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Membranen für die Synthese von großen organischen Säuren mittels Elektrodialyse

P. Altmeier, G. Schwitzgebel

FB 11.3 - Physikalische Chemie, Universität Saarbrücken

 

Einleitung und Zielsetzung

Herstellungsbedingt fallen organische Säuren vielfach in Form ihrer Salze an, die elektrodialytisch als Säuren abgespalten werden können. Der Energiebedarf ist etwa zu gleichen Teilen durch den Spannungsabfall über die bipolare Membran und durch den ohmschen Widerstand der Anionenaustauschermembran bestimmt. Ein Vergleich zwischen der Leitfähigkeit der Anionen in der Anionenaustauschermembran mit der von Ionen in freier Lösung zeigt, daß der Widerstand sich stark minimieren lassen müßte. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, ein neues Konzept zur Optimierung von Anionenaustauschermembranen für große Anionen (Molmasse > 150 Dalton) zu entwickeln, nämlich Membranen mit geringem elektrischen Widerstand und geringer Quellung. Solche Membranen werden charakterisiert und auf ihre Eignung in Anwendungsbeispielen überprüft.

Methoden und Resultate

Baustein für die Entwicklung der Membranen ist ein lineares, polymeres quartäres Ammoniumion, das über quartäre bifunktionelle Ammoniumionen vernetzt wird. Zwischen den Vernetzungspunkten zweier Polymerketten entstehen so Schlaufen, durch die beim Einsatz als Membran Ionen permeieren müssen ("Poren"). Für die statistische Verteilung der Größe der "Poren" wird ein mathematisches Modell entwickelt, dessen Resultat mit der Verteilung in einer idealen Membran verglichen wird. Anhand der sich aus der Statistik ergebenden Randbedingungen wird ein Polymersystem gesucht, das möglichst günstige Verteilungen ergibt. In diesem so ausgewählten Polymersystem werden die Festionenkonzentration variiert und der resultierende Quellungsgrad, der Widerstand und die Permselektivität bestimmt. Die Änderungen und die gegenseitige Abhängigkeit der Größen werden diskutiert. Die experimentellen Ergebnisse ermöglichen es, nach dem mathematischen Modell Eignungskriterien aufzustellen. Innerhalb der Membranreihen kann die der Größe des interessierenden Anions angepaßte Festionenkonzentration ausgewählt werden. Die Funktionstüchtigkeit und die Kenngrößen dieser Membranen werden am Beispiel der Spaltung eines Salzes untersucht, wobei die für technische Anwendungen wesentlichen Kenngrößen (ohmscher Widerstand, osmotischer Wasserfluß, Stromausbeute, Energiebedarf und Produktreinheit) in Abhängigkeit von Produktkonzentration bestimmt und diskutiert werden.

Ergebnis

Das Konzept dieser Arbeit sieht vor, in der Elektrodialyse für jedes Anion eine optimale Anionenaustauschermembran zu erzeugen. Es können Membranen entwickelt werden, welche dimensionsstabil sind und Anionen bis 400 Dalton permeieren lassen oder deren Widerstand für Molmassen um 200 Dalton minimiert ist. Dadurch können bei der elektrodialytischen Gewinnung von organischen Säuren erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden, manche Prozesse werden überhaupt erst möglich.

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