DE4129567A1 - Verfahren und einrichtung zur verbesserung der trennwirkung und permselektivitaet von ionenaustauschermembranen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbesserung der Trennwirkung und der Permselektivität von Ionenaustauschermembranen und anderer permselektiver Membranen. Ionenaustauschermembranen spielen in der Technik zur spezifischen Abtrennung bestimmter Wertstoffe eine immer wichtiger werdende Rolle. So werden Ionenaustauschermembranen zur Meerwasserentsalzung, Chlor-Alkali-Elektrolyse, zur Elektrodialyse, elektrophoretische Ultrafiltration, zur Metallraffination, bei der Arzneimittelreinigung und allgemein zur Raffination von chemischen Stoffen, als auch für Membranen von chemischen Sensoren aller Art und bei der Batterieherstellung verwendet. Dabei liegt das Intresse der Entwicklungstätigkeiten auf der Entwicklung hochpermselektiver Membranen. Doch stellt sich oft die Problematik, daß bei hoher Permselektivität der Widerstand erheblich erhöht wird, oder daß die mechanischen und chemischen Eigenschaften, insbesondere die Duktilität und die Zerreißbeständigkeit, als auch die Beständigkeit gegenüber der Elektrolyten sehr ungünstig beeinflußt werden. Bei vielen Anwendungsfällen ionenselektiver Membranen ist es aber von eminenter Bedeutung, daß nur ein spezifischer Stoff oder eine spezifische Stoffklasse die Membran durchdringt, andere störende Stoffe aber auf alle Fälle zurückgehalten werden müssen. Diese 100%ige Barrierewirkung kann aber heute durch keine der verwendeten Membrantypen, wobei hier auch Sandwich- und Compositmembranen zum Einsatz kommen, gewährleistet werden, wobei sie aber schon beträchtliche Selektionsfähigkeiten aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt so die Aufgabe zugrunde ein einfaches Verfahren zu Verfügung zu stellen, daß es erlaubt, trotz der teilweise nicht 100%igen Permselektivität der verfügbaren und kommerziell erhältlichen Membransysteme, unter Nutzung der positiven chemischen und mechanischen Eigenschaften, eine quasi 100%ige Barriere für störende Stoffkomponenten aufzubauen, ohne die Durchlässigkeit für die zu überführende Stoffkomponente erheblich zu verringern und die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Membranen nicht zu verschlechtern. Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Verbesserung der Trennwirkung und der Permselektivität durch die Verwendung eines Membransystems, in dem zwei oder mehrere Membranen so angeordnet werden, daß ein weiterer Zwischenraum oder mehrere Zwischenräume zwischen den Reaktionsräumen geschaffen werden, in denen die störenden Stoffe, die trotz einer hohen Selektivität der Membranen die Barriere durchdringen ein Immobilisierungsschritt, das heißt einer Behandlung ausgesetzt werden, daß die zweite oder eine weitere Membran nicht durchdrungen werden kann. Der Immobilisierungsschritt ist der vorliegenden Problemstellung anzupassen. Soll z. B. wie bei dem Eisen-Chrom-Redoxionen-Speicher durch die Membran Eisenionen zurückgehalten werden, so kann im Zwischenraum ein Komplexbildner verwendet werden, der die restlichen Eisenionen zu neutralen Molekülen komplexiert und dadurch für eine weitere Membran durch den Ladungsverlust und durch die sterische Hinderung der Liganden, undurchlässig wird. Bei der Metallraffination können die störenden Kationen, die zu einem geringen Teil die erste Membran durchdringen, leicht gefällt werden, da sie in dem Zwischenraum nun nur in geringen Konzentrationen vorkommen und so der Chemikalienbedarf sehr gering bleibt. Bei ionensensitiven Elektroden spielt natürlich die Spezifität der Membran eine entscheidende Rolle. Hier ist aus Gründen der Vielfalt der störenden Ionen naturgemäß die Anwendung eines Multimembransystems angezeigt, wobei die verschiedenen Ionensorten in den unterschiedlichen Zwischenräumen immobilisiert werden müssen.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem einfachen Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Darstellung in Figur l ist stark vereinfacht und nicht maßstäblich gehalten. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Zellaufbau 1. Die Durchtrittsaufgabe besteht darin, daß ein Salzgemisch AK₁ 2 und AK₂ 3 durch Elektromikration mit Hilfe zweier Elektroden der Kathode 4 und der Anode 5 und einer permselektiven Membran 8 derart durchgeführt wird, daß von dem Reaktionsraum 6 nur die Kationen K₁ 3 in den Reaktionsraum 7 gelangen. Die Membrananordnung 8 ist nun derart gestaltet, daß sie einen Zwischenraum 9 aufweist, in dem die Reaktionskomponente R 10 enthalten ist, die mit dem anderen Kation K₂ 2, welches von der Membran zurückgehalten werden soll ein abtrennbares Reaktionsprodukt RK₂ 11 bildet. Dieses Produkt kann durch ein Trennsystem 12 leicht aus dem Zwischenraum entfernt werden.

Am folgenden Beispiel soll nun ein Anwendungsfall dargestellt werden. Bei Eisen-Chrom-Redoxionenspeicher sollen durch eine Anionenaustauschermembran der chromionenhaltige Reaktionsraum vom eisenhaltigen Reaktionsraum derart getrennt werden, daß nur Chloridionen die Barriere durchdringen können. Doch bilden sich durch die hohe Chloridionenkonzentration FeCL₄ ^-, die zu einem geringen %-Satz die Membran als Anion durchdringen können. Dadurch gelangen Eisenionen in den chromhaltigen Reaktionsraum, wodurch es zur Selbstentladung der Batterie kommt. Werden nun in dem Membranzwischenraum starke Komplexbildner mit in den Elektrolyten eingeführt, z. B. Rhodanitionen oder Chelatbildner, so kann das FeCl₄ ^- Anion zu einem neutralen Fe(SCN)₃ Komplexverbindung umgesetzt werden, die nun durch die zweite Membran sicher zurückgehalten wird. Hier wird wegen der geringen Eisenmenge vorzugsweise der komplette Zwischenelektrolyt von Zeit zu Zeit ausgewechselt.

Claims (2)

1. Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Trennwirkung und Permselektivität von Ionenaustauschermembranen und permselektiver Membranen dadurch gekennzeichnet, daß eine Membrananordnung verwendet wird, so daß zwischen den zu trennenden Reaktionsräumen noch ein oder mehrere Zwischenräume aufgebaut werden, in denen die Stoffe, welche durch die Membran zurückgehalten werden sollen, aber die Barriere doch zu einem geringen Prozentsatz durchdringen, durch physikalische oder chemische Reaktionsschritte derart verändert werden, daß sie immobilisiert sind und die zweite Barriere nicht mehr durchdringen können.

2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das immobilisierte Reaktionsprodukt durch einen Absaugvorgang einer Filtration, Flotation, Destillation unterworfen wird, oder durch vollständigen Austausch des Zwischenraumelektrolyten von Zeit zu Zeit entfernt wird.