Estudio y simulación para la mejora de un proceso de electrodiálisis mediante aplicación de pulsos de corriente

Abstract

[ES] La electrodiálisis es una operación de separación electroquímica en la que se utilizan membranas de intercambio iónico para reducir la concentración en iones de una disolución aplicando un campo eléctrico. Un sistema de electrodiálisis consta generalmente de un ánodo, membranas catiónicas y aniónicas, y un cátodo. Se produce el transporte de iones, cationes o aniones, a través de las membranas y bajo una fuerza impulsora denominada gradiente de potencial electroquímico. Debido al flujo de iones se obtiene un compartimento diluido y un compartimento concentrado. Algunos parámetros de operación del sistema son la composición y flujo de la alimentación, la densidad de corriente, el tipo de membrana y la geometría del compartimento. La electrodiálisis se utiliza en la desalación de aguas, la recuperación de sales metálicas, la desnitrificación de aguas residuales y la concentración de ácidos orgánicos. La electrodiálisis emplea corriente continua para producir el flujo de iones. Si se opera a una intensidad de corriente constante, la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo aumenta a medida que las concentraciones de ambos compartimentos varían. Debido a esto, se produce una polarización por concentración en la membrana, disminuyendo el rendimiento del sistema. Una opción para solucionar este problema es aplicar pulsos de corriente variando los parámetros del sistema. En el presente Trabajo de Fin de Grado se lleva a cabo la simulación de un sistema de electrodiálisis con membrana de intercambio catiónico aplicando pulsos de corriente con el fin de estudiar cómo afecta este modo de operación a la eficiencia y al consumo energético asociado a la separación.

[EN] Electrodialysis is an electrochemical separation operation in which ion exchange membranes are used to reduce the ion concentration of a solution by applying an electric eld. An electrodialysis system generally consists of an anode, cation and anion exchange membranes, and a cathode. The ions, cations and anions, cross the membranes under a driving force called electrochemical potential gradient. Due to this ion ow, a diluted compartment and a concentrated compartment are obtained. Some operating parameters of the system are the composition and ow of the feed stream, the current density, the type of membrane and the geometry of the compartment. Electrodialysis is used in water desalination, metal salt recovery, denitri cation of wastewater, and organic acid synthesis. Electrodialysis uses direct current to produce the ion ux. If operated at a constant current intensity, the potential di erence between anode and cathode increases as the concentrations of both compartments vary. Given that, polarization by concentration occurs in the membrane, and the system performance decreases with time, an option to solve this problem is to apply current pulses varying the system parameters. In this Bachelor Thesis, the simulation of an electrodialysis system composed of a cation exchange membrane electrodialysis system operating in pulse mode or constant current mode is carried out, aiming to study how the operating mode a ects the e ciency and the energy consumption associated with the separation.

[CA] L'electrodiàlisi és una operació de separació electroquímica en què s'utilitzen membranes d'intercanvi iònic per a reduir la concentració en ions d'una dissolució aplicant un camp elèctric. Un sistema d'electrodiàlisi consta generalment d'un ànode, membranes catiòniques i aniòniques, i un càtode. Es produïx el transport d'ions, cations o anions, a través de les membranes degut a una força impulsora denominada gradient de potencial electroquímic. A causa del ux d'ions s'obté un compartiment diluït i un compartiment concentrat. Alguns paràmetres d'operació del sistema són la composició i ux de l'alimentació, la densitat de corrent, el tipus de membrana i la geometria del compartiment. L'electrodiàlisi s'utilitza en la dessalinització d'aigües, la recuperació de sals metàl·liques, la desnitri cació d'aigües residuals o la concentració d'àcids orgànics. L'electrodiàlisi empra corrent continu per a produir el ux d'ions. Si s'opera a una intensitat de corrent constant, la diferència de potencial entre ànode i càtode augmenta a mesura que les concentracions d'ambdós compartiments varien. A causa d'açò, es produïx una polarització per concentració en la membrana, disminuint el rendiment del sistema. Una opció per a solucionar este problema és aplicar polsos de corrent variant els paràmetres del sistema. En el present Treball de Fi de Grau es du a terme la simulació d'un sistema d'electrodiàlisi amb membrana d'intercanvi catiònic aplicant polsos de corrent a d'estudiar com afecta este mode d'operació a l'e ciència i el consum elèctric del procés de separació.