DE3926634A1

DE3926634A1 - Vorrichtung zur gewinnung einer saeure aus ihrem salz

Info

Publication number: DE3926634A1
Application number: DE3926634A
Authority: DE
Inventors: Dirk Rehmann; Johannes Baensch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1990-02-15
Also published as: DE3926634C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gewin nung einer Säure aus ihrem Salz mittels Elektrodialyse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der US-PS 30 86 928 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung zur Herstellung von Zitronen säure aus ihrem Salz mittels Elektrodialyse weist die elektrodialytische Zelle vier nebeneinander angeordnete Kammern auf, von denen die beiden äußeren Kammern von den beiden inneren Kammern durch Kationenaustauschermembranen und die beiden inneren Kammern durch eine Anionenaustau schermembran getrennt sind.

Die aus der US-PS 30 86 928 bekannte Vorrichtung hat damit den Nachteil, daß die Realisierung eines sogenannten Zel len-Stapels aufgrund der teuren Kathoden und Anoden sehr aufwendig ist, so daß die bekannte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 kaum für den großtechni schen Einsatz geeignet ist.

Eine Vorrichtung anderer Gattung ist aus der DE 29 02 247 C3 bekannt. Auch die aus dieser Druckschrift bekannte Vorrichtung kann dazu verwendet werden, nach dem Prinzip der Elektrodialyse Salze organischer Säuren, wie der Zi tronensäure in die reine Säure umzuwandeln und gleichzei tig abzutrennen.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung anderer Gat tung ist jedoch, daß aus einer anorganischen Säure Proton en gewonnen und der organischen Säure zugegeben werden müssen, so daß zwangsläufig als Koppelprodukt ein anorgan isches Salz anfällt.

Darüberhinaus ist es von Nachteil, daß in einem sog. Sta pel, wie er insbesondere für höhere Durchsätze benötigt wird, eine Vielzahl von teueren Elektroden benötigt wer den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz mittels Elektro dialyse derart weiterzubilden, daß die Säure und insbeson dere eine organische Säure aus ihrem Salz ohne Protonen zugabe aus einer anorganischen Säure gewonnen werden kann, d.h. ohne daß als zwangsläufiges Koppelprodukt ein anor ganisches Salz anfällt, und bei der hohe Durchsätze mög lich sind, ohne daß eine Vielzahl teuerer Elektroden er forderlich wären.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch fol gende Merkmale aus:

- die elektrodialytischen Zellen sind zu einer Reihe in Form eines Stapels angeordnet,
- lediglich die Kammern der beiden äußeren Zellen des Stapels weisen eine Anode bzw. eine Kathode auf,
- die äußeren Kammern der restlichen Zellen sind von den äußeren Kammern benachbarter Zellen durch fluid-dichte Platten mit hoher Leitfähigkeit getrennt.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt damit der Grundge danke zugrunde, zur Herstellung, Abtrennung und Gewinnung von Säuren und insbesondere von organischen Säuren, wie Zitronensäure, Milchsäure, Essigsäure, Ameisensäure, But tersäure, Bernsteinsäure etc. aus ihren Salzen ohne Pro tonenzugabe ein nicht korrosives, elektrisch sehr gut leitfähiges Material zur Abtrennung benachbarter Spül kreisläufe zu verwenden. Aufgrund der Elektronenwanderung durch diese leitenden Platten ist es möglich, darauf zu verzichten, aus einer anorganischen Säure Protonen zu gewinnen und der organischen Säure zuzugeben. Damit fällt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kein anorganisches Salz als Koppelprodukt an.

Darüberhinaus werden durch dieses nicht korrosive, pH-Wert resistente und elektrisch sehr gut leitfähige Material die Spülkreisläufe nicht nur getrennt, sondern gleichzeitig wird auch die erforderliche Potentialdifferenz einge stellt, ohne daß jede Zelle eigene Elektroden benötigen würde.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind mögliche Anordnungen der Kationenaustauschermembranen und der Anionenaustauscher membranen gekennzeichnet:

Beispielsweise ist es möglich, eine ähnliche Anordnung für die Kationenaustauschermembranen und die Anionenaustau schermembran zu verwenden, wie sie aus der US-PS 30 86 928 bekannt ist (Anspruch 2). Darüberhinaus ist es aber auch möglich, eine Anordnung zu verwenden, bei der die anoden seitige äußere Kammer von der benachbarten inneren Kammer durch einen Kationenaustauschermembran und die weiteren Kammern durch Anionenaustauschermembranen getrennt sind (Anspruch 3).

Im Anspruch 4 ist ein bevorzugtes Material für die leitfä higen Platten angegeben.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren, das unter Verwen dung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbar ist, ist im Anspruch 5 gekennzeichnet:

Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem aus der US-PS 30 86 928 bekannten Verfahren dadurch, daß die Lauge in der kathodenseitigen Kammer und die Säure in der anoden seitigen Kammer lediglich zur Aufrechterhaltung einer gewissen Leitfähigkeit benötigt werden, während sie bei dem aus der US-PS 30 86 928 bekannten Verfahren als Pro tonen- bzw. Hydroxyl-Lieferanten dienen. Bei der erfin dungsgemäßen Verfahrensführung wird dagegen das der an odenseitigen inneren Kammer zugeführte (beispielsweise) H₂O zur Protonen- und OH^--Quelle, wobei diese Zersetzung in saurer bzw. basischer Umgebung leichter abläuft. Dabei laufen in der anodenseitigen äußeren Kammer die Reaktion

2 H₂O → 2 H⁺ + H₂O₂ + 2 e⁻

und in der kathodenseitigen äußeren Kammer die Reaktion

2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻

ab. Die in der anodenseitigen äußeren Kammer entstehenden Elektronen wandern durch die leitenden Platten in die benachbarte kathodenseitige äußere Kammer der nächsten Zelle des Stapels. In der Randzellen erfolgt der Ladungs ausgleich entsprechend über die Anode/Kathode.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichungen näher be schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der in Fig. 1 gezeigten er findungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfin dungsgemäße Vorrichtung.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung weist eine Reihe von Zellen 1, 2, . . . n auf, die jeweils aus Kammern I bis IV bestehen. Dabei grenzen die Kammern I und IV benachbarter Zellen aneinan der. Die Kammern I und IV benachbarter Zellen "im Inneren" des Stapels weisen keine Elektroden auf, sondern sind durch fluid-dichte Platten E mit hoher Leitfähigkeit ge trennt.

In den Kammern I der 1. Zelle und in der Kammer IV der n.- Zelle sind die Kathode (-) bzw. die Anode (+) des elektro dialytischen Stapels angeordnet, an die eine positive bzw. eine negative Spannung angelegt ist.

Hierdurch stellt sich über den gesamten Stapel eine ent sprechende Potentialdifferenz ein, ohne daß es erforder lich wäre, für jede Zelle ein Elektrodenpaar vorzusehen.

Die Kammern I sind von den Kammern II und die Kammern III von den IV jeweils durch eine Kationenaustauschermembran K getrennt, während die Kammern II von den Kammern III durch eine Anionenaustauschermembran A getrennt sind.

Damit können Me⁺-Ionen aus den Kammern III in die Kammern IV und H⁺-Ionen aus den Kammern I in die Kammern II dif fundieren, während An⁻-Ionen aus den Kammern aus den Kam mern III in die Kammern II diffundieren können.

Die Kammern I bilden den Säure-Spülkreis, während die Kammern IV den Lauge-Spülkreis bilden. Die Kammern III sind die Diluat-Kammern, während die Kammern II die Pro dukt-Kammern sind.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläu tert, in der ein Ausschnitt aus Fig. 1 vergrößert darge stellt ist. Dabei wird ausdrücklich auf die in den Figuren eingezeichneten Reaktionen als Offenbarung Bezug genommen.

Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens dienen die in Fig. 1 und 2 darstellten Vorrichtungen zur Gewinnung und Abtrennung einer Säure aus ihrem organischen Salz, bspw. von Milchsäure aus Natriumlactat-Lösungen.

Dabei wird in dem durch die Kammern I aufrecht erhaltenen Säure-Kreislauf als Säure H₂SO₄ und in dem durch die Kam mern IV aufrecht erhaltenen "Laugen-Kreislauf" NaOH ver wendet.

In den Zellen III wird das organische Salz, bei dem ge zeigten Ausführungsbeispiel NH₄-Lactat, mit einem Trä gerfluid, bspw. Wasser zugeführt. Durch die zwischen die Anode und die Kathode angelegte Potentialdifferenz kommt es zur Wanderung von Ionen durch die ionenselektiven Mem branen K bzw. A und zur Elektrolysereaktion in den Spül kreisläufen, wobei im Laugen-Kreislauf IV die Reaktion

2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻

und im Säure-Spülkreislauf I die Reaktion

H₂O → 2 H⁺ + ½ O₂ + 2 e⁻

statttindet.

Die jeweils im Säure-Kreislauf I entstehenden Elektronen wandern aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Plat ten E durch diese und stehen auf der anderen Seite zur Reaktion im Laugen-Kreislauf IV zur Verfügung. Damit ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforder lich, aus einer anorganischen Säure Protonen zu gewinnen und der organischen Säure zuzugeben, so daß bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung als Koppelprodukt kein anorgani sches Salz anfällt.

Durch die beschriebene Reaktion wird in der Kammer II die Säure aufkonzentriert, wobei in die Kammer II ein Träger fluid, bspw. H₂O zugeführt wird. Die aufkonzentrierte Säure kann der Kammer II entnommen werden, während die bei der Reaktion verbliebene Reste sowie ein Trägerfluid der Kammer III entnommen werden.

Hierdurch lassen sich beliebige Säuren und insbesondere organische Säuren, bspw. Natriumlacetat-Lösungen oder Salze von Zitronensäuren in die reine, aufkonzentrierte Säure umwandeln. Dabei kann bspw. Milchsäure gebildet und diese um etwa das Dreifache aufkonzentriert werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese Ausführungsbeispiel hat einen grundsätzlich gleichen Aufbau, wobei gleiche Elemente wie in den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sind, so daß auf eine detaillierte erneu te Beschreibung verzichtet wird.

Abweichend von dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Kammern III und IV durch eine Anionenaustauschermembran A anstelle einer Kationenaustauschermembran K getrennt. Aufgrund dieser Ausbildung wandern aus dem Diluatkreis II Lactat-Ionen La⁻ durch die Anionenaustauschermembran A in den Produktkreis II, in dem Milchsäure HLa gebildet wird. Im Gegensatz zu der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Membrananordnung K-A-K wird bei der Membrananordnung A-A-K das Gegenion NH₄⁺ des Lactats nicht über die Austauschermembran zwi schen den Kammern III und IV in den Spülkreis IV über führt, sondern bleibt wegen der diese Kreise trennenden Anionenaustauschermembran im Diluatkreis III. Stattdessen verlassen Hydroxilionen den Kathodenraum IV und bilden mit dem Gegenion NH₄⁺ eine Base, nämlich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel NH₄OH. Dieses "Produkt" kann dann anderweitig verwendet werden.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan kens beschreiben worden, innerhalb dessen selbstverständ lich die verschiedensten Abwandlungen möglich sind. Insbe sondere ist es möglich, die ionenselektiven Membranen K und A entsprechend der abzutrennenden Säure auszuwählen, und/oder andere Kombinationen von zugeführten Säuren/Lau gen zu verwenden, beispielsweise HCl und KOH. Als Austau schermembranen können beispielsweise Divinyl-Benzyl-Sty ren-Polymere verwendet werden, die als Anionenaustauscher membranen mit Ammonium- und als Kationenaustauschermembra nen mit Sulfonyl-Gruppen modifiziert sind.

Claims

1. Vorrichtung zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz mittels Elektrodialyse, mit elektrodialytischen Zellen, an eine Potentialdifferenz angelegbar ist, und von denen jede Zelle vier nebeneinander angeordnete Kammern aufweist, die durch Kationenaustauschermembrane (K) und Anionenaustau schermembrane (A) getrennt sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die elektrodialytischen Zellen sind zu einer Reihe in Form eines Stapels angeordnet,
- lediglich die Kammern (I bzw. IV) der beiden äußeren Zellen des Stapels weisen eine Anode (+) bzw. eine Kathode (-) auf,
- die äußeren Kammern (I bzw. IV) der restlichen Zellen sind von den äußeren Kammern benachbarter Zellen (IV bzw.
I) durch fluid-dichte Platten (E) mit hoher Leitfähigkeit getrennt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Kammern (I, IV) von den beiden inneren Kammern (II, III) durch Kat ionenaustauschermembranen (K) und die beiden inneren Kam mern durch eine Anionenaustauschermembran (A) getrennt sind.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige äußere Kammer (I) von der benachbarten inneren Kammer (II) durch eine Kationenaustauschermembran und die weiteren Kammern (II, III, IV) durch Anionenaustauschermembrane (A) getrennt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fluid-dichten Platten (E) aus DIABON F bestehen.

5. Verfahren zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz mittels Elektrodialyse unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß durch die anodenseitige äußere Kammer (I) eine Säure und durch die kathodenseitige äußere Kammer (IV) eine Lauge strömen,
daß in die kathodenseitige innere Kammer (III) ein orga nisches Salz und in die anodenseitige innere Kammer H₂O zugeführt werden, und
daß aus der anodenseitigen inneren Kammer (II) die herzu stellende, aufkonzentrierte Säure und aus der kathodensei tigen inneren Kammer (III) die Restprodukte entnommen werden.