Электродиализ

Прикладной электрический потенциальный транспорт ионов соли.

Электродиализ ( ЭД ) используется для переноса ионов соли из одного раствора через ионообменные мембраны в другой раствор под воздействием приложенной разности электрических потенциалов . Это делается в конфигурации, называемой ячейкой электродиализа. Ячейка состоит из отсека подачи (разбавления) и отсека концентрата ( рассола ), образованных анионообменной мембраной и катионообменной мембраной, помещенными между двумя электродами . Почти во всех практических процессах электродиализа несколько ячеек электродиализа организованы в конфигурацию, называемую электродиализа, с чередующимися анионообменными и катионообменными мембранами, образующими несколько ячеек электродиализа. Процессы электродиализа отличаются от методов дистилляции и других процессов на основе мембран (таких как обратный осмос (ОО)) тем, что растворенные виды удаляются из потока подачи, тогда как другие процессы удаляют воду из оставшихся веществ. Поскольку количество растворенных видов в потоке подачи намного меньше, чем количество жидкости, электродиализ дает практическое преимущество гораздо более высокого извлечения подачи во многих приложениях. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]}

Метод

В электродиализе поток разбавленного (D) исходного материала, поток рассола или концентрата (C) и поток электрода (E) могут протекать через соответствующие отсеки ячеек, образованные ионообменными мембранами . Под влиянием разности электрических потенциалов отрицательно заряженные ионы (например, хлорид ) в разбавленном потоке мигрируют к положительно заряженному аноду . Эти ионы проходят через положительно заряженную анионообменную мембрану, но их дальнейшая миграция к аноду предотвращается отрицательно заряженной катионообменной мембраной, и поэтому они остаются в потоке C, который концентрируется с анионами. Положительно заряженные виды (например, натрий ) в потоке D мигрируют к отрицательно заряженному катоду и проходят через отрицательно заряженную катионообменную мембрану. Эти катионы также остаются в потоке C, и их дальнейшая миграция к катоду предотвращается положительно заряженной анионообменной мембраной. ^[8] В результате миграции анионов и катионов между катодом и анодом протекает электрический ток . Только равное количество эквивалентов заряда анионов и катионов переносится из потока D в поток C, и, таким образом, баланс заряда сохраняется в каждом потоке. Общим результатом процесса электродиализа является увеличение концентрации ионов в потоке концентрата с истощением ионов в потоке подачи разбавленного раствора.

Поток E — это поток электродов, который протекает мимо каждого электрода в стопке. Этот поток может иметь тот же состав, что и поток подачи (например, хлорид натрия ), или может быть отдельным раствором, содержащим другой вид (например, сульфат натрия ). ^[5] Поток E обычно используется для предотвращения восстановления и/или окисления ионов соли из подачи в электродные пластины. В зависимости от конфигурации стопки анионы и катионы из потока электродов могут транспортироваться в поток C, или анионы и катионы из потока D могут транспортироваться в поток E. В каждом случае этот транспорт необходим для переноса тока через стопку и поддержания электронейтральных растворов стопки.

Анодные и катодные реакции

Реакции происходят на каждом электроде. На катоде ^[3]

2e ⁻ + 2H ₂ O → H ₂ (г) + 2 OH ⁻

в то время как на аноде, ^[3]

Н2О _→ 2Н ⁺ + ⁠1/2⁠ O ₂ (г) + 2e ⁻ или 2 Cl ⁻ → Cl ₂ (г) + 2e ⁻

Небольшие количества газообразного водорода генерируются на катоде, а небольшие количества либо кислорода , либо хлора (в зависимости от состава потока E и конечной ионообменной мембраны) на аноде. Эти газы обычно впоследствии рассеиваются, поскольку сток потока E из каждого электродного отсека объединяется для поддержания нейтрального pH и выпускается или рециркулируется в отдельный резервуар E. Однако некоторые (например,) предложили собирать газообразный водород для использования в производстве энергии .

Эффективность

Эффективность тока является мерой того, насколько эффективно ионы транспортируются через ионообменные мембраны для данного приложенного тока. Обычно эффективность тока >80% желательна в коммерческих стеках для минимизации эксплуатационных расходов на энергию. Низкая эффективность тока указывает на расщепление воды в потоках дилюата или концентрата, шунтирующие токи между электродами или обратную диффузию ионов из концентрата в дилюат.

Текущая эффективность рассчитывается по формуле: ^[9]

${\displaystyle \xi ={\frac {zFQ_{f}(C_{inlet}^{d}-C_{outlet}^{d})}{NI}}}$

где

${\displaystyle \xi }$= текущая эффективность использования

${\displaystyle z}$= заряд иона

${\displaystyle F}$= постоянная Фарадея , 96,485 Ампер -с/ моль

${\displaystyle Q_{f}}$= расход разбавленного раствора, л /с

${\displaystyle C_{inlet}^{d}}$= концентрация разбавленного раствора на входе в ЭД-ячейку , моль/л

${\displaystyle C_{outlet}^{d}}$= концентрация разбавленного раствора на выходе из ячейки ЭД, моль/л

${\displaystyle N}$= количество пар клеток

${\displaystyle I}$= ток, Амперы.

Эффективность тока обычно зависит от концентрации сырья. ^[10]

Поскольку электродиализ работает путем транспортировки ионов соли из разбавленных каналов в концентрированные каналы, потребление энергии значительно увеличивается по мере увеличения концентрации исходной соли. Опреснение морской воды обычно более энергоэффективно с помощью обратного осмоса, чем электродиализа. ^{[ требуется цитата ]} Однако для водных потоков с более низкой концентрацией соли электродиализ может быть наиболее энергоэффективным процессом. Кроме того, водные потоки с очень высокой концентрацией соли, которые невозможно разделить с помощью обратного осмоса, можно концентрировать с помощью электродиализа до концентраций, близких к насыщению. Это очень полезно для обработки с нулевым сбросом жидкости , обеспечивая снижение потребления энергии по сравнению с испарением.

Приложения

В применении системы электродиализа могут работать как непрерывные производственные процессы или процессы периодического производства . В непрерывном процессе сырье проходит через достаточное количество последовательно установленных стопок для получения конечного желаемого качества продукта. В периодических процессах потоки разбавленного и/или концентрированного раствора рециркулируются через системы электродиализа до тех пор, пока не будет достигнуто конечное качество продукта или концентрата.

Электродиализ обычно применяется для деионизации водных растворов. Однако возможно также обессоливание слабопроводящих водных органических и органических растворов. Некоторые применения электродиализа включают: [ 2 ] ^{[ 4]} [ ^5]

• Крупномасштабное опреснение солоноватой и морской воды и производство соли.
• Малое и среднее производство питьевой воды (например, города и деревни, строительные и военные лагеря, снижение уровня нитратов , гостиницы и больницы)
• Повторное использование воды (например, очистка рассола при опреснении , сточные воды промышленных прачечных , пластовая вода при добыче нефти и газа, подпитка и продувка градирен , жидкости металлургической промышленности, вода из моек)
• Предварительная деминерализация (например, подпитка и предварительная очистка котлов , предварительная очистка сверхчистой воды, опреснение технологической воды, производство электроэнергии , полупроводников , химическое производство, продукты питания и напитки)
• Пищевая промышленность
• Сельскохозяйственная вода (например, вода для теплиц , гидропоники , орошения , животноводства )
• Обессоливание гликолем (например, антифризы /охлаждающие жидкости для двигателей, электролитные жидкости конденсаторов , осушка нефти и газа , кондиционирование и обработка растворов, промышленные теплоносители , вторичные охладители для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ( HVAC ))
• Очистка глицерина ^{[ сомнительно – обсудить ]}
• Регенерация кислот и оснований из солей ^[11]
• Извлечение ценных растворенных веществ из сточных вод ^[12]
• Нулевой слив жидкости (ZLD) ^[13]

Основным применением электродиализа исторически было опреснение солоноватой воды или морской воды в качестве альтернативы обратному осмосу для производства питьевой воды и концентрирования морской воды для производства соли (в основном в Японии ). ^[4] При обычном производстве питьевой воды без требования высокой степени извлечения обратный осмос обычно считается более рентабельным, когда общее содержание растворенных твердых веществ (TDS) составляет 3000 частей на миллион (ppm) или больше, в то время как электродиализ более рентабельн при концентрациях TDS в исходном сырье менее 3000 ppm или когда требуется высокая степень извлечения в исходном сырье. ^{[ необходима цитата ]}

Другим важным применением электродиализа является производство чистой и сверхчистой воды методом электродеионизации (EDI). В EDI отсеки очистки, а иногда и отсеки концентрирования электродиализа заполняются ионообменной смолой . При подаче сырья с низким содержанием TDS (например, сырья, очищенного RO), продукт может достигать очень высоких уровней чистоты (например, 18 M Ω -см). Ионообменные смолы удерживают ионы, позволяя им транспортироваться через ионообменные мембраны. Основное применение систем EDI — электроника, фармацевтика, энергетика и градирни.

Электродиализ может адаптироваться к прерывистому потреблению энергии и изменениям напряжения, поэтому его можно легко подключить к возобновляемым источникам электроэнергии ^[14]

Селективный электродиализ

Селективный электродиализ использует ионообменные мембраны для концентрации только некоторых ионов, тогда как другие виды остаются в разбавленном канале. Селективный электродиализ обычно выполняется с использованием одновалентных анионообменных и/или катионообменных мембран, которые допускают миграцию только одновалентных анионов или катионов соответственно. Это полезно, когда требуется отделить только одновалентные ионы, что снижает потребление электроэнергии и время опреснения. ^[15] Например, это полезно для оросительной воды. Одновалентные катионы обычно особенно вредны (Na ⁺ , Cl ^- ) для сельскохозяйственных культур, тогда как большинство двухвалентных ионов (Ca ⁺² , Mg ⁺² , SO ^4- ₂ ) являются полезными питательными веществами для растений. Поэтому одновалентный селективный электродиализ может обеспечить воду с идеальным составом для сельского хозяйства, снижая необходимость в минеральном удобрении. ^[16]

Ограничения

Электродиализ имеет неотъемлемые ограничения, лучше всего работая при удалении низкомолекулярных ионных компонентов из потока подачи. Незаряженные, более высокомолекулярные и менее подвижные ионные виды обычно не будут значительно удалены. Кроме того, в отличие от обратного осмоса, электродиализ становится менее экономичным, когда требуются чрезвычайно низкие концентрации соли в продукте и с умеренно проводящими подачами: плотность тока становится ограниченной, а эффективность использования тока обычно снижается по мере снижения концентрации соли в подаче, и с меньшим количеством ионов в растворе для переноса тока ионный транспорт, и энергоэффективность значительно снижаются. Следовательно, для удовлетворения требований к производительности для низкоконцентрированных (и умеренно проводящих) растворов подачи требуются сравнительно большие площади мембран. Доступны инновационные системы, преодолевающие неотъемлемые ограничения электродиализа (и обратного осмоса); эти интегрированные системы работают синергетически, при этом каждая подсистема работает в своем оптимальном диапазоне, обеспечивая наименьшие общие эксплуатационные и капитальные затраты для конкретного применения. ^[17]

Как и в случае с RO, системы электродиализа могут потребовать предварительной обработки сырья для удаления видов, которые покрывают, осаждаются или иным образом «загрязняют» поверхность ионообменных мембран. Это загрязнение снижает эффективность системы электродиализа. Виды, вызывающие беспокойство, включают кальциевую и магниевую жесткость , взвешенные твердые частицы , кремний и органические соединения. Умягчение воды может использоваться для удаления жесткости, а микрометрическая или мультимедийная фильтрация может использоваться для удаления взвешенных твердых частиц. Жесткость в частности является проблемой, поскольку на мембранах может образовываться накипь. Однако электродиализ может поддерживать более высокие концентрации этих загрязняющих веществ, чем обратный осмос. Кроме того, электродиализные мембраны, поскольку они имеют прямоугольную форму, можно извлекать из стопки и очищать, тогда как мембраны обратного осмоса нельзя очищать таким образом из-за их спиральной геометрии. Также доступны различные химикаты, помогающие предотвратить образование накипи. Кроме того, реверсивные системы электродиализа стремятся минимизировать образование накипи путем периодического изменения направления потоков разбавленного раствора и концентрата, а также полярности электродов.

Смотрите также

• Мощность градиента солености
• Опреснение воды
• Электродиализ обратный
• Электрохимическая инженерия
• Обратный осмос
• Протонообменная мембрана

Ссылки

1. Дэвис, ТА, «Электродиализ», в Справочнике по промышленной мембранной технологии, под ред. М.К. Портера, Noyes Publications, Нью-Джерси (1990)
2. Strathmann, H., «Электродиализ», в Membrane Handbook, WSW Ho и KK Sirkar, ред., Van Nostrand Reinhold, Нью-Йорк (1992)
3. Малдер, М., Основные принципы мембранной технологии, Kluwer, Дордрехт (1996)
4. Sata, T., Ионообменные мембраны: приготовление, характеристика, модификация и применение, Королевское химическое общество, Лондон (2004)
5. Strathmann, H., Процессы разделения с помощью ионообменной мембраны, Elsevier, Нью-Йорк (2004)
6. "ED - Превращение морской воды в питьевую воду". Архивировано из оригинала 2007-02-03 . Получено 2007-01-17 .
7. Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанн; Лоизиду, Мария (2019-11-25). «Методы утилизации и технологии очистки рассола для опреснения — обзор». Science of the Total Environment . 693 : 133545. Bibcode : 2019ScTEn.69333545P. doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. ISSN  0048-9697. PMID  31374511.
8. AWWA, Электродиализ и обратный электродиализа, Американская ассоциация водопроводных сооружений, Денвер (1995)
9. Шаффер, Л. и Минц, М., «Электродиализ» в книге «Принципы опреснения», под ред. Шпиглера, К. и Лэрда, А., 2-е изд., Academic Press, Нью-Йорк (1980)
10. Текущая эффективность использования
11. Лукин, А; Мараева, О; Высоцкая, Ю (2020-01-01). «Использование технологии электродиализа для регенерации соляной кислоты из кислых пектиновых экстрактов». Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 422 (1): 012080. Bibcode : 2020E&ES..422a2080L. doi : 10.1088/1755-1315/422/1/012080 . ISSN  1755-1307.
12. Девда, Виралкунвар; Чаудхари, Кашика; Варджани, Сунита; Патхак, Бхавана; Патель, Анил Кумар; Сингхания, Рита Рани; Тахерзаде, Мохаммед Дж.; Нго, Хуу Хао; Вонг, Джонатан У.К.; Го, Вэньшань; Чатурведи, Прити (01 января 2021 г.). «Восстановление ресурсов промышленных сточных вод с использованием электрохимических технологий: состояние, достижения и перспективы». Биоинженерия . 12 (1): 4697–4718. дои : 10.1080/21655979.2021.1946631. ISSN  2165-5979. ПМЦ 8806852 . ПМИД  34334104. 
13. Крупа, Ян; Котала, Томаш; Йиржичек, Томаш; Фарова, Хана; Гавелка, Ян (2019). «Нулевой сброс жидкости на основе электродиализа при очистке промышленных сточных вод». Водные науки и технологии . 79 (8): 1580–1586. дои : 10.2166/wst.2019.161. ПМИД  31169516 . Проверено 13 февраля 2023 г.
14. Фернандес-Гонсалес, К.; Домингес-Рамос, А.; Ибаньес, Р.; Ирабьен, А. (2015-07-01). «Оценка устойчивости электродиализа, работающего на фотоэлектрической солнечной энергии для производства пресной воды». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 47 : 604–615. Bibcode : 2015RSERv..47..604F. doi : 10.1016/j.rser.2015.03.018. ISSN  1364-0321.
15. «Модель SED — Технология селективного электродиализа».
16. «Новые применения моновалентного селективного электродиализа для очистки оросительных вод». Проф. Лиенхард . 2021. hdl :1721.1/141385.
17. Инамуддин (2017-06-01). Применение адсорбционной и ионообменной хроматографии в очистке сточных вод. Materials Research Forum LLC. ISBN 9781945291333.

Библиография

• Inamuddin (2017-06-01). Применение адсорбционной и ионообменной хроматографии в очистке сточных вод. Materials Research Forum LLC. ISBN 9781945291333.

Внешние ссылки

• А.А. Загородний, Ионообменные материалы: свойства и применение, Elsevier, Амстердам, (2006) Глава 17 - простое введение в электродиализ и описание различных электромембранных процессов