Application of bipolar electrodialysis to the generation of alkaline and acidic solutions from concentrated seawater brines from saltworks

(English) Brines should be treated as waste and disposed accordingly. Nevertheless, brines are typically discharged back into water bodies, thereby affecting the marine environment, soil quality, and groundwater. However, the potential benefits and applications of these brines are worth further investigation. In addition to the high concentration of salt (NaCl), some important elements, such as Critical Raw Materials (e.g. Li, Sr, Ga, Ge) can be found. This has increased interest in using brines as an alternative source for recovering strategic elements, the large content of strong electrolytes (e.g., NaCl and Na2SO4) has opened the possibility of using brines as a source to produce chemical commodities (e.g., strong acid and bases). Specifically , owing to the highly saline nature of brines, they are well-suited for use in electro-membrane processes such as Electrodialysis with Bipolar Membranes (EDBM). EDBM allows for the generation of chemicals from their corresponding salts; the protons and hydroxide ions generated in the bipolar membranes generate, together with the cations and anions removed from the salts , acidic and alkaline solutions, respectively. However, EDBM technology still needs to be improved to reduce the high energy expenses and boost the concentration of products. EDBM remains a non-scale-up technology that requires more research and study to be able to compete with well-established technologies to produce acidic/alkali solutions from brines, including chlor-alkali technology. There fore, it is necessary to investigate mass transfer processes in complex systems such as those involving EDBM with solutions of high salt composition. Additionally, there are a limited number of bipolar membranes and limited information on the behaviour of the membranes in concentrated solutions . In this context, the present thesis aims to carry out an extensive evaluation of the production of acidic and alkaline solutions from brines using EDBM. This involved moving from theoretical proposals based on Computational Fluidic Dynamics (CFO) models to a comprehensive experimental campaign using synthetic brines, in which numerous operational parameters were examined. Two CFO models were introduced using 2-0 geometry, one was time-dependent and the other was not; both aimed to study the mass transpo rt, potential distribution, and water splitting phenomena. The results from both theoretical studies and experiments offered valuable insights into how to enhance the performance of EDBM and make them more competitive with current popular technologies, ultimately leading to the growth and expansion of this technology. (Català) Les salmorres s'han de tractar com a residus i eliminar-se en consequencia. No obstant aixo, les salmorres solen abocar-se de nou a les masses d'aigua, cosa que afecta el medi marf, la qualitat del sol i les aigues subterranies. Tanmateix, val la pena continuar investigant els possibles beneficis i aplicacions d'aquestes salmorres. A mes de l'elevada concentració de sal (NaCl), es poden trobar alguns elements importants, com les Materies Primes Fonamentals (per exemple, Li, Sr, Ga, Ge). Aixo ha augmentat l'interes per utilitzar les salmorres com a font alternativa per recuperar elements estrategics, el gran contingut d'electrolits forts (per exemple, NaCl i Na2S04) ha obert la possibilitat d'utilitzar les salmorres com a font per produir materies primeres qufmiques (per exemple, acids i bases fortes). En concret, a causa de la naturalesa altament salina de les salmorres, són molt adequades per al seu us en processos d'electromembrana com l'electrodialisi amb membranes bipolars (EOBM) . L'EOBM permet generar substancies qufmiques a partir de les sals corresponents; els protons i els ions hidroxid generats a les membranes bipolars generen, juntament amb els cations i els anions eliminats de les sals, solucions acides i alcalines, respectivament. No obstant aixo, la tecnologia EOBM encara s'ha de millorar per reduir les elevades despeses energetiques i augmentar la concentraci6 dels productes. L'EOBM continua sent una tecnologia no escalable que requerei x mes investigació i estudi per poder competir amb tecnologies ben establertes per produir solucions acides/alcalines a partir de salmorres, inclosa la tecnologia cloro-alcalina. Per tant, cal investigar els processos de transferencia de massa en sistemes complexos com els que impliquen EOBM amb solucions d'alta composici6 salina. A mes, hi ha un nombre limitat de membranes bipolars i poca informaci6 sobre el comportament de les membranes en solucions concentrades. En aquest context, aquesta tesi preten dur a terme una avaluació extensa de la producció de solucions acides i alcalines emprant salmorres per mitja d'EOBM. Aixo va implicar des del plantejament de models teòrics basats en CFO fins a dur a terme una exhaustiva campanya experimental emprant solucions sintetiques de salmorres, en la qual nombres parametres operacionals van ser examinats. Es van introduir dos models CFO amb geometria bidimensional: un depenia del temps i l'altre. Tots dos models van buscar estudiar el transport de massa, la distribució de potencial i el fenomen de partició d'aigua. Els resultats, tant dels estudis teorics com dels experiments, van oferir valuoses perspectives sobre com millorar el rendiment d'EOBM i augmentar la seva competitivitat davant les tecnologies populars actuals, cosa que finalment va conduir al creixement i l'expansi6 d'aquesta tecnologia (Español) Las salmueras deben tratarse como residuos y eliminarse en consecuencia. No obstante, las salmueras suelen verterse de nuevo en las masas de agua, lo que afecta al medio marino, a la calidad del suelo y a las aguas subterraneas. Sin embargo, merece la pena seguir investigando los posibles beneficios y aplicaciones de estas salmueras. Ademas de la elevada concentracion de sal (NaCl), pueden encontrarse algunos elementos importantes, como Materias Primas Fundamentales (por ejemplo, Li, Sr, Ga, Ge). Esto ha aumentado el interes por utilizar las salmueras como fuente alternativa para recuperar elementos estrategicos, el gran contenido de electrolitos fuertes (por ejemplo, NaCl y Na2S04) ha abierto la posibilidad de utilizar las salmueras como fuente para producir materias primas qufmicas (por ejemplo, acidos y bases fuertes). En concreto, debido a la naturaleza altamente salina de las salmueras, son muy adecuadas para su uso en procesos de electro-membrana como la electrodialisis con membranas bipolares (EOBM). La EOBM permite generar sustancias qu fmicas a partir de sus sales correspondientes; los protones y los iones hidroxido generados en las membranas bipolares generan, junto con los cationes y los aniones eliminados de las sales, soluciones acidas y alcalinas , respectivamente. Sin embargo, la tecnologfa EOBM aun debe mejorarse para reducir los elevados gastos energeticos y aumentar la concentracion de los productos. La EOBM sigue siendo una tecnologfa no escalable que requiere mas investigacion y estudio para poder competir con tecnologfas bien establecidas para producir soluciones acidas/alcalinas a partir de salmueras, incluida la tecnologfa cloro-alcalina. Por lo tanto, es necesario investigar los procesos de transferencia de masa en sistemas complejos como los que implican EOBM con soluciones de alta composicion salina. Ademas, existe un numero limitado de membranas bipolares y poca informacion sobre el comportamiento de las membranas en soluciones concentradas. En este contexto, la presente tesis pretende llevar a cabo una evaluacion extensa de la produccion de soluciones acidas y alcalinas empleando salmueras por medio de EOBM. Esto implico desde el planteamiento de modelos teoricos basados en CFO hasta llevar a cabo una exhaustiva camparia experimental empleando soluciones sinteticas de salmueras, en la cual numeros parametros operacionales fueron examinados. Se introdujeron dos modelos CFO con geometrfa bidimensional: uno depend fa del tiempo y el otro. Ambos modelos buscaron estudiar el transporte de masa, distribucion de potencial y el fenomeno de particion de agua. Los resultados, tanto de los estudios teoricos como de los experimentos, ofrecieron valiosas perspectivas sobre como mejorar el rendimiento de EOBM y aumentar su competitividad frente a las tecnologfas populares actuales, lo que finalmente condujo al crecimiento y expansion de esta tecnología .