الکترودیالیز با غشاهای دو قطبی
در سال‌های اخیر فناوریهای الکترودیالیز با غشاهای دو قطبی تبدیل به یک فناوری جداسازی ویژه در صنعت آب و فاضلاب شده است. علت اصلی گسترش این فناوری، عدم استفاده از مواد شیمیایی و در عین حال استفاده از انرژی نسبتا کم و سادگی فرایند در مقایسه با روش‌های سنتی است. دانشنامه آب شفا در این مقاله به بررسی فناوری الکترودیالیز با غشاهای دو قطبی می‌پردازد.
الکترودیالیز با غشاهای دو قطبی
اساس الکترودیالیز با غشاهای دو قطبی (EDBM) ترکیبی از الکترودیالیز برای جداسازی نمک با الکترودیالیز آب برای تبدیل یک نمک به اسید و پایه آن است. غشاهای دو قطبی تجزیه آب به یون‌های پروتون و هیدروکسید را افزایش می‌دهد.
فرآیند EDBM
غشاهای دو قطبی نوع خاصی از غشاهای تبادل یونی لایه‌ای (IX) است که در آن دو لایه پلیمری وجود دارد که یکی فقط برای آنیون‌ها و دیگری برای کاتیون‌ها نفوذپذیر است. بر خلاف فرآیندهای غشایی، EBM برای اهداف جداسازی استفاده نمی‌شود بلکه برای ایجاد واکنش در محل اتصال دو قطبی غشایی استفاده می‌شود که لایه‌های نفوذپذیر آنیون و کاتیونی در تماس مستقیم است.
نیازمندی‌های اصلی برای غشای دو قطبی عبارتند از:
- ثبات عالی دراز مدت
- افت شدید پتانسیل پایین
- آهنگ بالای تجزیه آب
- قدرت انتخاب بالا
- پایداری مکانیکی خوب
آب به یون‌های هیدروکسید و پروتون‌ها تقسیم می‌شود. یون هیدروکسید و پروتون تولید شده با انتقال در لایه غشایی مربوطه خارج از غشا جدا می‌شوند.
2H2O ↔ H3O + + OH–
بر خلاف تجزیه آب در الکترودها در هنگام الکترولیز، هیچ گازی به عنوان محصول جانبی این واکنش تشکیل نمی‌شود و از هیچ گازی نیز استفاده نمی‌شود. الکترودیالیز با غشاهای دو قطبی (EDBM) می‌تواند الکترولیز را با تجزیه آب در الکترودها جایگزین کند و همچنین می‌تواند کاربردهای گسترده‌تری داشته باشد.
شماتیک فرآیند تجزیه یون نمک با استفاده از غشاهای دو قطبی به اسیدها و پایه‌ها
اختلاف پتانسیل احتمالی مورد نیاز برای تولید الکترودیالیزیکی محلول‌های یک مولار 83/0 ولت و معادل مصرف 22 وات انرژی است. در مقابل، تولید الکترولیتی با افت تئوری در پتانسیل، معادل مصرف 55 وات انرژی است. از دیگر مزایای فناوری غشای دو قطبی می‌توان به پیکربندی نسبتا ساده سیستم، گزینه‌های تنظیم و همچنین هزینه‌های سرمایه‌گذاری پایین اشاره کرد.
قابلیت تجزیه آب بدون تشکیل گازهای واکنشی در آن، این فناوری را در حدود پانزده تا بیست سال پیش به فناوری مورد قبولی تبدیل کرده است.
مشخصات الکترودیالیز با غشاهای دوقطبی EDBM
- آب را با ولتاژ نسبتا پایین به اسید (+H) و قلیایی (–OH) تجزیه می‌کند.
- به دلیل عدم واکنش‌های الکترودی، هیچ واکنش احیا – اکسیداسیون اتفاق نمی‌افتد. بنابراین، هیچ محصول جانبی تشکیل نخواهد شد.
- اسید و قلیایی را از نمک معدنی و نمک اسید آلی را به طور واحد در یک فرآیند تولید می‌کند.
- غلظت اسید و قلیایی را کنترل می‌کند.
- متفاوت از فرآیندهای الکترولیتی، هیچ الکترودی برای تک سلول‌ها لازم نیست و بنابراین گازهای کمتری تولید می‌شود.
- محلول‌های پسماند کمتری تولید می‌کند.
- می‌تواند عملیات پیوسته و مداوم را برای مدت زمان طولانی تحمل کند زیرا هیچ فرآیند تولید مجددی مانند فرآیند تبادل یونی رزین لازم نیست.
کاربردهای الکترودیالیز با غشاهای دوقطبی EDBM
الکترودیالیز با غشاهای دوقطبی به دلیل خواص مختلف آن کاربردهای متنوعی دارد که در زیر به چند مورد آن اشاره شده است:
- تولید اسید آلی از نمک اسید آلی
- تولید اسید آمینه از نمک اسید آمینه
- تولید اسید و باز از محلول پسماند با نمک
- تولید اسید و باز از نمک معدنی
نمونه کاربردهای فرآیند الکترودیالیز با غشاهای دوقطبی
مشکلات عملیاتی در فرآیند الکترودیالیز غشای دو قطبی
- کاهش چشمگیر میزان نفوذپذیری انتخابی غشا که منجر به نشت قابل توجهی نمک از طریق غشا به داخل محصول می‌شود.
- هر کاتیون دوتایی و یا چندتایی که در محلول قلیایی رسوب می‌کند، باید از محلول خارج شود. همین مورد در مورد ترکیبات آلی نیز صادق است که می‌توانند در مقادیر زیاد pH رسوب کنند.
- در غلظت بالای اسید و پایه، حفظ لایه تبادل آنیون برای یون‌های +H و لایه تبادل کاتیون برای یون‌های –OH بسیار ضعیف است. با این حال، توسعه غشاهای مسدود‌کننده اسید و پایه باعث بهبود چشمگیر استفاده فعلی در الکترودیالیز با غشای دو قطبی شده است.
شبکه عرضه و تقاضای فناوری حوزه آب (شفا) ، سعی دارد تا با ایجاد یک فضای فناورانه، با معرفی و شناسایی فرآیند الکترودیالیز با غشاهای دوقطبی، راه را در راستای بهبود و ارتقا کیفیت منابع آبی، هموار کند.
