Thomas Lehmann und Hans-G. Huschka

Im Begriff Elektrodialyse steckt das Wort Dialyse, das aus dem Griechischen kommt und Auflösung oder Zerlegung bedeutet. Wohlbekannt ist die Dialyse aus der medizinischen Therapie, die zur Blutreinigung angewandt wird, wenn die Nieren erkrankt sind. Hierbei nutzt man die Permeabilität von speziellen Polymermembranen mit Poren aus, um aus dem Blut unter gleichzeitiger Rückhaltung großer Eiweißmoleküle die vorhandenen Abbauprodukte, Schadstoffe und Salze abzutrennen. Die Elektrodialyse ist hingegen ein elektrochemisch getriebener Membranprozess, bei der man sozusagen eine salzhaltige Lösung in die Bestandteile zerlegt , d.h. bei dem Ionen von ungeladenen Lösungsbestandteilen oder einfach von dem Lösungswasser abgetrennt werden, z.B. Kationen und Chloridanionen (ca. 0,1%) aus Molke, d.h. man erhält eine Lösung mit den abgetrennten Salzen (Konzentrat) und eine entsalzte Lösung (Diluat) (Abb.1).

Abbildung 1: Prinzip der Elektrodialyse

In der Technik werden eine Reihe von Membrantrennverfahren eingesetzt, deren Triebkraft hauptsächlich aus Druck- oder Konzentrationsdifferenzen besteht, wie z.B. die Umkehrosmose oder die Diffusionsdialyse.
Die treibende Kraft für den Trennvorgang in der Elektrodialyse ist das über einen Membranstapel anliegende elektrische (Gleichspannungs-)Feld, in dem die Ionen wandern. Die Auftrennung wird bewirkt durch semipermeable selektive Membranen ohne Poren, die wie Verkehrspolizisten wirken und nur eine Sorte von Ionen, nämlich entweder Anionen oder Kationen passieren lassen (Abb.2). Diese semipermeablen oder ionenselektiven Membranen bilden alternierend Räume oder "Kammern" , in denen die entsalzte Lösung (Diluat) bzw. die aufkonzentrierte Lösung (Konzentrat) gesammelt wird. Eine Rückvermischung wird dadurch vermieden.

Abbildung 2: Wirkung semipermeabler Ionenaustauschermembranen

Eine Elektrodialysezelle enthält einen Membranstapel (Abb.3) mit sehr vielen - oft mit bis zu 400 - solcher Kammern, die intern wechselweise durchströmt werden und extern an zwei Pumpkreisläufe angeschlossen werden. Damit man elektrische Ladung durch den Stapel schicken kann, benötigt man endständige Hilfselektroden, an denen lediglich Wasser zersetzt wird. Sie sind durch separate Elektrodenspülkammern vom restlichen Membranstapel abgetrennt.

Abbildung 3: technischer Aufbau eines Membranstapels (Quelle: Degussa)

Die Elektrodialyse arbeitet besonders wirtschaftlich bei einem Salzgehalt von 500 bis 10000 mg/l in der zu entsalzenden Lösung, es lassen sich Restsalzgehalte von 500 bis 50mg/l erreichen.
Zur Verdeutlichung soll ein Beispiel angeführt werden: Es soll pro Stunde ein Volumen von 250 l einer Lösung mit einer Kochsalzkonzentration von 5 g/l (Brackwasser) auf eine Endkonzentration von 0,5g/l (Trinkwasser) abgereichert werden. Mit einem Membranstapel von 30m² Membranfläche kann diese Leistung erbracht werden (Abb.4). Allein in Japan (keine Kochsalzvorkommen), Südkorea und Taiwan sind Elektrodialyse-Anlagen zur Salzgwinnung aus Meerwasser mit einer Membranfläche von ca. 150.000 m² installiert.
Die Brackwasserentsalzung und die Aufkonzentrierung von Meerwasser sind nur einige von vielen Anwendungsbeispielen, die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt sind.

Besonders hervorzuheben ist die wirtschaftlich bedeutsame Entsalzung von Molke aus der Käseherstellung (Abb.5). Früher wurde die Molke entsorgt, jetzt ist sie wichtige Rohstoffquelle für Babynahrung.
Mit einer Membranfläche von ca. 25.000 m² werden ca. 100.000 t Molkepulver pro Jahr hergestellt. Angesichts wachsender Verunreinigungen und steigendem Bedarf an sauberem Wasser stellt die in den letzten Jahren eingeführte Elektrodialyse mit Stromumkehr (in-situ Reinigung der Membranen) neben der Umkehrosmose eine wichtige Schlüsseltechnologie dar.

Abbildungen 4-6:anklicken um zu vergrössern

Bei den Anwendungen im Pharma- und Lebensmittelbereich kommt der besondere Vorteil der ED zum Tragen, nämlich die Erzielung der Veränderung von Stoffzusammensetzungen, des pH-Wertes, etc. unter schonenden Bedingungen und ohne zusätzlichen Chemikalieneinsatz.
Das sind Eigenschaften, die auch die Winzer schätzen, die ihren Wein mit mobilen Elektrodialyseeinheiten (s. Abb. 6) von der Menge "Weinstein" befreien, die bei Transport nach Übersee ausfallen würde und angeblich die Produktqualität vermindern würde, dessen Kristalle aber auch mit Glassplittern verwechselt werden könnten.

Bisher wurde von Ionenaustauschermembranen berichtet, die im wesentlichen nur eine Sorte von Ionen, nämlich nur Kationen oder nur Anionen im elektrischen Feld passieren lassen. Dies wird bewirkt durch die Festionenkonzentration im Polymergerüst. Die Festionen im Kationenaustauscher sind gebundene Carbonsäuregruppen und positiv geladene quartenäre Amine im Anionenaustauscher.
Eine besonders interessante und wichtige neue Entwicklung der letzten Zeit ist die bipolare Membran, die aus jeweils einer Schicht Kationenaustauscher und Anionenaustauscher besteht und die damit sowohl Kationen als auch Anionen blockiert, aber es gestattet, durch die im elektrischen Feld begünstigte Dissoziation der Wassermoleküle in der Grenzschicht, Protonen und Hydroxylanionen zu generieren (Abb.8). Damit ist es möglich, nicht nur zu Entsalzen, sondern auch aus Salzen die entsprechenden Säuren und Basen zurückzugewinnen (Abb.9). Z.B. ließen sich aus NaCl-haltigen Abfalllösungen wieder verdünnte HCl- und NaOH-Lösungen rückgewinnen, wie es am Beispiel der Aufarbeitung von Regenerationsabwässern eines Ionenaustauschers gezeigt worden ist (1) (Abb.10). D.h., daß in diesem Falle eine Ionenaustauschersäule faktisch elektrochemisch betrieben und ohne Abwasser regeneriert wird.
Von wirtschaftlicher Bedeutung sind die technischen Prozesse, die aus organischen Salzen, z.B. aus Fermentationen, die freien organischen Säuren, durch Extraktion der Metallkationen und "Injektion" von Protonen, freisetzen. Beispiele für solche technische Verfahren sind die Herstellung von Milchsäure (2), Zitronensäure, Glukonsäure und Essigsäure (Abb.9).

Abbildungen 7-10:anklicken um zu vergrössern

Fachleute sehen ein großes Potential in dieser Verfahrenstechnik, besonders für Anwendungen in der Feinchemie und Lebensmittelindustrie, das darauf wartet noch gehoben und genutzt zu werden.