Der Bedarf an effizienten Entsalzungsprozessen für die Trink- und Prozesswasseraufbereitung wächst stetig, da der Süßwasserverbrauch weltweit steigt während gleichzeitig die Qualität und Quantität der Süßwasserressourcen sinken. Ionenselektive Entsalzungsprozesse sind geeignete Verfahren, wenn eine Vollentsalzung nicht notwendig ist oder eine gezielte Wertstoffrückgewinnung aus salinen Wässern ermöglicht werden soll. Derzeit werden in der Forschung hauptsächlich Membran- oder Adsorptionsprozesse untersucht um die Materialeigenschaften und Prozessparameter für die geforderte spezifische Ionenselektivität anzupassen.
Innerhalb vom BMBF geförderten Verbundprojekt innovatION (02WV1572A) werden selektive Ionenaustauschermembranen entwickelt und in der kapazitiven Deionisation eingesetzt um selektiv monovalente Ionen wie Natrium, Chlorid und Nitrat aus leicht salinen Grundwässern (TDS< 5 g/L) zu entfernen. Bei der monovalent selektiven membrangestützten kapazitiven Deionisation (engl.: monovalent Membrane Capacitive Deionisation (mMCDI)) werden durch die Erzeugung eines elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen zwei kapazitiven Elektroden bevorzugt monovalente Ionen, welche die selektive Anionen- und Kationenaustauschermembran passieren können, an der elektrochemischen Doppelschicht der Elektroden adsorbiert. Somit entsteht ein partiell entsalztes Produktwasser, welches eine geringere Konzentration an monovalenten Ionen enthält und dank der bestehenden Konzentration an polyvalenten Ionen, wie Calcium und Magnesium als Trinkwasser, Bewässerung oder für die Grundwasseranreicherung ohne eine zusätzliche Remineralisierung genutzt werden kann. Elektrochemische Membranprozesse sind für die selektive Entsalzung besonders geeignet, da das Produktwasser - durch die in diesem Fall verbleibenden polyvalenten Ionen - einen geringen elektrischen Widerstand aufweist.
In den Laborversuchen mit synthetischen und realen Wässern zeigt sich, dass die selektive Entsalzungsleistung von der Konzentration und der Zusammensetzung des salinen Wassers, der eingesetzten elektrischen Spannung und der Durchflussrate abhängig ist. Der Energiebedarf ist hautsächlich von dem Desorptionsprozess abhängig, bei dem die Elektrodenoberfläche für den folgenden Adsorptionsschritt wieder regeneriert wird. Hierbei kann der Durchfluss verringert werden um ein hochkonzentriertes Konzentrat zu erhalten und somit die Produktivität des Prozesses zu steigern. Je nach eingesetzter Feedkonzentration und Prozessparametern kann der spezifische Energiebedarf < 2 kWh/m³ betragen. Ein weiterer innovativer Ansatz besteht darin, zukünftig die Adsorption- und Desorptionszeit automatisch durch eine Regelung an den individuellen Prozess anzupassen um zusätzlich den Energiebedarf zu reduzieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die mMCDI ein geeignetes energieeffizientes Verfahren für die selektive Entsalzung ist und flexibel auf Veränderungen der zur Verfügung stehenden Energie, der Feedkonzentration und geforderten Produktquantität und -qualität reagieren kann.