الکترودیالیز

نموداری از یک سلول الکترودیالیز

الکترودیالیز (ED) برای انتقال یون‌های نمک از یک محلول به محلول دیگر از طریق غشای تبادل یونی تحت تأثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال‌شده استفاده می‌شود. این فرایند در پیکربندی خاصی به نام سلول الکترودیالیز انجام می‌گیرد. سلول شامل یک محفظه خوراک (رقیق) و یک محفظه غلیظ (آب‌نمک) است که توسط یک غشای تبادل یون (آنیونی) و یک غشای تبادل یون (کاتیونی) که بین دو الکترود قرار گرفته‌اند، تشکیل می‌شود. در تقریباً تمام فرایندهای عملی الکترودیالیز، چندین سلول الکترودیالیز در پیکربندی خاصی به نام «استک» (پشته) الکترودیالیز چیده می‌شوند، به‌طوری‌که غشاهای تبادل آنیونی و کاتیونی به‌صورت متناوب، سلول‌های متعدد الکترودیالیز را تشکیل می‌دهند. فرایندهای الکترودیالیز با تکنیک‌های تقطیر و سایر فرایندهای مبتنی بر غشا (مانند اسمز معکوس (RO)) تفاوت دارند؛ زیرا در الکترودیالیز، گونه‌های حل‌شده از جریان خوراک خارج می‌شوند، در حالی که در سایر فرایندها، آب از مواد باقی‌مانده جدا می‌شود. از آنجا که مقدار گونه‌های حل‌شده در جریان خوراک بسیار کمتر از مقدار سیال است، الکترودیالیز در بسیاری از کاربردها مزیت عملیِ بازیابی بسیار بالاتر خوراک را ارائه می‌دهد.[۱][۲][۳][۴][۵][۶][۷]

روش

در یک استک الکترودیالیز، جریان خوراک رقیق (D)، جریان آب‌نمک یا غلیظ (C) و جریان الکترود (E) اجازه می‌یابند تا از میان محفظه‌های سلولی مناسب که توسط غشای تبادل یونی تشکیل شده‌اند، عبور کنند. تحت تأثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی، یون‌های دارای بار منفی (مانند کلرید) در جریان رقیق به سمت آند با بار مثبت مهاجرت می‌کنند. این یون‌ها از غشای تبادل آنیونی با بار مثبت عبور می‌کنند، اما توسط غشای تبادل کاتیونی با بار منفی از مهاجرت بیشتر به سمت آند بازداشته می‌شوند و بنابراین در جریان C باقی می‌مانند که با آنیون‌ها غلیظ می‌شود. گونه‌های دارای بار مثبت (مانند سدیم) در جریان D به سمت کاتد با بار منفی مهاجرت کرده و از غشای تبادل کاتیونی با بار منفی عبور می‌کنند. این کاتیون‌ها نیز در جریان C باقی می‌مانند و توسط غشای تبادل آنیونی با بار مثبت از مهاجرت بیشتر به سمت کاتد بازداشته می‌شوند.[۸] در نتیجه مهاجرت آنیون‌ها و کاتیون‌ها، جریان الکتریکی بین کاتد و آند برقرار می‌شود. تنها تعداد برابری از معادل‌های بار آنیونی و کاتیونی از جریان D به جریان C منتقل می‌شوند و بنابراین تعادل بار در هر جریان حفظ می‌گردد. نتیجه کلی فرایند الکترودیالیز، افزایش غلظت یون در جریان غلیظ و کاهش یون‌ها در جریان خوراک محلول رقیق است.

جریان E، جریان الکترود است که از کنار هر الکترود در استک عبور می‌کند. این جریان ممکن است ترکیبی مشابه جریان خوراک (مانند سدیم کلرید)‌داشته باشد یا یک محلول جداگانه حاوی گونه‌های متفاوت (مانند سدیم سولفات) باشد.[۵] جریان E معمولاً برای جلوگیری از کاهش و/یا اکسیداسیون یون‌های نمکِ موجود در خوراک در صفحات الکترود استفاده می‌شود. بسته به پیکربندی استک، آنیون‌ها و کاتیون‌ها از جریان الکترود ممکن است به جریان C منتقل شوند، یا آنیون‌ها و کاتیون‌ها از جریان D ممکن است به جریان E منتقل شوند. در هر مورد، این انتقال برای برقراری جریان در سراسر استک و حفظ خنثی بودن الکتریکی محلول‌های استک ضروری است.</ref>

واکنش‌های آند و کاتد

واکنش‌ها در هر الکترود رخ می‌دهند. در کاتد،[۳]

2e− + 2 H2O → H2 (g) + 2 OH−

در حالی که در آند،[۳]

H2O → 2 H+ + ⁠1/2⁠ O2 (g) + 2e− یا 2 Cl− → Cl2 (g) + 2e−

مقادیر کمی گاز هیدروژن در کاتد و مقادیر کمی گاز اکسیژن یا کلر (بسته به ترکیب جریان E و آرایش غشای تبادل یونی انتهایی) در آند تولید می‌شود. این گازها معمولاً متعاقباً دفع می‌شوند، زیرا پساب جریان E از هر محفظه الکترود برای حفظ پی‌اچ خنثی با هم ترکیب شده و تخلیه یا به یک مخزن E جداگانه بازگردانی می‌شود. با این حال، برخی منابع پیشنهاد کرده‌اند که گاز هیدروژن برای استفاده در تولید انرژی جمع‌آوری شود.

بازده

بازده جریان، معیاری برای سنجش میزان اثربخشی انتقال یون‌ها از میان غشاهای تبادل یونی برای یک جریان الکتریکی اعمال‌شده معین است. به‌طور معمول، بازده جریان بیش از ۸۰٪ در استک‌های تجاری برای به حداقل رساندن هزینه‌های عملیاتی انرژی مطلوب است. بازده جریان پایین نشان‌دهنده وقوع شکافت آب در جریان‌های رقیق یا غلیظ، جریان‌های شنت بین الکترودها، یا پدیده انتشار معکوس یون‌ها از جریان غلیظ به جریان رقیق است.

بازده جریان طبق فرمول زیر محاسبه می‌شود:[۹]:

که در آن:

: = بازده بهره‌وری جریان

= بار یون

= ثابت فارادی، ۹۶٬۴۸۵ آمپر-ثانیه/مول

= نرخ جریان رقیق، لیتر/ثانیه

= غلظت ورودی سلول ED رقیق، مول/لیتر

= غلظت خروجی سلول ED رقیق، مول/لیتر

= تعداد جفت‌سلول‌ها

= جریان، آمپر.

بازده جریان به‌طور کلی تابعی از غلظت خوراک است.[۱۰]

از آنجا که الکترودیالیز با انتقال یون‌های نمک از کانال‌های رقیق به کانال‌های غلیظ کار می‌کند، با افزایش غلظت نمک خوراک، مصرف انرژی به‌شدت افزایش می‌یابد. نمک‌زدایی آب دریا معمولاً با اسمز معکوس از نظر انرژی کارآمدتر از الکترودیالیز است. با این حال، برای جریان‌های آبی با غلظت نمک کمتر، الکترودیالیز ممکن است کارآمدترین فرایند از نظر انرژی باشد. علاوه بر این، جریان‌های آبی با غلظت نمک بسیار بالا که توسط اسمز معکوس قابل جداسازی نیستند، می‌توانند توسط الکترودیالیز تا غلظت‌های نزدیک به اشباع تغلیظ شوند. این امر برای تصفیه‌های تخلیه مایع صفر بسیار مفید است و در مقایسه با تبخیر، کاهش مصرف انرژی را فراهم می‌کند.

کاربردها

در عمل، سیستم‌های الکترودیالیز می‌توانند به‌عنوان فرایندهای تولید پیوسته یا تولید دسته‌ای اجرا شوند. در یک فرایند پیوسته، خوراک از تعداد کافی استک که به‌صورت سری قرار گرفته‌اند عبور داده می‌شود تا کیفیت محصول نهایی مورد نظر تولید شود. در فرایندهای دسته‌ای، جریان‌های رقیق و/یا غلیظ تا زمانی که کیفیت محصول یا غلظت نهایی حاصل شود، در سیستم‌های الکترودیالیز بازگردانی می‌شوند.

الکترودیالیز معمولاً برای یون‌زدایی محلول‌های آبی به کار می‌رود. با این حال، نمک‌زدایی محلول‌های آبی کم‌رسانا و ترکیبات آلی نیز امکان‌پذیر است. برخی از کاربردهای الکترودیالیز عبارتند از:[۲][۴][۵]

کاربرد اصلی الکترودیالیز از نظر تاریخی، نمک‌زدایی از آب لب‌شور یا آب دریا به عنوان جایگزینی برای اسمز معکوس جهت تولید آب آشامیدنی و تغلیظ آب دریا برای تولید نمک (عمدتاً در ژاپن)‌بوده است. [۴] در تولید معمول آب آشامیدنی بدون نیاز به بازیابی بالا، به‌طور کلی تصور می‌شود که اسمز معکوس زمانی که کل مواد جامد محلول (TDS) برابر با ۳٬۰۰۰ بخش در میلیون (ppm) یا بیشتر باشد، مقرون‌به‌صرفه‌تر است؛ در حالی که الکترودیالیز برای غلظت‌های ورودی TDS کمتر از ۳٬۰۰۰ ppm یا زمانی که بازیابی بالای خوراک مورد نیاز باشد، مقرون‌به‌صرفه‌تر است.

یکی دیگر از کاربردهای مهم الکترودیالیز، تولید آب خالص و آب فوق‌خالص توسط الکترودیونیزاسیون (EDI) است. در EDI، محفظه‌های تصفیه و گاهی محفظه‌های تغلیظ در پشته الکترودیالیز با رزین تبادل یونی پر می‌شوند. هنگامی که خوراک با TDS پایین (مانند خوراک تصفیه‌شده توسط اسمز معکوس) وارد می‌شود، محصول می‌تواند به سطوح بسیار بالایی از خلوص (مثلاً ۱۸ مگااهم-سانتی‌متر) برسد. رزین‌های تبادل یونی برای حفظ یون‌ها عمل می‌کنند و اجازه می‌دهند این یون‌ها از طریق غشاهای تبادل یونی منتقل شوند. کاربرد اصلی سیستم‌های EDI در صنایع الکترونیک، داروسازی، تولید برق و کاربردهای برج خنک‌کننده است.

الکترودیالیز می‌تواند با ورودی انرژی متناوب و تغییرات ولتاژ سازگار شود، بنابراین می‌توان آن را به‌راحتی به منابع برق تجدیدپذیر متصل کرد [۱۴]

الکترودیالیز انتخابی

الکترودیالیز انتخابی از غشاهای تبادل یونی انتخابی استفاده می‌کند تا تنها برخی از یون‌ها را تغلیظ کند، در حالی که سایر گونه‌ها در کانال رقیق باقی می‌مانند. الکترودیالیز انتخابی معمولاً با استفاده از غشاهای تبادل آنیونی و/یا کاتیونی تک‌ظرفیتی انجام می‌شود که تنها اجازه مهاجرت آنیون‌ها یا کاتیون‌های تک‌ظرفیتی را می‌دهند. این امر زمانی مفید است که تنها نیاز به جداسازی یون‌های تک‌ظرفیتی باشد که باعث کاهش مصرف برق و زمان نمک‌زدایی می‌شود. [۱۵] برای مثال، این روش برای آب آبیاری مفید است. کاتیون‌های تک‌ظرفیتی (مانند +Na، -Cl) معمولاً برای محصولات کشاورزی مضر هستند، در حالی که بیشتر یون‌های دوظرفیتی (+2Ca، +2Mg، -2SO4) مواد مغذی مفیدی برای گیاهان محسوب می‌شوند. بنابراین، الکترودیالیز انتخابی تک‌ظرفیتی می‌تواند آبی با ترکیب ایده‌آل برای کشاورزی فراهم کند و نیاز به کودهای معدنی را کاهش دهد. [۱۶]

محدودیت‌ها

الکترودیالیز محدودیت‌های ذاتی دارد و در حذف اجزای یونی با جرم مولی پایین از جریان خوراک بهترین عملکرد را دارد. گونه‌های بدون بار، با جرم مولی بالاتر و گونه‌های یونی با تحرک کمتر، معمولاً به‌طور قابل‌توجهی حذف نمی‌شوند. همچنین، برخلاف اسمز معکوس، الکترودیالیز زمانی که غلظت‌های بسیار پایین نمک در محصول مورد نیاز باشد و با خوراک‌هایی که رسانایی کمی دارند، صرفه اقتصادی کمتری پیدا می‌کند: چگالی جریان محدود می‌شود و بازده استفاده از جریان معمولاً با کاهش غلظت نمک خوراک کاهش می‌یابد و با وجود یون‌های کمتر در محلول برای حمل جریان، هم انتقال یون و هم بازده تبدیل انرژی به‌شدت کاهش می‌یابد. در نتیجه، برای برآورده کردن نیازهای ظرفیتی برای محلول‌های خوراک با غلظت پایین (و رسانایی کم)، به سطوح غشایی نسبتاً بزرگی نیاز است. سیستم‌های نوآورانه‌ای برای غلبه بر محدودیت‌های ذاتی الکترودیالیز (و اسمز معکوس) در دسترس هستند؛ این سیستم‌های یکپارچه به‌صورت هم‌افزا عمل می‌کنند، به‌طوری که هر زیرسیستم در محدوده بهینه خود کار می‌کند و کمترین هزینه‌های عملیاتی و سرمایه‌ای کلی را برای یک کاربرد خاص فراهم می‌آورد. [۱۷]

همانند اسمز معکوس، سیستم‌های الکترودیالیز ممکن است به پیش‌تصفیه خوراک نیاز‌داشته باشند تا گونه‌هایی که سطح غشاهای تبادل یونی را می‌پوشانند، روی آن رسوب می‌کنند یا به اصطلاح «گرفتگی» ایجاد می‌کنند، حذف شوند. این گرفتگی کارایی سیستم الکترودیالیز را کاهش می‌دهد. گونه‌های نگران‌کننده شامل کلسیم و منیزیم (سختی آب)، مواد جامد معلق، سیلیس و ترکیبات آلی هستند. از رسوب‌زدایی می‌توان برای حذف سختی استفاده کرد و از میکرومتر یا فیلتراسیون چندرسانه‌ای برای حذف مواد جامد معلق بهره برد. سختی آب به‌ویژه نگران‌کننده است زیرا رسوب می‌تواند روی غشاها ایجاد شود. با این حال، الکترودیالیز می‌تواند غلظت‌های بالاتری از این عوامل گرفتگی را نسبت به اسمز معکوس تحمل کند. علاوه بر این، غشاهای الکترودیالیز به دلیل شکل مستطیلی، می‌توانند از پشته خارج و تمیز شوند، در حالی که غشاهای اسمز معکوس به دلیل هندسه مارپیچی خود نمی‌توانند به این روش تمیز شوند. مواد شیمیایی مختلفی نیز برای کمک به جلوگیری از رسوب‌گذاری در دسترس هستند. همچنین، سیستم‌های الکترودیالیز معکوس سعی می‌کنند با معکوس کردن دوره‌ای جریان‌های رقیق و غلیظ و قطبایی الکتریکی الکترودها، رسوب‌گذاری را به حداقل برسانند.

جستارهای وابسته

پانویس

  1. ↑ Davis, T.A., "Electrodialysis", in Handbook of Industrial Membrane Technology, M.C. Porter, ed., Noyes Publications, New Jersey (1990)
  2. 1 2 Strathmann, H., "Electrodialysis", in Membrane Handbook, W.S.W. Ho and K.K. Sirkar, eds., Van Nostrand Reinhold, New York (1992)
  3. 1 2 3 Mulder, M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer, Dordrecht (1996)
  4. 1 2 3 Sata, T., Ion Exchange Membranes: Preparation, Characterization, Modification and Application, Royal Society of Chemistry, London (2004)
  5. 1 2 3 Strathmann, H., Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, New York (2004)
  6. ↑ "ED - Turning Seawater into Drinking Water". Archived from the original on 2007-02-03. Retrieved 2007-01-17.
  7. ↑ Panagopoulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria (2019-11-25). "Desalination brine disposal methods and treatment technologies - A review". Science of the Total Environment. 693 133545. Bibcode:2019ScTEn.69333545P. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. ISSN 0048-9697. PMID 31374511.
  8. ↑ AWWA, Electrodialysis and Electrodialysis Reversal, American Water Works Association, Denver (1995)
  9. ↑ Shaffer, L., and Mintz, M., "Electrodialysis" in Principles of Desalination, Spiegler, K., and Laird, A., eds., 2nd Ed., Academic Press, New York (1980)
  10. ↑ Current Utilization Efficiency
  11. ↑ Lukin, A; Marayeva, O; Vysotskaya, Y (2020-01-01). "Using electrodialysis technology for regeneration of hydrochloric acid from sour pectin extracts". IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 422 (1) 012080. Bibcode:2020E&ES..422a2080L. doi:10.1088/1755-1315/422/1/012080. ISSN 1755-1307.
  12. ↑ Devda, Viralkunvar; Chaudhary, Kashika; Varjani, Sunita; Pathak, Bhawana; Patel, Anil Kumar; Singhania, Reeta Rani; Taherzadeh, Mohammad J.; Ngo, Huu Hao; Wong, Jonathan W. C.; Guo, Wenshan; Chaturvedi, Preeti (2021-01-01). "Recovery of resources from industrial wastewater employing electrochemical technologies: status, advancements and perspectives". Bioengineered. 12 (1): 4697–4718. doi:10.1080/21655979.2021.1946631. ISSN 2165-5979. PMC 8806852. PMID 34334104.
  13. ↑ Kroupa, Jan; Kotala, Tomáš; Jiříček, Tomáš; Fárová, Hana; Havelka, Jan (2019). "Electrodialysis-based zero liquid discharge in industrial wastewater treatment". Water Science and Technology. 79 (8): 1580–1586. Bibcode:2019WSTec..79.1580H. doi:10.2166/wst.2019.161. PMID 31169516. Retrieved 2023-02-13.
  14. ↑ Fernandez-Gonzalez, C.; Dominguez-Ramos, A.; Ibañez, R.; Irabien, A. (2015-07-01). "Sustainability assessment of electrodialysis powered by photovoltaic solar energy for freshwater production". Renewable and Sustainable Energy Reviews (in English). 47: 604–615. Bibcode:2015RSERv..47..604F. doi:10.1016/j.rser.2015.03.018. ISSN 1364-0321.
  15. ↑ "Model SED - Selective Electrodialysis Technology".
  16. ↑ "Novel Applications of Monovalent Selective Electrodialysis for the Treatment of Irrigation Waters". Prof. Lienhard (in English). 2021. hdl:1721.1/141385.
  17. ↑ Inamuddin (2017-06-01). Applications of Adsorption and Ion Exchange Chromatography in Waste Water Treatment (in English). Materials Research Forum LLC. ISBN 978-1-945291-33-3.

منابع

پیوند به بیرون