الکترودیالیز چیست؟
الکترودیالیز (Electro Dialysis=ED) یک فرایند تصفیه غشایی است که در آن یون‌ها تحت تاثیر پتانسیل الکتریکی از یک غشای نیمه تراوا عبور می‌کنند. این غشاها در دو نوع کاتیونی و آنیونی هستند و این بدین معنا است که یون‌های مثبت و منفی به ترتیب از آن‌ها عبور می‌کنند. این ممبران‌ها اجازه عبور هر دو نوع یون را نمی‌دهند. جداسازی یون‌ها در سیستم ED وابسته به بار ذرات است، نه اندازه آن‌ها و از این فرایند می‌توان برای جداسازی مولکول‌هایی با بارهای مختلف و اندازه یکسان استفاده کرد. ممبران‌های کاتیونی، پلی الکترولیت‌هایی با بار منفی هستند، به همین دلیل یون‌های با بار منفی را دفع می‌کنند و به یون‌های مثبت اجازه می‌دهند که از آن‌ها عبور کنند؛ ممبران‌های آنیونی نیز دارای بار مثبت هستند و به یون‌های منفی اجازه عبور می‌دهند. لازم به ذکر است که ممبران‌های کاتیونی از جنس پلی استایرن سولفونات و ممبران‌های آنیونی از جنس پلی استایرن با آمونیوم کواترنری می‌باشند.
از فرایند الکترودیالیز تنها برای حذف یون‌ها می‌توان استفاده کرد و ذرات معلق که بار ندارند توسط سیستم ED حذف نمی‌شوند. بنابراین قبل از ورود آب به سیستم الکترودیالیز باید برخی فرایندهای پیش تصفیه انجام گیرند. ذرات معلق با قطر بیش از 10 میکرومتر نیز باید پیش از ED حذف شوند، در غیر این صورت به حفرات ممبران می‌چسبند. همچنین برخی مواد مانند آنیون‌های بزرگ آلی، کلوییدها، اکسیدهای آهن و اکسیدهای منگنز می‌توانند باعث خنثی سازی سطح ممبران شوند و خاصیت انتخابی غشاهای کاتیونی و آنیونی را دچار مشکل کنند. از فرایندهای پیش تصفیه که از بروز چنین مواردی جلوگیری می‌کنند می‌توان به فیلتراسیون کربن فعال (برای مواد آلی)، لخته کننده‌ها (برای کلوییدها) و تکنینک‌های فیلتراسیون اشاره کرد.
مکانیسم فرایند الکترودیالیز
با قرار دادن چندین ممبران کاتیونی و آنیونی در یک ردیف که به طور دلخواه اجازه عبور کاتیون‌ها و آنیون‌ها را می‌دهند، یون‌ها را می‌توان از آب جدا کرد. هنگامی که الکترودها به یک جریان برق مناسب متصل و داخل یک محلول حاوی یون شوند، کاتیون‌های موجود در آب به سمت کاتد (دارای بار منفی) و آنیون‌ها به سمت آند (دارای بار مثبت) حرکت می‌کنند. با توجه به این که ممبران‌های کاتیونی تنها اجازه عبور کاتیون‌ها و ممبران‌های آنیونی تنها اجازه عبور آنیون‌ها را می‌دهند؛ چندین ستون ایجاد می‌شود که در برخی از آن‌ها یون‌ها تغلیظ می‌شوند و در برخی دیگر یون‌ها حذف می‌شوند. جریان تغلیظ شده چندین مرتبه در سیستم سرکوله می‌شود تا به مرحله‌ای برسد که ترسیب شروع شود. در چنین نقطه‌ای این جریان باید تخلیه گردد.
مزایای استفاده از فرایند الکترودیالیز
از مزایای استفاده از فرایند الکترودیالیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• نرخ بالای ریکاوری آب (حدود 80 تا 90 درصد)
• توانایی تولید آب نمک با غلظت بالا که خود پردازش آینده را آسان‌تر می‌کند و امکان بازیابی ترکیبات با ارزش را فراهم می‌کند
• طول عمر بالای ممبران‌ها (حدود 7 تا 10 سال)
• توانایی دریافت آب ورودی با کیفیت پایین تر در مقایسه با فرایند اسمز معکوس. شاخص SDI برای آب ورودی به سیستم ED باید کمتر از 12 باشد، درحالی که SDI برای آب تغذیه ممبران‌های اسمز معکوس نباید از 3 تجاوز کند
• مقاومت ممبران ها در برابر دمای بالا، خشک شدن، ضدعفونی باکتری‌ها و کلر آزاد تا مقدار 1mg/L
• مقاومت مکانیکی بالای ممبران‌ها و تمیزسازی دستی آن‌ها
• دارای تجهیزات فشرده و اشغال فضای کم
• سهولت در عملکرد و اتوماسیون ساده
• فشار عملکردی کم (0.3 تا 0.4 اتمسفر)
• عدم نیاز به افزودن مواد شیمیایی به فرایند مگر استفاده گاه و بی گاه سختی‌گیرها
معایب فرایند الکترودیالیز
از معایب فرایند الکترودیالیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• عدم حذف مواد آلی، کلوییدی و سیلیس
• نیاز به کنترل و نظارت جهت دستیابی به شرایط بهینه
تکنولوژی الکترودیالیز مناسب چه مواردی است؟
در شرایط زیر استفاده از تکنولوژی الکترودیالیز توصیه می‌شود:
• تصفیه آب‌هایی با تمایل زیاد به رسوب گذاری یا کیفیت‌های متغیر
• مواقعی که نرخ بازیابی بالا نیاز باشد
• زمان‌هایی که جریان تغلیظ شده باید غلظت زیادی (تا 200 گرم بر لیتر) داشته باشد
• برای تصفیه آب‌هایی با مقادیر زیاد سیلیس
• مناسب برای واحدهای موجود، بدون نیاز به پیش تصفیه اضافی
کاربردهای الکترودیالیز
فرایند الکترودیالیز کاربردهای بسیاری دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:
• شیرین‌سازی آب‌های شور و لب شور
• صنایع دارویی
• صنایع غذایی
• آب تغذیه برج‌های خنک کننده
• پردازش قطعات الکترونیکی
• تصفیه پساب صنایع نساجی
الکترودهای مورد استفاده در الکترودیالیز
با توجه به ماهیت خورنده محفظه‌های آند، الکترودها معمولا از تیتانیوم ساخته و با پلاتین آبکاری می‌شوند. طول عمر الکترودها به ترکیبات یونی منبع آب و شدت جریان اعمالی به الکترودها بستگی دارد. حضور مقادیر بالای کلر در آب ورودی و شدت جریان بالا از عمر مفید الکترودها می‌کاهد.
پارامترهای اثرگذار بر راندمان سیستم الکترودیالیز
از عوامل اثرگذار بر راندمان سیستم الکترودیالیز می‌توان به شدت جریان و ولتاژ سلول، غلظت و نوع یون‌های موجود در آب ورودی و نرخ جریان در محفظه‌های رقیق شده و تغلیظ شده اشاره کرد که در ادامه توضیحاتی در رابطه باهرکدام ارائه شده است.
شدت جریان و ولتاژ سلول: هرچه شدت جریان سیستم‌های الکترودیالیز افزایش یابد، سرعت و راندمان تصفیه نیز افزایش می‌یابد. با این وجود، در شدت جریان‌های خیلی بالا، گرادیان غلظت افزایش می‌یابد که منجر به کاهش چشمگیر غلظت یون‌ها در سطح ممبران می‌شود.
غلظت و نوع یون‌های موجود در آب ورودی: راندمان سیستم الکترودیالیز به غلظت و ترکیبات موجود در آب تغذیه بستگی دارد. غلظت کم یون‌های موجود در آب منجر به افزایش فعالیت الکتروشیمیایی ممبران‌ها و درنتیجه راندمان تصفیه بیشتر می‌شود. درصورتی که مقادیر حباب‌های گاز، جامدات معلق، فسفر، میکروارگانیسم‌ها و دیگر ترکیبات در آب از مقادیر مجاز برای فرایندهای الکترودیالیز بیشتر شود، راندمان تصفیه فرایند به صورت چشمگیری کاهش می‌یابد.
نرخ جریان در محفظه‌های رقیق شده و تغلیظ شده: نرخ جریان در محفظه‌های رقیق شده و تغلیظ شده بر پولاریزاسیون ممبران و در نتیجه بر راندمان تصفیه اثر دارد. درصورتی که نرخ جریان‌های تغذیه کمتر از مقادیر بحرانی باشد، پولاریزاسیون ممبران و تخریب آب به یون‌های هیدروژن و هیدروکسید اهمیت می‌یابد. از سوی دیگر یون‌های هیدروژن و هیدروکسید تولید شده، در انتقال جریان اثرگذارند و منجر به کاهش انتقال یون‌های نمک زدایی شده می‌شوند. برای هر یک از سیستم‌های ED یک نرخ جریان بهینه وجود دارد که باید به صورت تجربی برای هر فرایند خاص تعیین شود.
پارامترهای مهم در طراحی سیستم الکترودیالیز
در طراحی یک سیستم ED باید به پارامترهای زیر توجه کرد:
• ساختار استک شامل عرض سلول، طول استک و ضخامت محفظه سلول
• کیفیت آب تغذیه و آب تصفیه شده
• نوع ممبران‌های مورد استفاده
• سرعت جریان
• چگالی جریان
• نرخ ریکاوری
هزینه‌های عملیاتی سیستم‌های الکترودیالیز
بیشترین هزینه‌های عملیاتی سیستم‌های الکترودیالیز مربوط به انرژی مصرفی می‌باشد. انرژی مصرفی شامل انرژی مورد نیاز برای نمک زدایی آب و پمپ کردن محلول به محفظه‌ها می‌شود. لازم به ذکر است که انرژی مصرفی برای نمک زدایی واقعی به طور مستقیم به تعداد گونه‌های یونی که دفع می‌شود، وابسته است. درحالی که انرژی موردنیاز برای پمپ کردن محلول، مستقل از شوری آب تغذیه است. در نمودار زیر انرژی مصرفی برای تولید آب آشامیدنی با TDS کمتر از 500ppm از آب تغذیه شور بر اساس تابعی از غلظت آب شور نمایش داده شده است. از دیگر هزینه‌های عملیاتی سیستم الکترودیالیز می‌توان به هزینه مواد شیمیایی موردنیاز برای پیش تصفیه و هزینه نیروی کار اشاره کرد. هزینه مواد شیمیایی مورد نیاز برای پیش تصفیه به کیفیت آب ورودی بستگی دارد. هرچه کیفیت آب ورودی بهتر باشد، هزینه پیش تصفیه آن کاهش می‌یابد.
هزینه‌های کل فرایند الکترودیالیز
هزینه‌های تمام شده یک سیستم الکترودیالیز برای یک آب تغذیه با کیفیت مشخص، بر اساس تابعی از چگالی جریان در نمودار زیر نمایش داده شده است. مطابق نمودار، هزینه‌های سرمایه گذاری اولیه با افزایش چگالی جریان کاهش می‌یابد. درحالی‌که هزینه‌های انرژی مصرفی با افزایش چگالی جریان افزایش می‌یابد. سایر هزینه‌ها نیز تقریبا مستقل از چگالی جریان هستند. به طور کلی برای یک آب تغذیه با کیفیت مشخص، یک چگالی جریان وجود دارد که در آن هزینه کل تمام شده مینیمم است.
تفاوت فرایند ED و EDR
فرایند EDR یا همان الکترودیالیز برگشتی که مخفف Electrodialysis Reversal است، در واقع فرایند اصلاح شده‌ی الکترودیالیز است. از آن جایی که رسوبات زیادی روی سطح ممبران‌های کانال‌های آب تغلیظ واحدهای ED که آب‌های لب شور را تصفیه می‌کردند، ایجاد می‌شد و از سویی هزینه های تمیزسازی شیمیایی آن‌ها بالا بود؛ استفاده از سیستم الکترودیالیز برگشتی پیشنهاد شد. در این سیستم‌ها قطبیت الکترودها هر چند دقیقه یکبار تعویض می‌شود و با تغییر شیرها، جای کانال‌های آب تغلیظ شده و آب رقیق شده عوض می‌شود، درحالی که در سیستم‌های ED قطبیت الکترودها ثابت بوده و کانال‌های آب تغلیظ شده و آب رقیق شده هیچگاه با یکدیگر جابجا نمی‌شوند.
تفاوت فرایند ED و EDI
الکترودیونیزاسیون یا EDI یک فرایند تصفیه شیمیایی پیشرفته بر پایه‌ی الکترودیالیز (ED) است. سیستم الکترودیونیزاسیون با افزودن رزین‌های تبادل یونی میکس بد به محفظه‌های تغذیه ایجاد می‌شود. بنابراین انتقال یون‌ها از آب تغذیه، شامل یک فرایند دو مرحله‌ای می‌شود؛ بدین صورت که یون‌ها ابتدا در بستر رزین گیر می‌کنند، سپس از طریق رزین و ممبران‌ها به کانال آب تغلیظ شده انتقال می‌یابند. واحدهای EDI مشابه واحدهای ED هستند، با این تفاوت که دارای رزین‌های کاتیونی اسیدی قوی و رزین‌های آنیونی بازی قوی می‌باشند که این رزین‌ها در کانال‌های آب رقیق با یکدیگر مخلوط شده‌اند یا به صورت لایه‌ای قرار دارند. لایه‌ای بدین معنا است که حجم مشخصی از هر کانال آب رقیق تنها از دانه‌های رزین‌های کاتیونی اسیدی پر شده است و در کنار آن حجم مشخصی از دانه‌های رزین‌های آنیونی بازی قرار دارد و به همین ترتیب ادامه می‌یابد. در واحدهای EDI مشابه واحدهای ED قطبیت الکترودها عوض نمی‌شود، بنابراین هیچگاه جای کانال‌های آب رقیق و غلیظ با یکدیگر تعویض نمی‌گردد. لازم به ذکر است که آب ورودی به واحد EDI حتما باید از کیفیت بالایی برخوردار باشد، به همین علت معمولا از آب خروجی سیستم اسمز معکوس برای این کار استفاده می‌شود.
علت محبوبیت زیاد سیستم‌های EDI این است که در این سیستم‌ها برای احیای رزین‌های تبادل یونی نیازی به استفاده از مواد شیمیایی نیست و این رزین‌ها به صورت الکتریکی احیا می‌شوند. بدین صورت که پس از این که بیشتر یون‌های موجود در آب تغذیه حذف شدند، پتانسیل الکتریکی، مولکول‌های آب را تجزیه و به یون‌های هیدروژن و هیدروکسید تبدیل می‌کند. بدین ترتیب دانه‌های رزین احیا می‌شوند و آب فوق خالص تولید می‌گردد.