Usage/subjects

Elektro-dialysis



Elektrodialyse (ED) is een methode om zout water te scheiden in zoet water en een geconcentreerde brijn. Ook geschikt voor het uit oplossingen verwijderen en/of concentreren van andere ionen, zoals opgeloste metalen, (organische) zuren en basen.

Principle of operation

Anionen (bijv. Cl) migreren richting de anode (positieve elektrode) vanuit een diluaatcompartiment door een anionselectief-membraan in het naastgelegen concentraatcompartiment. Kationen (bijv. Na+) migreren in de tegenovergestelde richting door een kationselectief-membraan in het aangrenzende concentraatcompartiment.

Installation description

Een ED-cel bestaat uit een anionselectief membraan, een diluaatcompartiment, een kationselectief-membraan en een concentraatcompartiment. In de praktijk worden meerdere ED-cellen gecombineerd tot een ED-stack; zie figuur 1. Aan de beide uiteinden van de stack bevinden zich de elektrodecompartimenten.  Een industriële ED-stack kan tot 600 celparen bevatten.

De te behandelen waterstroom wordt door de diluaatcompartimenten geleid en gezuiverd. De separate concentraatstroom bevat de afgescheiden zouten/verontreinigingen.

Er zijn systemen op de markt waarbij de richting van het elektrisch veld periodiek wordt omgekeerd en automatisch terzelfder tijd de diluaat- en concentraatstromen worden verwisseld. Op deze wijze wordt vervuiling van membranen tegen gegaan. Dit wordt “electrodialysis reversal”(EDR) genoemd.

ED en EDR kunnen continu als ook batch-gewijs worden toegepast om een waterstroom te behandelen . Bij de laatste methode wordt een volume van het water zolang door de installatie gerecycled totdat de gewenste eindkwaliteit is behaald.

Figuur 1 ED-stack met cathode compartiment, 3 ED-cellen en anode compartiment.

Process automation and maintenance

ED-installaties zijn volledig geautomatiseerd; elektrische spanning en debiet van diluaats- en concentraatstroom zijn instelbaar. Het onderhoud bestaat uit ijken van de geleidbaarheidsmeters, service aan pompen en (eventueel) verversen van de oplossing die langs de elektroden stroomt.  Incidenteel kan het nodig zijn de stack door te spoelen met zuur of base om scaling of biofouling van de membranen te verwijderen.

Process variables and constraints

Concentratie van ionen (geleidbaarheid), temperatuur (meestal < 60Cº i.v.m. membranen), met deeltjes vervuilde waterstromen en scalingvormende componenten (Ca, Mg, Ba, Si) kunnen speciale condities/maatregelen nodig maken.

Het stroomrendement (typisch > 80%) ,  is de mate waarin de elektrische stroom wordt gebruikt voor ionentransport  is vaak bepalend voor de economische haalbaarheid.

Applications opportunities

  • Ontzouten van voedingswater, proceswater t.b.v. hergebruik en afvalwaterstromen.
  • Verwijdering van metaalionen uit spoelwater en vorming van concentraatstromen voor hergebruik.
  • Concentreren van anorganische en organische zuren en basen.
  • Ontzouten van brak water (< 3000 ppm TDS) en zeewater (voor hogere ‘recoveries’ dan met RO haalbaar is); zoutproductie (grootschalig in Japan).
  • Nitraat-, arseen- en fluorideverwijdering uit grondwater.
  • Landbouw en glastuinbouw
  • Industrieel waterhergebruik: zouten, zuren, basen in chemische processen, galvanisch spoelwater, wasserijen, koeltorens, voedingsmiddelen industrie (demineralisatie van wijn, vruchtensappen, melk en wei), etc.
  • Drinkwaterproductie (meestal op speciale locaties).
  • Ultra-pure water productie (zie EDI).

Pros and cons

Voordelen

  • Geen toevoeging van chemicaliën om de scheiding te bewerkstelligen.
  • Geen drukval over membranen à minder vervuiling.
  • Alleen de te verwijderen stoffen (i.c. de ionen) passeren de membranen.
  • Weinig voorbehandeling nodig: vaak volstaat (multimedia) filtratie om vaste deeltjes te verwijderen, soms moet water worden aangezuurd, of onthard.
  • Diverse procesvariabelen (bijv. elektrisch spanning/stroomsterkte, verblijftijd) kunnen optimaal worden ingesteld.
  • De mogelijkheid bestaat om éénwaardige ionen wèl en meerwaardige ionen niet te verwijderen (via membraankeuze).
  • Combinatie met andere systemen (met name  RO) kan economisch voordeel opleveren.

Nadelen

  • Grotere, minder mobiele ionen worden slechter/moeilijker verwijderd, dan kleine ionen.
  • Kosten nemen toe wanneer zeer hoge zuiverheid (d.i.. zeer lage geleidbaarheid)  van het geproduceerde water moet worden gerealiseerd.
  • Mogelijke vervuiling a.g.v adsorptie van organische componenten op anionwisselend membraan, of scaling op kationwisselend membraan.

Sources

  1. Prof. H. Strathman, ‘Electromembrane processes: their principle and practical application’(March 2007).
  2. Tanaka, ‘Ion Exchange Membranes – Fundamnetals and Applications. Membrane Science and Technology Series, 12’ (Elsevier).
  3. Joost van Erkel, TNO Water treatment, postbus 342, 7300 AH Apeldoorn, email: joost.vanerkel@tno.nl