Electrodialysis performance strongly depends on the boundary layer near ion exchange membranes. The thickness of the boundary layer has not been clearly evaluated due to its substantial fluctuation around the spacer geometry. In this study, the boundary layer thickness was defined with three statistical parameters: the mean, standard deviation, and correlation coefficient between the two boundary layers facing across the spacer. The relationship between the current and potential under conditions of the competitive transport between mono- and di-valent cations was used to estimate the statistical parameters. An uncertainty model was developed for the steady-state ionic transport in a two-dimensional cell pair. Faster ionic separations were achieved with smaller means, greater standard deviations, and more positive correlation coefficients. With the increasing flow velocity from 1.06 to 4.24 cm/s in the bench-scale electrodialyzer, the best fit values for the mean thickness reduced from 40 to less than 10 μm, and the standard deviation was in the same order of magnitude as the mean. For the partitioning of mono- and di-valent cations, a CMV membrane was examined in various KCl and CaCl₂ mixtures. The equivalent fraction correlation and separation factor responded sensitively to the composition of the mixture; however, the selectivity coefficient was consistent over the range of aqueous-phase ionic contents between 5 and 100 mN and the range of equivalent fractions of each cation between 0.2 and 0.8. It was shown that small analytic errors in measuring the concentration of the mono-valent cation are amplified when estimating the selectivity coefficient. To minimize the effects of such error propagation, a novel method employing the least square fitting was proposed to determine the selectivity coefficient. Each of thermodynamic factors, such as the aqueous- and membrane-phase activity coefficients, water activity, and standard state, was found to affect the magnitude of the selectivity coefficient. The overlimiting current, occurring beyond the electroneutral limit, has not been clearly explained because of the difficulty in solving the singularly perturbed Nernst-Planck-Poisson equations. The steady-state Nernst-Planck-Poisson equations were converted into the Painlevé equation of the second kind (P[subscript II] equation). The converted model domain is explicitly divided into the space charge and electroneutral regions. Given this property, two mathematical formulae were proposed for the limiting current and the width of the space charge region. The Airy solution of the P[subscript II] equation described the ionic transport in the space charge region. By using a hybrid numerical scheme including the fixed point iteration and Newton Raphson methods, the P[subscript II] equation was successfully solved for the ionic transport in the space charge and electroneutral regions as well as their transition zone. Above the limiting current, the sum of the ionic charge in the aqueous-phase electric double layer and in the space charge region remains stationary. Thus, growth of the space charge region involves shrinkage of the aqueous-phase electric double layer. Based on this observation, a repetitive mechanism of expansion and shrinkage of the aqueous-phase electric double layer was suggested to explain additional current above the limiting current. / text

La presente Tesis Doctoral consiste en la determinación de las propiedades de transporte de diferentes especies catiónicas a través de membranas de intercambio catiónico. Las membranas de intercambio iónico son un componente clave de los reactores electroquímicos y de los sistemas de electrodiálisis, puesto que determinan el consumo energético y la eficiencia del proceso. La utilización de este tipo de membranas para el tratamiento de efluentes industriales no es muy extendida debido a los requisitos de elevada resistencia química y durabilidad que deben cumplir las membranas. Otro asunto importante radica en la eficiencia en el transporte de los iones que se quieren eliminar a través de la membrana. Normalmente, existe una competencia por el paso a través de las membranas entre diferentes especies debido al carácter multicomponente de los efluentes a tratar. Sin embargo, una mejora en las propiedades de las membranas de intercambio iónico permitiría la implantación del tratamiento mediante reactores electroquímicos de efluentes industriales con un contenido importante en compuestos metálicos, tales como los baños agotados de las industrias de cromado. La utilización de una tecnología limpia como la electrodiálisis conllevaría diferentes ventajas, entre las cuales destacan la recuperación de los efluentes para su reutilización en el proceso industrial, el ahorro en el consumo de agua y la disminución de la descarga de contaminantes al medio ambiente. La determinación de las condiciones de operación óptimas así como la mejora de las propiedades de transporte de las membranas constituye el principal tema de la presente investigación. Para ello, se emplearán diferentes tipos de membrana. En primer lugar, se estudiará el comportamiento de las membranas poliméricas comerciales que poseen unas propiedades de resistencia química elevadas, las cuales se tomarán como referencia. De forma paralela, se producirán membranas conductoras de iones a partir de materiales cerámicos económicos, ya que la resistencia de los materiales cerámicos a sustancias oxidantes y muy ácidas es mayor que la de los materiales poliméricos. Este punto constituye la parte más innovadora de la investigación, puesto que la mayoría de las membranas de intercambio iónico comerciales están basadas en materiales poliméricos que no pueden resistir las condiciones específicas de los efluentes industriales. Una vez determinadas las condiciones de operación óptimas, se realizarán ensayos en plantas piloto con el fin de confirmar los resultados obtenidos mediante las técnicas de caracterización y determinar el grado de recuperación y coste energético asociado a los procesos electrodialíticos de tratamiento de efluentes industriales. / Martí Calatayud, MC. (2014). STUDY OF THE TRANSPORT OF HEAVY METAL IONS THROUGH CATION-EXCHANGE MEMBRANES APPLIED TO THE TREATMENT OF INDUSTRIAL EFFLUENTS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/46004 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales