DE3926642C2 - Verfahren zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz - Google Patents
Verfahren zur Gewinnung einer Säure aus ihrem SalzInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung
einer Säure aus ihrem Salz mittels Elektrodialyse, gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
sind aus der US-PS 3 086 928 bekannt. Bei der bekannten
Vorrichtung zur Herstellung von Zitronensäure 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 Anionenaustauschermembran ge
trennt sind.
Bei dem aus der US-PS 3 086 928 bekannten Verfahren strö
men durch die anodenseitige äußere Kammer eine Säure und
durch die kathodenseitige äußere Kammer eine Lauge. Die
elektrodialytische Zersetzung der Säure und der Lauge
liefert die für die Gewinnung einer organischen Säure aus
ihrem Salz benötigten Kationen und Anionen. Dies bedeutet,
daß bei dem bekannten Verfahren die durch die äußeren Kam
mern strömende Säure bzw. Lauge verbraucht wird, so daß
sie laufend ergänzt werden müssen.
Weiter ist der US-PS 3 086 928 kein Hinweise auf den groß
technischen Einsatz der beschriebenen Vorrichtung bzw. des
Verfahrens zu entnehmen.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren anderer Gattung sind
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 organi
scher Säuren, wie der Zitronensäure in die reine Säure
umzuwandeln und gleichzeitig abzutrennen.
Nachteilig sowohl bei dem bekannten gattungsgemäßen Ver
fahren als auch bei dem bekannten Verfahren anderer Gat
tung ist, daß aus einer anorganischen Säure Protonen ge
wonnen und der organischen Säure zugegeben werden müssen,
so daß zwangsläufig als Koppelprodukt ein anorganisches
Salz anfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungs
gemäßes Verfahren zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz
mittels Elektrodialyse derart weiterzubilden, daß die
nicht laufend die durch die äußeren Kammern strömende
Säure bzw. Lauge nachgefüllt werden müssen.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An
spruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen des erfindungs
gemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5
angegeben.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Grundgedanke
zugrunde, zur Herstellung, Abtrennung und Gewinnung von
Säuren und insbesondere von organischen Säuren, wie Zitro
nensäure, Milchsäure, Essigsäure, Ameisensäure, Butter
säure, Bernsteinsäure etc. aus ihren Salzen ohne Protonen
zugabe einen Mehrkreisprozeß zu verwenden, der wie folgt
abläuft:
Durch die zwischen Anode und Kathode angelegte Spannung zersetzt sich das in der der Anode bzw. Kathode benachbar ten Kammern befindliche Wasser gemäß den folgenden Reakt ionsgleichungen:
Durch die zwischen Anode und Kathode angelegte Spannung zersetzt sich das in der der Anode bzw. Kathode benachbar ten Kammern befindliche Wasser gemäß den folgenden Reakt ionsgleichungen:
2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
H₂O → 2 H⁺ + 1/2 O₂ + 2 e⁻
H₂O → 2 H⁺ + 1/2 O₂ + 2 e⁻
Durch diese Reaktionen und nicht durch die in den jeweili
gen Kreisläufen vorhandene Säure bzw. Lauge werden die H⁺
und OH⁻-Ionen bereitgestellt. Die im Säurekreislauf ent
standenen Protonen gelangen durch die Kationenaustauscher
membran in den Produktkreislauf, in der Kammer, in der
sich die Anode befindet, entsteht O₂.
Ist die Kammer, in der sich die Kathode befindet, von der
benachbarten Kammer durch eine Kationenaustasuchermembran
getrennt, so können die entstandenen OH⁻-Ionen die Kat
ionenaustauschermembran nicht passieren und bilden mit den
Me⁺-Ionen MeOH, in dieser Kammer entsteht weiterhin H₂.
Die organischen Anionen passieren die Anionenaustauscher
membran und bilden mit den erzeugten Protonen die zu ge
winnende organische Säure.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem
aus der US-PS 3 086 928 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 3 086 928 bekannten Verfahren als
Protonen- bzw. Hydroxyl-Lieferanten dienen. Bei der erfin
dungsgemäßen Verfahrensführung wird dagegen das der
anodenseitigen inneren Kammer zugeführte H₂O zur Protonen- und
OH⁻-Quelle, wobei diese spannungsinduzierte Zersetzung
in saurer bzw. basischer Umgebung leichter abläuft.
In den Ansprüchen 2 und 3 sind mögliche Alternativen der
Membranausbildung zwischen der kathodenseitigen äußeren
und der benachbarten Kammer angegeben:
Beispielsweise ist es möglich, eine ähnliche Anordnung für die Kationenaustauschermembranen und die Anionenaustau schermembran zu verwenden, wie sie aus der US-PS S 086 928 bekannt ist (Anspruch 2).
Beispielsweise ist es möglich, eine ähnliche Anordnung für die Kationenaustauschermembranen und die Anionenaustau schermembran zu verwenden, wie sie aus der US-PS S 086 928 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 Kationenaus
tauschermembran und die weiteren Kammern durch Anionenaus
tauschermembranen getrennt sind (Anspruch 3).
Gemäß Anspruch 4 ist die Anordnung der Kammern benachbar
ter Zellen invers, so daß benachbarte Zellen jeweils eine
äußere Kammer und eine Elektrode gemeinsam haben.
Hierdurch ist ein großtechnische Anwendung bei minimierten
Kosten möglich.
Im Anspruch 5 ist ein bevorzugtes Material für die Anoden
angegeben: Durch die Verwendung von aus platiniertem Titan
gefertigten Elektroden ergibt sich aufgrund der geringen
benötigten Potentialdifferenz eine lange Elektrodenlebens
dauer bei vertretbaren Kosten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs
beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be
schrieben, in der zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist eine
Reihe von Zellen auf, die jeweils aus Kammern I bis IV
bestehen. Dabei haben benachbarte Zellen die Kammern I
bzw. IV gemeinsam, in denen jeweils ein Kathode (-) bzw.
eine Anode (+) angeordnet ist.
Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
dient die dargestellte Vorrichtung zur Gewinnung und Ab
trennung 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.
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⁺ (Na⁺)-Ionen aus den Kammern III in die
Kammern IV und H⁺-Ionen aus den Kammern I in die Kammern
II diffundieren, während An⁻-Ionen aus den Kammern aus den
Kammern 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 der Figur schematisch darge
stellten Vorrichtung wird im folgenden näher erläutert.
Dabei wird ausdrücklich auf die in der Figur eingezeichne
ten Reaktionen als Offenbarung Bezug genommen.
In den Zellen III wird das organische Salz 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
Membranen K bzw. A und zur Elektrolysereaktion in den
Spülkreisläufen, wobei im Laugen-Kreislauf IV die Reaktion
2 H₂O + 2 e⁻ → M₂ + 2 OH⁻
und im Säure-Spülkreislauf I die Reaktion
H₂O → 2 H⁺ + 1/2 O₂ + 2 e⁻
stattfindet.
Da die im Säurekreislauf entstandenen Protonen durch die
Kationenaustauschermembran K in den Produktkreislauf (II)
gelangen, entsteht in der Kammer I, in der sich die Anode
(+) befindet, O₂.
Die in der Kammer IV, in der sich die Kathode (-) befin
det, entstandenen OH⁻-Ionen können die Kationenaustau
schermembran K nicht passieren und bilden mit den Me⁺-Ionen
NaOH, in der Kammer IV entsteht weiterhin H₂.
Die organischen Anionen passieren die Anionenaustauscher
membran A und bilden mit den erzeugten Protonen in der
Kammer II die zu gewinnende organische Säure.
Damit ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht
erforderlich, aus einer anorganischen Säure Protonen zu
gewinnen und der organischen Säure zuzugeben, so daß auch
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Koppelprodukt
auch kein anorganisches 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 das 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. 2 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 Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei
spiel sind jedoch die Kammern III und IV durch eine An
ionenaustauschermembran A anstelle einer Kationenaus
tauschermembran K getrennt. Aufgrund dieser Ausbildung
wandern aus dem Diluatkreis III Lactat-Ionen La⁻ durch die
Anionenaustauschermembran A in den Produktkreis II, in dem
Milchsäure HLa gebildet wird. Im Gegensatz zu der in Fig.
1 dargestellten Membrananordnung K-A-K wird bei der Mem
brananordnung A-A-K das Gegenion NH₄⁺ des Lactats nicht
über die Austauschermembran zwischen den Kammern III und
IV in den Spülkreis IV überführt, sondern bleibt wegen der
diese Kreise trennenden Anionenaustauschermembran im Di
luatkreis III. Statt dessen 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 Erfindungsge
dankes beschreiben worden, innerhalb dessen selbstver
ständlich die verschiedensten Abwandlungen möglich sind.
Insbesondere 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 (7)
1. Verfahren zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz
mittels Elektrodialyse
unter Verwendung einer Vorrichtung, die wenigstens eine
elektrodialytische Zelle aufweist,
- - an die eine Potentialdifferenz angelegt ist, und
- - die vier nebeneinander angeordnete und durch Kationen- bzw. Anionenaustauschermembrane getrennte Kammern (I, II, III, IV) aufweist,
- - von denen die anodenseitige äußere Kammer (I) von der benachbarten inneren Kammer (II) durch eine Kationenaustauschermembran und diese Kammer (II) von der kathodenseitigen inneren Kammer (III) durch eine Anionenaustauschermembran getrennt ist,
bei dem
- - durch die anodenseitige äußere Kammer (I) eine Säure
- - und durch die kathodenseitige äußere Kammer (IV) eine Lauge strömen,
- - der kathodenseitigen inneren Kammer (III) ein organi sches Salz zugeführt wird, und
- - die herzustellende Säure der anodenseitigen inneren Kammer entnommen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bereitstellung der für die Elektrodialyse benötig ten H⁺ und OH⁻-Ionen zwischen Anode und Kathode eine derartige Spannung angelegt wird, durch die
daß zur Bereitstellung der für die Elektrodialyse benötig ten H⁺ und OH⁻-Ionen zwischen Anode und Kathode eine derartige Spannung angelegt wird, durch die
- - in der kathodenseitigen äußeren Kammer (IV) die Reaktion 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻, und
- - in der anodenseitigen äußeren Kammer (I) die Reaktion H₂O → 2 H⁺ + 1/2 O₂ + 2 e⁻ abläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die kathodenseitigen Kammern
(III, IV) durch eine Kationenaustauschermembran getrennt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die kathodenseitigen Kammern
(III, IV) durch eine Anionenaustauschermembran getrennt
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Kammern
benachbarter Zellen invers ist, so daß benachbarte Zellen
jeweils eine äußere Kammer (I bzw. IV) und eine Elektrode
(+ bzw. -) gemeinsam haben.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus platinier
tem Titan bestehen.
Priority Applications (1)
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DE3926642A DE3926642C2 (de) | 1988-08-11 | 1989-08-11 | Verfahren zur Gewinnung einer Säure aus ihrem Salz |
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