galvaniseren |
| 4. | kationenuitwisselingsharsregeneratie |
| 5. | smelten van non-ferrometalen, aluminium etsen |
| 6. | wolfraamerts smelten |
Niettemin heeft DD ook zijn beperkingen, zoals een relatief lage verwerkingscapaciteit en efficiëntie, dus het wordt als minder efficiënt beschouwd dan sommige andere membraanscheidingsprocessen, zoals elektrodialyse (ED).
De lage milieu-impact en het energieverbruik kunnen DD echter concurrerender maken, aangezien milieuvervuiling en energietekort de belangrijkste factoren zijn bij het nemen van beslissingen. Bovendien kunnen met de verbetering van ionenuitwisselingsmembranen en diffusiedialysatoren het verwerkingsvermogen en de scheidingsefficiëntie van DD aanzienlijk worden verbeterd.
De membranen voor DD kunnen anionenuitwisselingsmembranen (AEM's) of kationenuitwisselingsmembranen (CEM's) zijn. De eerste is voor de scheiding van zuren met de overeenkomstige zouten en de laatste is voor de soortgelijke scheiding van basenmengsels.
Vanwege de hogere eisen van zuurterugwinning, is er meer aandacht besteed aan AEM's in vergelijking met CEM's, en als zodanig is er een toenemend aantal AEM's ontwikkeld voor DD-toepassingen.
Zwavelzuur (H2SO4), zoutzuur (HCl) of een combinatie van fluorwaterstof- en salpeterzuur (HF + HNO3) wordt vaak gebruikt als beitsmiddel in industrieën voor een verscheidenheid aan metaalets- en stripprocessen, zoals staalproductie, metaalraffinage , het smelten van non-ferrometalen. Tijdens de beitsstappen worden grote hoeveelheden verbruikte drank geproduceerd.
Tot nu toe zijn verschillende methoden voor het omgaan met zure lozingen toegepast, waaronder koeling en kristallisatie, thermische ontleding, verdamping en kristallisatie, ionenuitwisseling, oplosmiddelextractie, destillatie en scheidingsmethoden met elektrische membranen, evenals directe verwijdering en neutralisatie met alkaliën. Niettemin belemmeren enkele inherente tekortkomingen hun verdere ontwikkelingen en toepassingen, zoals hoge investeringen in apparatuur, groot verbruik van energie en alkaliën, en milieuvervuiling.
Bij het terugwinnen van zuren met DD fungeert een anionenuitwisselingsmembraan als een semi-permeabele barrière die wordt geplaatst tussen een stromende waterstroom en een stromend zuur met opgeloste metaaloplossing. Het anionenuitwisselingsmembraan heeft een vaste positieve lading op het oppervlak. Deze positieve ladingslocaties trekken de negatief geladen anionen in oplossing aan die in nauw contact komen met het anionenuitwisselingsmembraanoppervlak.
In het geval van anodiseerbaden met zwavelzuur is het overwegend overheersende anion bijvoorbeeld het sulfaation, S04. Omdat deze sulfaationen in de zwavelzuur-anodisatieoplossing door het membraan worden aangetrokken, worden ze ook door het concentratieverschil gedreven om over het membraan naar de waterzijde te diffunderen.
Tegelijkertijd vereist de thermodynamische wet van elektroneutraliteit (in oplossing moet de totale lading in evenwicht zijn met nul) dat de overdracht van elk sulfaation, dat twee negatieve ladingen draagt, gepaard gaat met de overdracht van twee positieve ladingen.
Positief geladen ionen, zoals Al+3 of andere metaalionen, worden sterk verhinderd het positief geladen membraan te passeren vanwege de afstoting tussen gelijke ladingen. Het waterstofion, aanwezig in de zure oplossing als H3O+1 ionen, of geprotoneerd water, is ook positief geladen, maar kan het membraan met zeer weinig hinder passeren. Dit komt gedeeltelijk door de hoge concentratie van waterstofionen in de zure oplossing en ook gedeeltelijk vanwege de sterk geassocieerde aard van water, waardoor het waterstofion zijn lading effectief kan delokaliseren.
Het netto-effect is dat de diffusiesnelheid van een zuur door het membraan een orde van grootte groter is dan die van het opgeloste metaal. Door tot slot de stroming van de zure oplossing tegengesteld aan de stroming van water te laten zijn (tegenstroom), kan optimaal voordeel van de noodzakelijke concentratiegradiënten worden gerealiseerd. De resultaten zijn dat het water dat het diffusiedialysesysteem binnenkomt eruit komt als een metaalverarmde teruggewonnen zuuroplossing en dat de zuuroplossing die het diffusiedialysesysteem binnenkomt eruit gaat als een zuurverarmde opgeloste metaalhoudende oplossing.
Nadat de gewenste resultaten zijn bereikt, is er weinig of geen onderhoud aan de unit nodig. De doseerpompen worden doorgaans 24 uur per dag, zeven dagen per week automatisch bediend.
De lage milieu-impact en het energieverbruik kunnen DD echter concurrerender maken, aangezien milieuvervuiling en energietekort de belangrijkste factoren zijn bij het nemen van beslissingen. Bovendien kunnen met de verbetering van ionenuitwisselingsmembranen en diffusiedialysatoren het verwerkingsvermogen en de scheidingsefficiëntie van DD aanzienlijk worden verbeterd.
De membranen voor DD kunnen anionenuitwisselingsmembranen (AEM's) of kationenuitwisselingsmembranen (CEM's) zijn. De eerste is voor de scheiding van zuren met de overeenkomstige zouten en de laatste is voor de soortgelijke scheiding van basenmengsels.
Vanwege de hogere eisen van zuurterugwinning, is er meer aandacht besteed aan AEM's in vergelijking met CEM's, en als zodanig is er een toenemend aantal AEM's ontwikkeld voor DD-toepassingen.
Zwavelzuur (H2SO4), zoutzuur (HCl) of een combinatie van fluorwaterstof- en salpeterzuur (HF + HNO3) wordt vaak gebruikt als beitsmiddel in industrieën voor een verscheidenheid aan metaalets- en stripprocessen, zoals staalproductie, metaalraffinage , het smelten van non-ferrometalen. Tijdens de beitsstappen worden grote hoeveelheden verbruikte drank geproduceerd.
Tot nu toe zijn verschillende methoden voor het omgaan met zure lozingen toegepast, waaronder koeling en kristallisatie, thermische ontleding, verdamping en kristallisatie, ionenuitwisseling, oplosmiddelextractie, destillatie en scheidingsmethoden met elektrische membranen, evenals directe verwijdering en neutralisatie met alkaliën. Niettemin belemmeren enkele inherente tekortkomingen hun verdere ontwikkelingen en toepassingen, zoals hoge investeringen in apparatuur, groot verbruik van energie en alkaliën, en milieuvervuiling.
Bij het terugwinnen van zuren met DD fungeert een anionenuitwisselingsmembraan als een semi-permeabele barrière die wordt geplaatst tussen een stromende waterstroom en een stromend zuur met opgeloste metaaloplossing. Het anionenuitwisselingsmembraan heeft een vaste positieve lading op het oppervlak. Deze positieve ladingslocaties trekken de negatief geladen anionen in oplossing aan die in nauw contact komen met het anionenuitwisselingsmembraanoppervlak.
In het geval van anodiseerbaden met zwavelzuur is het overwegend overheersende anion bijvoorbeeld het sulfaation, S04. Omdat deze sulfaationen in de zwavelzuur-anodisatieoplossing door het membraan worden aangetrokken, worden ze ook door het concentratieverschil gedreven om over het membraan naar de waterzijde te diffunderen.
Tegelijkertijd vereist de thermodynamische wet van elektroneutraliteit (in oplossing moet de totale lading in evenwicht zijn met nul) dat de overdracht van elk sulfaation, dat twee negatieve ladingen draagt, gepaard gaat met de overdracht van twee positieve ladingen.
Positief geladen ionen, zoals Al+3 of andere metaalionen, worden sterk verhinderd het positief geladen membraan te passeren vanwege de afstoting tussen gelijke ladingen. Het waterstofion, aanwezig in de zure oplossing als H3O+1 ionen, of geprotoneerd water, is ook positief geladen, maar kan het membraan met zeer weinig hinder passeren. Dit komt gedeeltelijk door de hoge concentratie van waterstofionen in de zure oplossing en ook gedeeltelijk vanwege de sterk geassocieerde aard van water, waardoor het waterstofion zijn lading effectief kan delokaliseren.
Het netto-effect is dat de diffusiesnelheid van een zuur door het membraan een orde van grootte groter is dan die van het opgeloste metaal. Door tot slot de stroming van de zure oplossing tegengesteld aan de stroming van water te laten zijn (tegenstroom), kan optimaal voordeel van de noodzakelijke concentratiegradiënten worden gerealiseerd. De resultaten zijn dat het water dat het diffusiedialysesysteem binnenkomt eruit komt als een metaalverarmde teruggewonnen zuuroplossing en dat de zuuroplossing die het diffusiedialysesysteem binnenkomt eruit gaat als een zuurverarmde opgeloste metaalhoudende oplossing.
Nadat de gewenste resultaten zijn bereikt, is er weinig of geen onderhoud aan de unit nodig. De doseerpompen worden doorgaans 24 uur per dag, zeven dagen per week automatisch bediend.