Usage/subjects

Membrane-electrolysis



Membraan-elektrolyse wordt gebruikt bij de productie van chemicaliën voor desinfectie en oxidatie, voor afbraak van organische verbindingen, regeneratie van zuren en basen, verwijdering van (zware) metalen en chemische conversie van schadelijke componenten.

Principle of operation

Membraan-elektrolyse is een proces waarbij het transport van ionogene verbindingen door een membraan (zie ‘Elektrodialyse’) gekoppeld is aan elektrochemische omzettingen aan de beide elektrodes.

Figuur1. Membraan elektrolyse voor gelijktijdige productie van chloorgas en natriumhydroxide.

 

Installation description

Membraanreactoren zijn elektrolyse reactoren waarbij het elektrolyt compartiment opgedeeld is door een membraan. Dit maakt het mogelijk om bijv. het terug reageren te voorkomen van een verbinding die aan één van beide elektrodes is gevormd.

Afhankelijk van de toepassing kan het membraan alleen anionen doorlaten, óf uitsluitend kationen, óf niet-selectief zijn. Als elektrode worden vlakke koolstof of metaal platen, metaal rasters, of geleidende korreltjes, e.d. toegepast. Ook gasdiffusie-elektrodes worden toegepast, waaraan bijvoorbeeld gasvormig waterstof tot protonen (zuur) kan worden geoxideerd, of zuurstof tot waterstofperoxide omgezet voor productie van desinfectiemiddel, of t.b.v. de afbraak van toxische verbindingen (‘advanced oxidation process’).

Process automation and maintenance

Zowel handmatig bediende reactoren (een bak met twee elektrodes, een gelijkspanningsbron en eventueel twee pompen) en (half)automatische systemen zijn operationeel. Infrequent onderhoud aan elektrodes en membranen (bijv. verwijdering van scaling of biologische vervuiling).

Process variables and constraints

Het operationele gebied wordt begrensd door de keuze van elektrodematerialen (overpotentialen) en de elektrolyse (de ontleding) van water.

Applications opportunities

  • Verwijdering van metalen (Au, Pt, Pd, Ag, Hg, Cu, Pb, Sn, Ni, Zn, Cd) uit spoelwater en galvanische baden.
  • (In-situ) Productie van desinfectie- en oxidatiemiddelen (Cl2, NaOCl, ClO2, O3, H2O2, superoxide ion, persulfaat).
  • Oxidatie van cyanide, sulfiet.
  • Chroomzuur regeneratie.
  • Reductie van (chloor)fenolen.
  • Regeneratie/concentrering van oplossingen van zuren, basen en zouten.

Pros and cons

Voordelen

  • Groot scala aan toepassingen.
  • Elektrochemische metaalverwijdering wordt toegepast sinds de 18e eeuw, er bestaat derhalve veel ervaring.
  • Geen toevoeging van chemicaliën nodig.

 Nadelen

  • Kosten nemen toe wanneer zeer hoge zuiverheid ( 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. Pletcher, ‘Industrial Electrochemistry’
  2. Koter, A. Warszawski, ‘Electromembrane processes in environmental protection’, Polish J. Environment. Studies Vol9 (2000), 45-56
  3. FuMATech website
  4. Joost van Erkel, TNO Water Treatment, 7300AH Apeldoorn, email: joost.vanerkel@tno.nl
  5. Coulson & Richardson ‘s, Chemical Engineering,  Butterworth Heimann,vol 2 (2002),465-471.