Электродиализ

Прикладной электрический потенциальный транспорт ионов солей.

Электродиализ ( ЭД ) используется для транспортировки ионов соли из одного раствора через ионообменные мембраны в другой раствор под действием приложенной разности электрических потенциалов . Это делается в конфигурации, называемой электродиализной ячейкой. Ячейка состоит из отсека питания (разбавленного) и отсека концентрата ( рассола ), образованного анионообменной мембраной и катионообменной мембраной, расположенными между двумя электродами . Почти во всех практических процессах электродиализа несколько электродиализных ячеек расположены в конфигурации, называемой электродиализной стопкой, с чередующимися анионными и катионообменными мембранами, образующими несколько электродиализных ячеек. Процессы электродиализа отличаются от методов дистилляции и других мембранных процессов (таких как обратный осмос (RO)) тем, что растворенные вещества удаляются из потока сырья, тогда как другие процессы удаляют воду из оставшихся веществ. Поскольку количество растворенных веществ в потоке сырья намного меньше, чем в жидкости, электродиализ предлагает практическое преимущество, заключающееся в гораздо более высокой степени извлечения сырья во многих применениях. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]}

Метод

В электродиализной установке поток разбавленного (D) сырья, поток рассола или концентрата (С) и поток электрода (Е) пропускают через соответствующие клеточные отсеки, образованные ионообменными мембранами . Под действием 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 отрицательно заряженная катионообменная мембрана препятствует их дальнейшей миграции к аноду и поэтому остаются в потоке C, который концентрируется вместе с анионами. Положительно заряженные частицы (например, натрий ) в потоке D мигрируют к отрицательно заряженному катоду и проходят через отрицательно заряженную катионообменную мембрану. Эти катионы также остаются в потоке C, предотвращая дальнейшую миграцию к катоду положительно заряженной анионообменной мембраной. ^[8] В результате миграции анионов и катионов между катодом и анодом течет электрический ток . Только равное количество эквивалентов зарядов анионов и катионов переносится из потока D в поток C, поэтому баланс зарядов поддерживается в каждом потоке. Общим результатом процесса электродиализа является увеличение концентрации ионов в потоке концентрата при обеднении ионов в потоке исходного разбавленного раствора.

Поток E представляет собой поток электродов, протекающий мимо каждого электрода в стопке. Этот поток может состоять из того же состава, что и исходный поток (например, хлорид натрия ), или может представлять собой отдельный раствор, содержащий другое вещество (например, сульфат натрия ). ^[5] Поток E обычно используется для предотвращения восстановления и/или окисления ионов соли из сырья, поступающего в электродные пластины. В зависимости от конфигурации пакета анионы и катионы из потока электродов могут переноситься в поток C, или анионы и катионы из потока D могут переноситься в поток E. В каждом случае этот транспорт необходим для передачи тока через стек и поддержания электрически нейтральных решений стека.

Анодные и катодные реакции

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

2e ⁻ + 2 H ₂ O → H ₂ (г) + 2 OH ⁻

находясь на аноде, ^[3]

H ₂ O → 2 H ⁺ + ½ O ₂ (g) + 2e ⁻ или 2 Cl ⁻ → Cl ₂ (g) + 2e ⁻

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

Эффективность

Эффективность по току — это мера того, насколько эффективно ионы транспортируются через ионообменные мембраны при данном приложенном токе. Обычно в коммерческих системах желателен КПД по току >80%, чтобы минимизировать эксплуатационные затраты на электроэнергию. Низкий выход по току указывает на расщепление воды в потоках разбавителя или концентрата, шунтирующие токи между электродами или обратную диффузию ионов из концентрата в разбавитель.

Выход по току 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

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

${\displaystyle Q_{f}}$= расход разбавленной жидкости, л /с

${\displaystyle C_{inlet}^{d}}$= входная концентрация разбавленных ЭД-клеток , моль/л

${\displaystyle C_{outlet}^{d}}$= концентрация разбавленных ЭД-клеток на выходе, моль/л

${\displaystyle N}$= количество пар ячеек

${\displaystyle I}$= ток, Ампер.

Текущая эффективность обычно зависит от концентрации корма. ^[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. ^{[ нужна ссылка ]} Однако для водных потоков с более низкой концентрацией соли электродиализ может быть наиболее энергоэффективным процессом. Кроме того, потоки воды с очень высокими концентрациями солей, которые невозможно отделить обратным осмосом, можно концентрировать с помощью электродиализа до концентраций, близких к насыщению. Это очень полезно для обработки с нулевым сбросом жидкости , поскольку обеспечивает снижение энергопотребления по сравнению с испарением.

Приложения

При применении электродиализные системы могут работать как в непрерывном , так и в серийном производстве . В ходе непрерывного процесса корм проходит через достаточное количество последовательно расположенных штабелей для получения конечного продукта желаемого качества. В периодических процессах потоки разбавителя и/или концентрата рециркулируются через системы электродиализа до тех пор, пока не будет достигнуто качество конечного продукта или концентрата.

Электродиализ обычно применяют для деионизации водных растворов. Однако возможно также обессоливание малопроводящих водно- 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, системы снижения содержания нитратов , гостиницы и больницы)
• Повторное использование воды (например, очистка рассола для опреснения , сточные воды промышленных прачечных , пластовая вода при добыче нефти и газа, подпитка и продувка градирен , жидкости металлургической промышленности, вода из промывочных стоек)
• Предварительное деминерализация (например, подпитка и предварительная обработка котлов , предварительная обработка сверхчистой воды, опреснение технологической воды, производство электроэнергии , производство полупроводников , химическое производство, продукты питания и напитки)
• Переработка пищевых продуктов
• Сельскохозяйственная вода (например, вода для теплиц , гидропоники , орошения , животноводства )
• Гликолевое обессоливание (например, антифриз /охлаждающие жидкости двигателя, жидкости для электролитов конденсаторов , осушка нефти и газа , растворы для кондиционирования и обработки, промышленные теплоносители , вторичные охлаждающие жидкости от отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ( HVAC ))
• Очистка глицерином ^{[ сомнительно ]}
• Кислотная и щелочная регенерация из солей ^[11]
• Утилизация ценных растворенных веществ из сточных вод ^[12]
• Нулевой слив жидкости (ZLD) ^[13]

Основным применением электродиализа исторически было опреснение солоноватой или морской воды в качестве альтернативы обратному осмоса для производства питьевой воды и концентрации морской воды для производства соли (в основном в Японии ). ^[4] При обычном производстве питьевой воды без необходимости высокой степени извлечения обратный осмос обычно считается более рентабельным, когда общее содержание растворенных твердых веществ (TDS) составляет 3000 частей на миллион (ppm) или выше, в то время как электродиализ является более экономичным. эффективен при концентрации TDS в корме менее 3000 частей на миллион или когда требуется высокая степень извлечения корма. ^{[ нужна цитата ]}

Еще одним важным применением электродиализа является производство чистой и сверхчистой воды путем электродионизации (EDI). В EDI очищающие отсеки, а иногда и концентрирующие отсеки электродиализной установки заполнены ионообменной смолой . При кормлении кормом с низким содержанием TDS (например, кормом, очищенным методом обратного осмоса), продукт может достигать очень высокого уровня чистоты (например, 18 МОм - см). Ионообменные смолы удерживают ионы, позволяя им транспортироваться через ионообменные мембраны. Системы EDI в основном используются в электронике, фармацевтике, производстве электроэнергии и градирнях.

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

Селективный электродиализ

В селективном электродиализе используются ионселективные обменные мембраны для концентрации только некоторых ионов, тогда как другие частицы остаются в разбавленном канале. Селективный электродиализ обычно проводится с использованием одновалентных анионов и/или катионообменных мембран, которые обеспечивают миграцию только одновалентных анионов или катионов соответственно. Это полезно, когда необходимо отделить только одновалентные ионы, что снижает потребление электроэнергии и время опреснения. ^[15] Например, это полезно для поливной воды. Одновалентные катионы обычно (Na ⁺ , Cl- ⁾ особенно вредны для сельскохозяйственных культур, тогда как большинство двухвалентных ионов (Ca ⁺² , Mg ⁺² , SO ^4- ₂ ) являются полезными питательными веществами для растений. Таким образом, моновалентный селективный электродиализ может обеспечить воду идеального состава для сельского хозяйства, снижая необходимость минеральных удобрений. ^[16]

Ограничения

Электродиализ имеет свои ограничения: лучше всего он удаляет низкомолекулярные ионные компоненты из потока сырья. Незаряженные ионные частицы с более высокой молекулярной массой и менее подвижные ионы обычно не удаляются в значительной степени. Кроме того, в отличие от обратного осмоса, электродиализ становится менее экономичным, когда требуются чрезвычайно низкие концентрации соли в продукте и при использовании малопроводящего сырья: плотность тока становится ограниченной, а эффективность использования тока обычно снижается по мере того, как концентрация исходной соли становится ниже, а также при меньшем количестве ионов в Решение для переноса тока сильно снижает как транспорт ионов, так и энергоэффективность . Следовательно, для удовлетворения требований по производительности для питательных растворов с низкой концентрацией (и низкой проводимостью) требуются сравнительно большие площади мембран. Доступны инновационные системы, преодолевающие присущие электродиализу (и RO) ограничения; эти интегрированные системы работают синергетически, при этом каждая подсистема работает в оптимальном диапазоне, обеспечивая наименьшие общие эксплуатационные и капитальные затраты для конкретного применения. ^[17]

Как и в случае с RO, электродиализные системы могут потребовать предварительной обработки сырья для удаления частиц, которые покрывают, осаждаются или иным образом «загрязняют» поверхность ионообменных мембран. Это загрязнение снижает эффективность электродиализной системы. Вызывающие беспокойство виды включают кальциевую и магниевую жесткость , взвешенные твердые вещества , кремнезем и органические соединения. Для удаления жесткости можно использовать умягчение воды , а для удаления взвешенных веществ — микрометрическую или мультимедийную фильтрацию . Особую озабоченность вызывает твердость, поскольку на мембранах может образовываться накипь. Однако электродиализ может поддерживать более высокие концентрации этих загрязнений, чем обратный осмос. Кроме того, электродиализные мембраны, поскольку они имеют прямоугольную форму, можно вынимать из стопки и очищать, тогда как мембраны обратного осмоса не могут быть очищены таким образом из-за их спиральной геометрии. Также доступны различные химические вещества, помогающие предотвратить образование накипи. Кроме того, системы реверсирования электродиализа стремятся свести к минимуму образование отложений путем периодического изменения потоков разбавителя и концентрата, а также полярности электродов.

Смотрите также

• Мощность градиента солености
• Опреснение воды
• Реверсирование электродиализа
• Электрохимическая инженерия
• Обратный осмос
• Протонообменная мембрана

Рекомендации

1. Дэвис, Т.А., «Электродиализ», в Справочнике по промышленным мембранным технологиям, MC Porter, изд., Noyes Publications, Нью-Джерси (1990).
2. Стратманн, Х., «Электродиализ», в Справочнике по мембранам, WSW Хо и К. К. Сиркар, ред., Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк (1992).
3. Малдер, М., Основные принципы мембранной технологии, Kluwer, Dordrecht (1996).
4. Сата, Т., Ионообменные мембраны: приготовление, характеристика, модификация и применение, Королевское химическое общество, Лондон (2004).
5. Strathmann, H., Процессы разделения ионообменных мембран, Elsevier, Нью-Йорк (2004).
6. «ED - Превращение морской воды в питьевую воду» . Архивировано из оригинала 3 февраля 2007 г. Проверено 17 января 2007 г.
7. Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанна; Лоизиду, Мария (25 ноября 2019 г.). «Методы утилизации и технологии очистки опреснительных рассолов. Обзор». Наука об общей окружающей среде . 693 : 133545. Бибкод : 2019ScTEn.693m3545P. doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. ISSN  0048-9697. ПМИД  31374511.
8. AWWA, Электродиализ и реверсирование электродиализа, Американская ассоциация водопроводных предприятий, Денвер (1995)
9. Шаффер Л. и Минц М., «Электродиализ» в «Принципах опреснения», Шпиглер К. и Лэрд А., ред., 2-е изд., Academic Press, Нью-Йорк (1980).
10. Текущая эффективность использования
11. Лукин, А; Мараева О; Высоцкая Ю. (01.01.2020). «Использование технологии электродиализа для регенерации соляной кислоты из кислых пектиновых экстрактов». Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 422 (1): 012080. 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. «Нулевой сброс жидкости на основе электродиализа при очистке промышленных сточных вод» . iwaponline.com . дои : 10.2166/wst.2019.161 . Проверено 13 февраля 2023 г.
14. Фернандес-Гонсалес, К.; Домингес-Рамос, А.; Ибаньес, Р.; Ирабиен, А. (01 июля 2015 г.). «Оценка устойчивости электродиализа, работающего на фотоэлектрической солнечной энергии, для производства пресной воды». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 47 : 604–615. дои : 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». Профессор Линхард . 2021.
17. Инамуддин (01.06.2017). Применение адсорбционной и ионообменной хроматографии при очистке сточных вод. ООО «Материалоисследовательский Форум». ISBN 9781945291333.

Библиография

• Инамуддин (01.06.2017). Применение адсорбционной и ионообменной хроматографии при очистке сточных вод. ООО «Материалоисследовательский Форум». 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.