Electrodialysis (ED) study for the recovery of short chain charboxylic acids: Mathematical Modeling of the electrochemical process

Abstract

In this thesis, the recovery of four short-chain carboxylic acids (succinic, formic, lactic, acetic acid) was examined via electrodialysis. Ions were able to cross this membrane easily under the applied potential gradient of 0.57 A. The flux of the acids was depended on the initial concentrations. At 10h of the process about 93.2% recovery of succinic acid was achieved when the initial concentrations was 0.25 M. At 6-7 h of process 94.5%, 95.6%, 85.6% for acetic acid, formic acid and lactic acid was recovered, respectively. In addition, the energy consumption and current eficiency values for the recovery of the four carboxylic acids were in between 4.8 - 6.3 kWh/kg and 95.3%, respectively for succinic acid 0.25 M, 8.26 - 10.84 kWh/kg and 74.3% for acetic acid, 4.9 - 6.2 kWh/kg and 71.3% for formic acid and 4.58 - 8.75 kWh/kg and 87.8% for lactic acid. The acid uxes were calculated and we observed that for each acid the ux values (J) have a linear relationship to the electric quantity through the membrane cell and the J values increased at higher concentrations. From the experimental data, a prediction model of the concentration values based on the current and a dynamic model based on the electrodi usion theory was formed. Four equations one for each carboxylic acid are presented for the prediction of acid concentrations. Those equations describe really well the recovery of the four carboxylic acids as we observed when we compared them with the experimental data. Thus, those equations can be very usefull in future experiments as a guide. For succinic acid : R = 10.2 + 4.3/C^0.29 (1) For acetic acid: R = 10.1 + 7.2/C^0.47 (2) For formic acid: R = 10.1 +0.15/C^1.4 (3) For lactic acid: R = 10.3 + 2.06/C^0.7 (4) All the models presented in this thesis were able to fit the experimental data quite well and can be employed for use and prediction of batch electrodialysis for carboxylic acid's recovery. Predictions were made for the concentrations in the anolyte and in the catholyte, for volumes, voltage, power and energy consumption.

Στην μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε η ανάκτηση τεσσάρων καρβοξυλικών οξέων (ηλεκτρικού, μυρμηκικού, γαλακτικού, οξικού οξέος) μέσω ηλεκτροδιαπίδυσης. Τα ιόντα ήταν ικανά να διαπεράσουν την μεμβράνη με ευκολία κάτω από σταθερό δυναμικό (0.57 Α). Η ροή των οξέων εξαρτάτο από την αρχική συγκέντρωση. Στις 10 ώρες της διεργασίας επιτεύχθηκε 93.2% ανάκτηση του ηλεκτρικού οξέος για αρχική συγκέντρωση 0.25 Μ. Στις 6-7 ώρες διεργασίας επιτεύχθηκε 94,5%, 95,6%, 85,6% ανάκτηση οξικού, μυρμηκικού και γαλακτικού οξέος αντίστοιχα. Επί πλέον, η κατανάλωση ενέργειας και η απόδοση του ρεύματος για τις ανωτέρω ανακτήσεις υπολογίστηκε μεταξύ 4.8 - 6.3 kWh/kg και 95.3%, αντίστοιχα για το ηλεκτρικό οξύ. 0.25 M, 8.26 - 10.84 kWh/kg και 74.3% για το οξικό οξύ , 4.9 - 6.2 kWh/kg και 71.3% για το μυρμηκικό οξύ, και 4.58 - 8.75 kWh/kg και 87.8% για το γαλακτικό οξύ. Οι ροές των οξέων υπολογίστηκαν και παρατηρήσαμε ότι για κάθε οξύ η ροή ήταν σταθερή για σταθερές αρχικές συγκεντρώσεις με την πάροδο του χρόνου. Από τα πειραματικά δεδομένα, υπολογίστηκε ένα μαθηματικό μοντέλο πρόβλεψης των τιμών της συγκέντρωσης για κάθε οξύ με βάση τις τιμές του ηλεκτρικού δυναμικού καθώς και ένα μαθηματικό μοντέλο για την περιγραφή της διεργασίας βασισμένο στην θεωρία της ηλεκτροδιάχυσης. Προέκυψαν τέσσερις εξισώσεις μία για κάθε οξύ για την πρόβλεψη της συγκέντρωσης. Οι συγκεκριμένες εξισώσεις προσεγγίζουν αρκετά καλά τις τιμές των συγκεντρώσεων κατά την ανάκτηση των καρβοξυλικών οξέων συγκρινόμενες με τα πειραματικά δεδομένα. Όλα τα μοντέλα που περιγράφονται σε αυτή την εργασία προσεγγίζουν πολύ καλά τα πειραματικά δεδομένα και ως εκ τούτου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της ανάκτησης των καρβοξυλικών οξέων μέσω της διαδικασίας της ηλεκτροδιαπίδυσης. Προβλέψεις έγιναν για τις συγκεντρώσεις των οξέων στον ανολύτη και τον καθολύτη καθώς και για τον υπολογισμό του δυναμικού, των όγκων και της κατανάλωσης ενέργειας.