elektrodiyaliz - Electrodialysis

Suyun tuzdan arındırılması
yöntemler
edprinc.jpg

Elektrodiyaliz ( ED ) taşıma için kullanılan tuz iyonlarının itibaren çözeltisi ile iyon değiştirme membranları uygulanan bir etkisi altında bir çözeltisine, elektrik potansiyeli farkı. Bu, elektrodiyaliz hücresi adı verilen bir konfigürasyonda yapılır. Hücre, iki elektrot arasına yerleştirilmiş bir anyon değişim membranı ve bir katyon değişim membranından oluşan bir besleme (seyreltik) bölmesi ve bir konsantre ( tuzlu su ) bölmesinden oluşur . Hemen hemen tüm pratik elektrodiyaliz işlemlerinde, birden fazla elektrodiyaliz hücresi, bir elektrodiyaliz yığını adı verilen bir konfigürasyonda düzenlenir ve çoklu elektrodiyaliz hücrelerini oluşturan alternatif anyon ve katyon değişim membranları bulunur. Elektrodiyaliz prosesleri, distilasyon tekniklerinden ve diğer membran bazlı proseslerden ( ters ozmoz (RO) gibi) farklıdır, çünkü çözünmüş türler besleme akımından tersine değil de uzağa taşınır. Besleme akımındaki çözünmüş türlerin miktarı sıvınınkinden çok daha az olduğundan, elektrodiyaliz birçok uygulamada çok daha yüksek yem geri kazanımı gibi pratik bir avantaj sunar.

Yöntem

Bir elektrodiyaliz yığınında, seyreltik (D) besleme akışı, tuzlu su veya konsantre (C) akışı ve elektrot (E) akışının, iyon değişim zarları tarafından oluşturulan uygun hücre bölmelerinden akmasına izin verilir . Elektriksel potansiyel farkının etkisi altında, seyreltik akımdaki negatif yüklü iyonlar (örneğin klorür ), pozitif yüklü anoda doğru göç eder . Bu iyonlar, pozitif yüklü anyon değişim membranından geçer, ancak negatif yüklü katyon değişim membranı tarafından anoda doğru daha fazla göç etmesi önlenir ve bu nedenle anyonlarla konsantre hale gelen C akımında kalır. D akımındaki pozitif yüklü türler (örneğin sodyum ), negatif yüklü katoda doğru göç eder ve negatif yüklü katyon değişim zarından geçer. Bu katyonlar ayrıca pozitif yüklü anyon değişim membranı tarafından katoda doğru daha fazla göç etmeleri engellenerek C akımında kalır. Anyon ve katyon göçünün bir sonucu olarak , katot ve anot arasında elektrik akımı akar. D akımından C akımına yalnızca eşit sayıda anyon ve katyon yük eşdeğeri aktarılır ve böylece her akımda yük dengesi korunur. Elektrodiyaliz işleminin genel sonucu, seyreltik çözelti besleme akışındaki iyonların azalmasıyla birlikte konsantre akışındaki iyon konsantrasyonu artışıdır.

E akışı, yığındaki her bir elektrotu geçen elektrot akışıdır. Bu akış, besleme akışıyla aynı bileşimden (örneğin sodyum klorür ) oluşabilir veya farklı türler (örneğin sodyum sülfat ) içeren ayrı bir çözelti olabilir . Yığın konfigürasyonuna bağlı olarak, elektrot akışından gelen anyonlar ve katyonlar C akışına taşınabilir veya D akışından gelen anyonlar ve katyonlar E akışına taşınabilir. Her durumda, bu taşıma, akımı yığın boyunca taşımak ve elektriksel olarak nötr yığın çözümlerini korumak için gereklidir.

Anot ve katot reaksiyonları

Reaksiyonlar her elektrotta gerçekleşir. Katotta,

2e − + 2 H 2 O → H 2 (g) + 2 OH −

anotta iken,

H 2 O → 2 H + + ½ O 2 (g) + 2e - veya 2 Cl - → Cl 2 (g) + 2e -

Katotta az miktarda hidrojen gazı ve anotta (E akımının bileşimine ve uç iyon değişim membran düzenlemesine bağlı olarak) az miktarda oksijen veya klor gazı üretilir . Bu gazlar, tipik olarak, her elektrot bölmesinden gelen E akımı çıkışı , nötr bir pH'ı korumak için birleştirildiğinden ve ayrı bir E tankına boşaltıldığında veya yeniden sirküle edildiğinden , tipik olarak daha sonra dağılır . Bununla birlikte, bazıları (örneğin) enerji üretiminde kullanılmak üzere hidrojen gazı toplamayı önermiştir .

verimlilik

Akım verimliliği, belirli bir uygulanan akım için iyon değişim zarları boyunca etkili iyonların ne kadar etkili taşındığının bir ölçüsüdür. Tipik olarak mevcut verimlilikler, enerji işletme maliyetlerini en aza indirmek için ticari yığınlarda >%80 arzu edilir. Düşük akım verimlilikleri , seyreltici veya konsantre akışlarında su bölünmesinin , elektrotlar arasında şönt akımların veya konsantreden seyrelticiye iyonların geri difüzyonunun meydana gelebileceğini gösterir.

Akım verimliliği şu şekilde hesaplanır:

nerede

= mevcut kullanım verimliliği

= iyonun yükü

= Faraday sabiti , 96,485 Amp -s/ mol

= seyreltik akış hızı, L /s

= seyreltik ED hücre giriş konsantrasyonu , mol/L

= seyreltik ED hücre çıkış konsantrasyonu, mol/L

= hücre çifti sayısı

= akım, Amper.

Akım verimliliği genellikle besleme konsantrasyonunun bir fonksiyonudur.

Uygulamalar

Uygulamada elektrodiyaliz sistemleri, sürekli üretim veya toplu üretim prosesleri olarak çalıştırılabilir . Sürekli bir işlemde, istenen nihai ürün kalitesini elde etmek için besleme, seri olarak yerleştirilmiş yeterli sayıda yığından geçirilir. Kesikli proseslerde, seyreltici ve/veya konsantre akışları, nihai ürün veya konsantre kalitesi elde edilene kadar elektrodiyaliz sistemleri aracılığıyla yeniden sirküle edilir.

Elektrodiyaliz genellikle sulu çözeltilerin deiyonize edilmesi için uygulanır . Bununla birlikte, iletkenliği az olan sulu organik ve organik çözeltilerin tuzunun giderilmesi de mümkündür. Elektrodiyalizin bazı uygulamaları şunları içerir:

Elektrodiyalizin ana uygulaması, tarihsel olarak, içme suyu üretimi için TO'ya alternatif olarak acı su veya deniz suyunun tuzdan arındırılması ve tuz üretimi için deniz suyu konsantrasyonu (öncelikle Japonya'da ) olmuştur. Yüksek geri kazanım gerektirmeyen normal içme suyu üretiminde, toplam çözünmüş katılar (TDS) milyonda 3.000 parça (ppm) veya daha fazla olduğunda ters ozmozun genellikle daha uygun maliyetli olduğuna inanılırken , elektrodiyaliz TDS için daha uygun maliyetlidir. 3.000 ppm'den düşük yem konsantrasyonları veya yüksek yem geri kazanımları gerektiğinde.

Elektrodiyaliz için bir diğer önemli uygulama, elektrodeiyonizasyon (EDI) ile saf su ve ultra saf su üretimidir . EDI'de, elektrodiyaliz yığınının arındırıcı bölmeleri ve bazen konsantre edici bölmeleri iyon değişim reçinesi ile doldurulur . Düşük TDS beslemesi ile beslendiğinde (örn. RO ile saflaştırılmış besleme), ürün çok yüksek saflık seviyelerine ulaşabilir (örn. 18 M Ω -cm). İyon değişim reçineleri, iyonları tutmak için hareket ederek bunların iyon değişim membranları boyunca taşınmasına izin verir. EDI sistemlerinin ana kullanım alanları elektronik, ilaç, enerji üretimi ve soğutma kulesi uygulamalarıdır.

sınırlamalar

Elektrodiyaliz, düşük moleküler ağırlıklı iyonik bileşenleri bir besleme akışından çıkarmada en iyi şekilde çalışan, doğal sınırlamalara sahiptir . Yüksüz, daha yüksek moleküler ağırlıklı ve daha az hareketli iyonik türler tipik olarak önemli ölçüde uzaklaştırılmayacaktır. Ayrıca, RO'nun aksine, elektrodiyaliz, üründe son derece düşük tuz konsantrasyonları gerektiğinde ve az iletken beslemelerle daha az ekonomik hale gelir: besleme tuzu konsantrasyonu düştükçe ve daha az iyonla birlikte akım yoğunluğu sınırlı hale gelir ve akım kullanım verimliliği tipik olarak azalır. akım taşımak için çözüm, hem iyon taşıma hem de enerji verimliliği büyük ölçüde azalır. Sonuç olarak, düşük konsantrasyonlu (ve oldukça iletken) besleme çözeltileri için kapasite gereksinimlerini karşılamak için nispeten büyük membran alanları gereklidir. Elektrodiyalizin (ve RO) doğal sınırlamalarının üstesinden gelen yenilikçi sistemler mevcuttur; bu entegre sistemler, her bir alt sistem kendi optimal aralığında çalışarak, belirli bir uygulama için en düşük toplam işletme ve sermaye maliyetlerini sağlayarak sinerjik olarak çalışır.

RO'da olduğu gibi, elektrodiyaliz sistemleri , iyon değişim membranlarının yüzeyini kaplayan, üzerine çöken veya başka bir şekilde "kirli" olan türleri çıkarmak için yem ön muamelesi gerektirir . Bu kirlenme elektrodiyaliz sisteminin verimini düşürür. İlgilenilen türler arasında kalsiyum ve magnezyum sertliği , askıda katı maddeler , silika ve organik bileşikler bulunur. Sertliği gidermek için su yumuşatma kullanılabilir ve askıdaki katıları gidermek için mikrometre veya multimedya filtrasyonu kullanılabilir. Özellikle sertlik, zarlarda pullanma birikebileceğinden bir endişe kaynağıdır. Ölçeklenmeyi önlemeye yardımcı olmak için çeşitli kimyasallar da mevcuttur. Ayrıca, elektrodiyaliz ters çevirme sistemleri, seyreltici ve konsantre akışlarını ve elektrotların polaritesini periyodik olarak tersine çevirerek kireçlenmeyi en aza indirmeye çalışır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Davis, TA, "Elektrodiyaliz", Handbook of Industrial Membrane Technology, MC Porter, ed., Noyes Publications, New Jersey (1990)
  2. ^ a b Strathmann, H., "Elektrodiyaliz", içinde Membran El Kitabı, WSW Ho ve KK Sirkar, ed., Van Nostrand Reinhold, New York (1992)
  3. ^ a b c Mulder, M., Membran Teknolojisinin Temel Prensipleri, Kluwer, Dordrecht (1996)
  4. ^ a b c Sata, T., Ion Exchange Membranes: Preparation, Characterization, Modification and Application, Royal Society of Chemistry, London (2004)
  5. ^ a b c Strathmann, H., Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, New York (2004)
  6. ^ "ED - Deniz Suyunu İçme Suyuna Çevirmek" . Arşivlenmiş orijinal 2007-02-03 tarihinde . 2007-01-17 alındı .
  7. ^ Panagopulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria (2019-11-25). "Tuzdan arındırma tuzlu su bertaraf yöntemleri ve arıtma teknolojileri - Bir inceleme". Toplam Çevre Bilimi . 693 : 133545. Bibcode : 2019ScTEn.693m3545P . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351 . ISSN  0048-9697 . PMID  31374511 .
  8. ^ AWWA, Elektrodiyaliz ve Elektrodiyaliz Tersine Çevirme, American Water Works Association, Denver (1995)
  9. ^ Shaffer, L. ve Mintz, M., Principles of Desalination, Spiegler, K. ve Laird, A., eds., 2. Baskı, Academic Press, New York (1980)
  10. ^ Mevcut Kullanım Verimliliği
  11. ^ ED Seçilmiş Uygulamalar
  12. ^ Inamuddin (2017-06-01). Adsorpsiyon ve İyon Değiştirme Kromatografisinin Atık Su Arıtımında Uygulamaları . Malzeme Araştırma Forumu LLC. ISBN'si 9781945291333.

bibliyografya

Dış bağlantılar