الکترودیالیز (ED)
جداسازی توسط این فرآیند برمبنا اختلاف پتانسیل الکتریکی و استفاده از غشاهای تبادل گر کاتیونی و آنیونی می باشد .الکترودیالیز به صورت گسترده در فرآیند نمک زدایی از آب دریا و تولید آب شیرین ،تصفیه پساب و فاضلاب های صنعتی ،بازیابی اسید های آلی مانند اسید استیک ،پروپیونیک اسید و لاکتیک اسید مورد استفاده قرار می گیرد .
هم چنین این فرآیند در بازیابی عوامل خنثی کننده مانند آمونیوم هیدروکسید و سدیم هیدروکسید که در فرآیند تخمیر مورد استفاده قرار می گیرند کاربرد دارد .
ازمحدودیت های فرآیند الکترودیالیز می توان به عدم کارآیی موثر برای محلول های بسیار رقیق به دلیل مقاومت الکتریکی بالای این گونه محلول ها و وقوع پدیده پلاریزاسیون غلظتی اشاره کرد .
اصول الکترودیالیز:
در فرایند الکترودیالیز و سایر روش های جداسازی که از غشاهای تبادل گر یون در آن ها استفاده می شود ،انتقال ذرات و یون ها هم بر مبنای اختلاف غلظت و هم اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شده به سیستم توسط یک منبع تغذیه صورت می گیرد .پتانسیل الکتریکی اعمال شده به سیستم باعث ایجاد حرکت با جهات متفاوت کاتیون ها و آنیون ها در محلول می شود .
یک واحد الکترودیالیز از مجموعه ای از تبادل گر های یونی قرار داده شده در فضای بین دو الکترود تشکیل شده است .با ورود یک محلول الکترولیتی به سلول و اعمال پتانسیل الکتریکی بین الکترود ها ،کاتیون به سمت کاتد و آنیون به سمت آند حرکت می کنند .عبور کاتیون ها از غشای تبادل گر کاتیونی میسر بوده اما امکان عبور آنیون ها وجود ندارند .اما با مکانیزم مشابه آنیون ها از غشای تبادل آنیونی عبور کرده که نتیجه این انتقال ،جداسازی یون ها در محلول از اجزای خنثی می باشد .در مقیاس صنعتی یک واحد الکترودیالیز از مجموعه ای نزدیک به 100 تا 200 جفت سل متوالی تشکیل شده است .درشکل زیر شمایی کلی از یک سل الکترودیالیز را به همراه غشای آنیونی و کاتیونی تبادلگر یون و الکترود ها نشان می دهد.
شمایی کلی از یک سل الکترودیالیز
با ایجاد آرایش متناوب نشان داده شده در شکل بالا فدو محلول غلیظ و رقیق از یون ها جدا می شوند .بنابراین سل الکترودیالیز توانایی جداسازی اجزایی یونی (باردار) را از دیگر اجزای موجود در یک محلول خواهد داشت .باید توجه نمود که امکان کاهش میزان ذرات خنثی در محلول توسط این فرآیند وجود ندارد .
از پارامترهای مهم در بررسی نحوه عملکرد یک سل الکترودیالیز ،دانسیته جریان می باشد .این پارامتر به صورت میزان جریان الکتریکی عبوری از واحد سطح غشا تعریف می شود .
چند نکته مهم درباره الکترودیالیز
- عامل جداسازی در فرایند ED جریان DC است .
- هرچه فاصله غشاها کمتر باشد مقاومت الکتریکی محلول ها کمتر است و در نتیجه هزینه برق مصرفی کاهش می یابد .
- هرچه فاصله غشاها کمتر باشد برای انجام یک جداسازی مشخص به تعداد سل های بیشتری نیاز است .در عمل نیز یک دستگاه ED ممکن است شامل حدود 500 جفت سل باشد .
- هرچه تعداد یون های محلول مورد جداسازی کمتر باشد ،مقاومت الکتریکی و در نتیجه مصرف جریان الکتریکی افزایش می یابد .بنابراین تهیه محلول کاملا خالص و بدون یون با روش ED عملا غیر اقتصادی می باشد ،زیرا که مقاومت الکتریکی محلول عاری از یون بسیار زیاد است .
- در ED می توان فقط یون های محلول را کاهش داد و این فرآیند نقشی در کاهش میزان ذرات معلق بدون بار و یا رنگ نمی تواند داشته باشد .
یک واحد ED از اجزای اصلی زیر ساخته می شود :
- مراحل پیش تصفیه
- پمپ فشار کم
- تامین کننده جریان الکتریکی مستقیم
- غشاها
- الکترود ها
- مراحل تصفیه نهایی
پیش تصفیه و تصفیه نهایی :
به منظور انجام یک فرآیند مطلوب ED خوراک باید تمیز باشد .بدین منظور لازم است ایتدا یک تصفیه مقدماتی جهت جلو گیری از تشکیل رسوب و مسدود شدن غشاها انجام شود .تمامی تجهیزات و موارد مورد نیاز جهت انجام تصفیه به طور مستقیم به ترکیب خوراک ورودی بستگی دارد. عمل تصفیه شامل زدودن مواد محلول در آب یا ذرات جامد معلق می باشد .هنگامی که خوراک شامل موادی مانند آهن (بیش از 3/0)،منگنز(بیش از 1/0)،سولفید هیدروژن (بیش از 3/0)و درجه کل آلودگی و کدری بیش از 2 باشد ،عمل تصفیه مقدماتی لازم است .همچنین ناخالصی های آلی نیز عامل بازدارنده در فرآیند ED می باشند. .تمامی موارد فوق قادرند عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار دهند و موجب وقوع پدیده پلاریزاسیون غلظتی به واسطه تشکیل لایه های راکد و ساکن بر روی غشاء شوند .
تصفیه مقدماتی شامل عبور خوراک از میان رزین های کاتیونی جهت یون زدایی جزئی خوراک ،فیلترهای شنی ،کتانی و پلی پروپیلنی جهت جداسازی مواد جامد معلق می باشد.فیلتراسیون کربنی نیز با اعمال فشار قادر است مواد آلی با اندازه های 50-10 میکرون(µ)را حذف کند .البته این عمل بعد از صافی شنی انجام می شود .همچنین آهن و منگنز را نیز می توان به وسیله فیلترهای شنی حذف کرد .عمل پیش تصفیه انرژی مورد نیاز برای انجام فرآیند ED را کاهش می دهد .عمل تصقیه نهایی مانند کلر زنی و گند زدایی می باشد (در صورت نیاز به مصارف بهداشتی).
پمپ ها :
یکی از اجزای سیستم الکترودیالیز پمپ ها می باشد که محلول خوراک را به دروم مسیرهای مربوطه به جریان می اندازد .فشار عملیاتی پمپ ها پایین است و معمولا در محدودهbar 5-5/3 می باشد .لذا لوله ها و شیر ها و غیره می تواند از مواد ارزان قیمت ساخته شوند.
الکترودها:
از دیگر ازا مهم سیستم ED الکترود ها می باشند.از آن جایی که الکترود ها در یک محیط خورنده فعالیت می کنند و در کاتد ،جریان به واسطه وجود یون های هیدروکسیل قلیایی است و در آند ،جریان به واسطه یون های هیدروژن و گازهای کلر و اکسیژن اسیدی است لذا جنس مواد سازنده الکترود ها می بایست در برابر خوردگی مقاوم انتخاب شود .به طور کلی الکترود ها از نیوبیوم یا تیتانیوم با پوششی از پلاتینیوم ساخته می شوند .عمر هر الکترود عموما به ترکیب ماده الکترود و میزان جریان عبور کرده بر واحد سطح آن بستگی دارد.به طور کلی جریان های قوی و توان های زیاد باعث کاهش عمر الکترود ها می شوند.
نیرومحرکه:
در فرآیند ED از جریان DC جهت انتقال یون ها از میان غشا ها استفاده می شود .البته تبدیل جریان متناوب به مستقیم به وسیله یک یکسوکننده جریان صورت می گیرد که معمولا یک ترانسفورماتور متغیر جهت تنظیم ولتاژهای خاص می باشد توان لازم به طور مستقیم متناسب با مقدار نمک منتقل شده می باشد. دمای خوراک نیز بر روی این توان تاثیر می گذارد به طوریکه در دماهای بالا مقاومت کاهش و هدایت افزایش می یابد و این به معنی کاهش مصرف انرژی می باشد .
غشا:
غشا ها نازک و مسطح هستند و از صفحات پلیمری تشکیل می شوند و خاصیت نفوذپذیری آن ها برای آب کم ما ضریب هدایت الکتریکی زیادی دارند .غشاها را می توان با اندازه های مختلف مورد استفاده قرار داد.غشاهای بزرگتر علیرغم دارا بودن مقاومت الکتریکی کمتر که به معنای مصرف انرژی کمتر می باشد ،دارای استحکام وطول عمر و مقاومت مکانیکی (در مقابل سایش و فرسایش) کمتر می باشند.
از مشخصه های ایده آل یک غشا می توان به پایداری حرارتی ،قدرت و استحکام مکانیکی ،مقاومت در برابر مواد مخرب شیمیایی و بیولوژیکی ،پایداری در مقابل محلول های مختلف ،هدایت الکتریکی و عدم نفوذپذیری آب اشاره کرد .همچنین قیمت تمام شده غشا نیز حائز اهمیت می باشد .از انجاییکه در فرآیند ED فشار بسیار کمی بر روی غشاها اعمال می شود و همچنین مواد تشکیل دهنده آن ها هیدرولیز نمی شوند لذا این غشا ها ندرتا دچار فرسودگی و خرابی می شوند.
عوامل کاهش طول عمر غشا در فرآیند ED عبارتند از :
- ترکیب خوراک آب ورودی
- دما
- pHهای بالاو پایین محلول تمیز کننده
- دانسیته محلول در تماس با غشا
- ضایعات و آسیب های مکانیکی در حین حمل و نقل و جابه جایی
انرژی در فرآیند الکترودیالیز:
جهت انجام فرآیند شیرین سازی آب دریا و یا تصفیه پساب ،جهت جریان الکتریکی از میان غشاء باید همواره از قسمت رقیق به قسمت غلیظ باشد.البته جهت جریان طبیعی از قسمت غلیظ به رقیق می باشد .لذا برای هدایت جریان در جهت مورد نظر یک نیروی پتانسیل الکتریکی باید اعمال شود .
.افت ولتاژ در بخش های مختلف فرایند به طور کلی به صورت زیر تقسیم بندی می شود :
- 70% مقاومت محلول آب در قسمت تولید محصول
- 20% مقاومت غشا
- 10% مقاومت محلول پساب یا آب یون دار
حال می توان موارد اصلی انرژی مورد نیاز را به طور مجزا مشخص نمود
- کار تئوری به منظور جداسازی الکترولیت ها و محلول
- ولتاژ مورد نیاز جهت انجام گرفتن واکنش ها بر روی سطح الکترود ها
- ولتاژ مورد نیاز جهت غلبه بر پتانسیل های غشاء
- جبران هرگونه نشت یا عدم انتخاب صحیح غشا ها
- نشت جریان عبور کننده از بخش های مختلف سل ED
- تبدیل ولتاژ الکتریکی از جریان متناوب به جریان مستقیم
مزایای و معایب روش الکترودیالیز:
- توانایی برای بازیابی های بیشتر از 90%
- تناسب میزان مصرف انرژی با میزان دفع نمک های فلری
- توانایی بیشتر تصفیه آب و پساب دارای جامدات سوسپانسیونی نسبه به روش RO
- عدم تاثیر پذیری نسبت به مواد غیر یونی مثل سیلیکا
- مصرق کم مواد شیمایی برای پیش تصفیه
- قابلیت تنظیم pHدر فرایند های شیمیایی
- مقدار کم گرفتگی
- عدم نیاز به فشار بالا و پمپ فشار قوی مشکلات و محدودیت های روش الکترودیالیز
- نمی تواند اجزای آلی ،عناصر غیر فلزی ضعیف،مواد غیر یونی و مواد بیولوژیکی را دفع نماید زیرا آن ها تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار نمی گیرند .
- نیاز به نیروی انسانی دقیق و ماهر
- غشاها دارای بار الکتریکی هستند.به همین دلیل کلوئید ها می توانند حفرات غشاها را مسدود کنند و قابلیت انتقال یون ها را کاهش دهند .در نتیجه سیستم به شست و شوی منظم نیاز دارد.
- در فرآیند ED گاز اکسیژن آزاد می گردد که بسیار خطر ناک است
- غشا مورد استفاده حجم زیادی را اشغال می کند .
- نیاز به سرمایه گذاری زیادی دارد .
انواع آلودگی های قابل حذف به وسیله روش الکترودیالیز
| سدیم | نیکل | کلر | فلوئور |
| پتاسیم | کروم | سولفات | کرومات |
| کلسیم | مس | نیترات | استات |
| منیزیم | روی | فسفات | هیدروکسیل |
| آمونیوم | اسرونیوم | سیانید | الومینیوم |
|
آرسنیک |
آهن | نقره | TDS |