الکترودیالیز- مبانی کارکرد

الکترودیالیز

الکترودیالیز یک فرایند جداسازی یونها از محلول از طریق غشای نیمه تراوا در بستر میدان الکتریکی است که در نمک زدایی و شیرین سازی آبهای شور کاربرد دارد.

فرایند الکترودیالیز یک روش صنعتی برای تصفیه آب در جهان است. در الکترودیالیز از غشاهایی استفاده می­شود که طبیعتی همانند رزین­های تعویض یونی دارند. رزین­های تعویض یونی بصورت دانه ای هستند اما غشاها به صورت صفحه ای بوده و مقاومت مکانیکی خوبی هم دارند.

اگر گروه یونی غشا دارای بار منفی باشد، آن را غشا کاتیونی میگویند. غشاهای کاتیونی نسبت به کاتیون تراوا می باشند یعنی فقط کاتیون­ها می توانند از غشا عبور کنند.

اما اگر گروه یونی غشا دارای بار مثبت باشد آن را غشا آنیونی میگویند. فقط آنیون­ها می توانند از غشا آنیونی عبور کنند.

اصول کار الکترودیالیز

"<yoastmark

اصول فرایند الکترودیالیز در شکل بالا نشان داده شده است. اگر آند و کاتد به یک منبع برق مسقیم وصل شوند، اختلاف ولتاژ آند و کاتد باعث میشود که کاتیونها به طرف کاتد و آنیون ها به سمت آند حرکت کنند. فضای شامل دو غشا غیرهمنام (آنیونی و کاتیونی) را یک سل مینامند.

نکات قابل توجه در الکترودیالیز عبارتند از:

  1. عامل تصفیه در الکترودیالیز جریان برق مستقیم است.
  2. هرچه فاصله سل کمتر باشد مقاومت الکتریکی کمتر می شود و در نتیجه در هزینه برق صرفه جویی می شود.
  3. هرچه فاصله سل ها کمتر باشد برای تصفیه مقدار معینی آب به تعداد سل های بیشتری نیاز است. در عمل نیز یک دستگاه الکترودیالیز ممکن است تا حدود ۵۰۰ جفت سل داشته باشد.
  4. هرچه تعداد یون های آب تصفیه شده کمتر باشد (آب خالص تر باشد) مقاومت الکتریکی بیشتر می شود و هزینه برق افزایش می یابد. بنابراین تهیه آب کاملا خالص و بدون یون ناخالصی با الکترودیالیز عملا غیراقتصادی می باشد زیرا که مقاومت الکتریکی آب مقطر بسیار زیاد است.
  5. در الکترودیالیز فقط می توان یونهای آب را کاهش داد. بنابراین ذرات معلق بدون بار و یا رنگ آب را نمی توان با الکترودیالیز بهبود بخشید.
  6. شدت جریان لازم در الکترودیالیز مستقیما بستگی به تعداد یون هایی دارد که از غشاها عبور میکند و برابر با رابطه ی زیر است. ( Q معرف دبی حجمی آب خام و ΔC معرف اختلاف غلظت يون ها بین آب خام و آب تصفیه شده است، ξ بازده جریان برق مصرفی، Z ظرفيت يون و F ثابت فارادی است که برابر با ۹۶۵۰۰ کولمب به ازاء هر گرم اکی والان است. بازده جریان برق مصرفی مستقیما بستگی به تعداد جفت سل های الکترودیالیز دارد) شدت جریان لازم در الکترودیالیز:
  7. انرژی الکتریکی مصرفی الکترودیالیز از رابطه زیر بدست می آید که در آن n تعداد جفت سل، I شدت جریان، R مقاومت هر جفت سل، Z ظرفیت یون منتقل شده، t زمان کار و بقیه علائم همان مفاهیم سابق را دارند:

انرژی الکتریکی مصرفی الکترودیالیز

۸٫ باید توجه داشت که مقاومت یک جفت سل بستگی به غلظت یونهای آب خام و آب تصفیه شده دارد. هرچه تعداد یونهای آب تصفیه شده کمتر باشد مقاومت بیشتر میشود و مقدار مقاومت الکتریکی هرجفت سل برای آبهای معمولی حدود ۵-۵۰۰ اهم سانتی متر مربع است.

حداکثر جریان و بازده شدت جریان در الکترودیالیز

حداکثر جریانی که ممکن است از غشا الكترودیالیز بگذرد بدون آن که اثر منفی روی کار دستگاه داشته باشد (یعنی مقاومت الکتریکی را افزایش ندهد و یا اینکه بازده جریان کاهش نیابد) اهمیت زیادی دارد. دو عامل مهمی که روی حداکثر جریان اثر دارند عبارتند از :

  1. غلظت یونها در آب تصفیه شده
  2. پدیده پلاریزاسیون غلظتی

یونهای داخل محلول عامل عبور جریان برق از غشا هستند. بنابراین اگر شدت جریان زیاد شود و به اندازه کافی کاتیون نباشد که از غشا عبور کند، در آن صورت جریان برق صرف تجزیه آب شده و +H تولیدی از غشا عبور کرده و OH در قسمت آب تصفیه شده باقی می ماند که منجر به افزایش شدید pH شده و حتی می تواند باعث صدمه زدن به جنس غشا گردد.

واضح است که مصرف برق برای تجزیه آب مطلوب نبوده و در واقع باعث تولید محصول فرعی و در نتیجه کاهش بازده جریان برق می شود.

البته این مسئله قابل توجه است که تجزیه آب توسط جریان برق مقاومت زیادی را طلب میکند، یعنی در چنین شرایطی مقاومت الکتریکی محلول زیاد شده و اختلاف ولتاژ دو طرف سل به شدت افزایش می یابد.

حداکثر جریان مجاز در الکترودیالیز موقعی است که غلظت کاتیون ها در سطح غشا به صفر برسد. بنابراین در الکترودیالیز وقتی شدت جریان دستگاه از حداکثر جریان مجاز بیشتر شود، بازده فرآیند به شدت کاهش می یابد، چون مقاومت الکتریکی بسیار زیاد می شود.

انتظار داریم که در حداکثر جریان مجاز تغییر ناگهانی هم در مقاومت الکتریکی و هم در pH آب تصفیه شده داشته باشیم. حداکثر جریان، تعیین کننده حداقل سطح غشا الکترودیالیز است.

بازده جریان برق معرف کسری از کل جریان برق مصرفی است که واقعا صرف حرکت یونهای ناخالصی شده است. بازده جریان برق همیشه کمتر از ۱۰۰٪ می باشد زیرا :

  • انتخابگری غشاها صد در صد نیست و ممکن است به طور مثال تعداد معدودی آنیون هم بتواند از غشا کاتیونی عبور کند. بنابراین غشا الكترودیالیز، تراوا نسبت به یونهای با بار مخالف (ناهمنام) و تقریبا کاملا ناتراوا نسبت به یونهای با باریکسان (همنام) با گروههای باردار روی سطح غشا می باشد. اما اگر غلظت يون ها در آب ورودی به الكترودیالیز زیاد بوده و قابل مقایسه با غلظت گروههای باردار موجود در سطح غشا باشد، آنگاه یونهای با بار یکسان (همنام) هم می توانند از غشا عبور کنند و درواقع قدرت گزینش پذیری غشا کاهش می یابد.
  • عبور ملکولهای آب به همراه یونهای ناخالصی از غشا
  • جریان برق اتلافی از قسمتهای دیگر الكترودیالیز بجز غشا

حداقل سطح غشا از رابطه زیر محاسبه می شود:

حداقل سطح غشا

که در آن A حداقل سطح مؤثر غشا،  Q دبی آب تصفیه شده،  اختلاف غلظت یونهای آب ورودی و آب تصفیه شده، n تعداد جفت سل، i شدت جریان برق که باید حدود ۸۰٪ حداکثر شدت جریان باشد و ε بازده جریان برق مصرفی است. لازم به ذکر است که سطح غشا مورد نیاز اغلب خیلی بیشتر از حداقل سطح غشا می باشد.

مشکلات واحدهای الکترودیالیز

همانطور که قبلا ذکر شد، غشا الکترودیالیز از جنس رزین های تعویض یونی می باشد. با توجه به آن که خواص مکانیکی و نیز انبساط و انقباض رزين ها با غلظت محیط، دما و حتی نوع یون دستخوش تغییر می­گردد و اینکه غشاهای الکترودیالیز عموما به صورت صفحاتی با طول حدود ۲۰۰۰ میلیمتر می باشند، می توان حجم مشکلات ایجاد شده را تصور کرد. برای کاهش اینگونه مشکلات است که امروزه معمولا همه غشاها را به صورت صفحات مشبک بافته شده می سازند تا استحکام کافی داشته باشند.

معمولا اطلاعاتی که توسط سازنده غشا در اختیار خریدار قرار میگیرد، گمراه کننده است. بعنوان مثال مقاومت الکتریکی کمی که گزارش میکنند در شرایط محلولهای غلیظ و با برق متناوب با فرکانس خیلی بالا اندازه گیری شده است در حالی که در الکترودیالیز باید از جریان برق مستقیم استفاده کرد.

غشاهای تازه مخصوصا برای آب های نیمه شور دارای درجه گزینش پذیری بالایی هستند و کاهش درجه گزینش پذیری معمولا بعلت ایجاد سوراخ­های سوزنی در غشا می باشد که از این منافذ، یون­ها و همچنین ملکول­های آب عبور میکنند.

همانگونه که ذکر شد حداکثر جریان بستگی به غلظت ناخالصی در آب تصفیه شده دارد و هرچه آب تصفیه شده خالص تر باشد حداکثر جریان، کمتر خواهد شد. چون مقاومت الکتریکی محلول بیشتر می شود و بالطبع هزینه برق مصرفی افزایش خواهد یافت.

با فرض اینکه TDS آب ورودی ppm ۴۰۰۰ باشد و برای آنکه TDS آب خروجی مطلوب (تصفیه شده) به ppm ۵۰ کاهش یابد، انتخاب­های مختلفی وجود دارد.

می توان سلی را انتخاب کرد که سطح غشا آن بقدری باشد که بتواند این کاهش T.D.S را ممکن سازد و یا می توان از سه دستگاه الکترودیالیز با سطح غشایی برابر ثلث غشا لازم، استفاده کرد و یا اینکه با برگشت دادن قسمتی از آب تصفیه شده، فقط از یک دستگاه الکترودیالیز استفاده کرد. یکی از سه روش به عنوان روش برتر، بسیار مشکل می باشد.

  • هرچند که ساده است ولی برای واحدهای کوچک اقتصادی نیست و بعلاوه مشکل افت فشار وجود دارد.
  • احتیاج به پمپ اضافی دارد و هرچند که کنترل آن آسانتر است اما مقدار جریان برق مصرفی در شروع زیاد است.
  • مناسب نیست چون با رقیق کردن غلظت ناخالصی ها در ورود به الکترودیالیز، عملا مزیت کم بودن مقاومت الکتریکی (هدایت بالای محلول) حذف می شود (به این علت که کاهش يونها باعث افزایش مقاومت می شود.) اما همیشه توجه داشته باشید که هرچه غشا در شرایط راحت تری باشد کارآیی بیشتر دارد. مثلا اختلاف زیاد غلظت دو طرف غشا مطلوب نیست.

مشکل دیگر، الکترودهای دستگاه الکترودیالیز می باشد. در کاتد گاز هیدروژن و سود تولید می شود، از این­رو لازم است با جریان جداگانه ای که اسیدی است، سود تولیدی را خنثی نمود تا تمایل به رسوب گذاری کاهش یابد. در آند گاز کلر تولید می شود. از اینرو لازم است که در الکترود با هم مرتبط نباشند تا خطر انفجار پیش نیاید. اختلاف ولتاژ دو سر هر سل حدود دو ولت می باشد بنابراین برای یک دستگاه الکترودیالیز با ۲۰۰ جفت سل به جریان برق مستقیم با ۴۰۰ ولت نیاز می باشد که چنین ولتاژی کاملا خطر آفرین است. پس باید به گونه ای جدی مراقب بود که دستگاه و همچنین زمین با محلولهای هادی مرطوب نشود و محیط کاملا از نظر الکتریکی عایق باشد. جریان­های سرگردان در اطراف دستگاه الکترودیالیز می توانند باعث خوردگی شدید شوند و بنابراین لازم است که اتصال به زمین همواره مورد بازبینی قرار گیرد.

سه انتخاب برای تهیه آب شیرین از شور در الکترودیالیز
سه انتخاب برای تهیه آب شیرین از شور در الکترودیالیز

 

باید توجه داشت که هرچه محیط اطراف غشا یکنواخت تر باشد، عمر غشا بیشتر می باشد. یکنواختی چه از نظر غلظت يون ها و چه از نظر شدت جریان برق و همچنین از نظر فشار مکانیک اعمال شده به نقاط مختلف غشا، اهمیت زیادی دارد.

کاربردهای الکترودیالیز در شیرین سازی آبهای شور 

اسمز معکوس متداول ترین فرایند شیرین سازی آبهای شور است. ولی فرایند الکترودیالیز نیز در شیرین کردن آبهای نیمه شور کاربرد دارد. معمولاً الکترودیالیز برای تغلیظ آب شور دستگاه اسمز معکوس استفاده می شود؛ زیرا یکی از ویژگیهای الکترودیالیز این است که می­تواند آب شور را تا ۲۰٪ وزنی تغلیظ کند بدون آنکه بالا بودن غلظت نمک روی هزینه فرآیند اثر محسوسی داشته باشد. از این ویژگی الکترودیالیز همچنین در تهیه نمک طعام استفاده می شود. یک روش موفق برای جلوگیری از ایجاد رسوب و در نتیجه بوجود آمدن پولاریزاسیون غلظتی روی غشاها، تغيير قطبهای آند و کاتد بطور متناوب است. این تغییر متناوب قطبها موجب حل شدن رسوبهای موجود روی غشا می شود. برای آن که تناوب در تغییر قطبها روی تمیزی غشا مؤثر باشد لازم است که دوره تناوب طولانی باشد.

یکی دیگر از مهم ترین کاربردهای الکترودیالیز تهیه آب فوق العاده خالص است. همانطور که میدانید خالص ترین آب را با استفاده از بستر رزین های مختلط تهیه میکنند اما در این روش مشکل احیای رزین پیش می آید. در شکل زیر که تلفیقی از رزین های تعویض یونی مختلط و الکترودیالیز می باشد، می توان آب فوق العاده خالص تهیه کرد. دیده می شود که یون های آزاد شده در واحد تعویض یونی مختلط به کمک جریان برق از محیط رانده می شود و عملا با الکترودیالیز نیازی به استفاده از مواد شیمیایی برای احیاء بستر رزین نیست.

اصول کار  رزین ها یونی با الکترودیالیز
اصول کار رزین ها یونی با الکترودیالیز

شرکت مهندسی فرایند و انرژی فران طراح و تولید کننده انواع واحدهای تصفیه آب صنعتی با فرایندهای مختلف می باشد. شرکت مهندسی فران علاوه بر مهندسی و ساخت آب شیرین کن های صنعتی، تأمین کننده ممبرانهای اسمز معکوس، رزینهای آنیونی و رزینهای کاتیونی از برندهای معتبر جهانی است.

  • برگرفته از کتاب اصول تصفیه آب تالیف دکتر محمد چالکش امیری