الکترودیالیز

سیستم الکترودیالیز Electro dialysis

 

مقدمه

الكترودیالیز  كه با علامت مخفف ED نشان داده می شود، یك فرآیند جداسازی غشایی می باشد كه در آن از اختلاف پتانسیل الكتریكی به عنوان نیروی محركه جهت انتقال یون ها استفاده می گردد. این فرآیند بعد از جنگ جهانی دوم در سال 1946 برای اولین مرتبه مورد توجه قرار گرفت و از اوایل سال 1970 برای كاربرد در تصفیه آب و فاضلاب های صنعتی توسعه یافت. بیشترین كاربرد این روش در تهیه آب آشامیدنی یا آب صنعتی از آب هایی با T.D.S. كمتر از 5000 ppm می باشد. سیستم های الكترودیالیز كلاسیك  و الكترودیالیز معكوس  ، از تكنولوژی های الكتروشیمی و سل های غشایی برای جداسازی یون ها از محلول های مختلف استفاده می كنند. این سیستم ها در صنایع غذایی، دارویی و سایر كاربردهای ویژه به كار گرفته می شوند و هدف اصلی در آنها تولید آب آشامیدنی مطلوب یا آب بدون یون از منبع آب خوراكی حاوی مواد معدنی می باشد.

 

 

اساس فرآیند

اساس دستگاه الكترودیالیز در شكل 1 نشان داده شده است. در این سیستم از غشاهای پلیمری حاوی رزین های تبادل یونی استفاده می گردد. این رزین ها بر روی پارچه هایی پلیمری مانند پلی اتیلن پوشش داده شده اند. پرده های كاتیونی نسبت به كاتیون ها تراوا می باشند و آنیون ها فقط می توانند از غشاهای آنیونی عبور نمایند. 

 

شكل 1: اساس یك سیستم الكترودیالیز ساده

 

 

به طور معمول در هر دستگاه  تجارتی حدود 300 الی 500 غشای كاتیونی و با تعداد مساوی غشای آنیونی وجود دارد. در بین غشاها توری های پلیمری تحت عنوان جداكننده  وجود دارد. این سیستم دارای الكترودهای مثبت (آند) و منفی (كاتد) می باشد. با اتصال الكترودهای آند و كاتد به یك منبع جریان مستقیم و برقراری اختلاف پتانسیل مناسب، یك میدان الكتریكی بین الكترودها به وجود می آید. وجود میدان الكتریكی و نیروی محركه ناشی از آن موجب حركت كاتیون ها به سمت الكترود منفی (كاتد) و حركت آنیون ها به سمت الكترود مثبت (آند) می گردد.

فضای بین دو غشای غیر هم نام سل  نامیده می شود. با توجه به شكل 1 اگر سل شامل غشاهای (1) و (2) در نظر گرفته شود، كاتیون ها باید به سمت كاتد حركت كنند، ولی به دلیل وجود غشای آنیونی چنین حركتی رخ نمی دهد و آنیون های این سل باید به طرف آند حركت كنند كه به دلیل وجود غشای آنیونی چنین حركتی رخ نمی دهد و آنیون های این سل باید به طرف آند حركت كنند كه به دلیل وجود غشای كاتیونی سمت چپ این سل متوقف می گردند. كاتیون های موجود بین غشاهای (2) و (3) می توانند به طرف كاتد در سمت راست حركت كنند و به همین ترتیب آنیون های بین غشای ذكر شده از سمت چپ وارد سل مجاور می گردند. بدین ترتیب T.D.S. آب در برخی از سل ها كاسته می شود و در بقیه افزایش می یابد. گازها غالباً در الكترودها تشكیل می شوند، نظیر گاز هیدروژن در كاتد و اكسیژن و كلر در آند.

 

اجزای تشكیل دهنده یك سیستم الكترودیالیز

1- غشاها 

غشاهای سیستم الكترودیالیز از نظر جنس، مشابه رزین های تعویض یون هستند و از انواع كاتیونی و آنیونی می باشند. غشاها با ضخامت كم و به طور معمول با ابعاد 25×23 یا 50×46 و یا 100×46 سانتی متر ساخته می شوند. 

 

- غشاهای كاتیونی  :

معمولاً این نوع غشاها یك نوع رزین تبادل یونی كاتیونی از جنس پلی استایرن دی وینیل بنزن و مشابه رزین های كاتیونی مبادله كننده یون، در تصفیه آب هستند كه شكل ظاهری و میزان جذب یون در آنها متفاوت می باشد. گونه ای از غشاهای الكترودیالیز ساخته شده از پارچه های پلیمری وجود دارند كه رزین های تبادل یونی به صورت پودری روی آنها نشانیده شده اند و آخرین پدیده در مورد ساخت این رزین ها ایجاد نوع ویژه ای است كه خلل و فرج یا به عبارت دیگر سطح تماس زیادی دارند. این رزین ها مقاومت بیشتری در برابر تخریب ناشی از حرارت، شوك اسمزی، حمله مواد آلی و اكسید كننده ها دارند. ضخامت این غشاها حدود نیم میلی متر می باشد.

 

- غشاهای آنیونی  :

این نوع غشاها نیز یك نوع رزین تبادل یونی آنیونی می باشند كه به شكل صفحه تهیه می گردند. ضخامت این نوع غشاها نیز در حدود نیم میلی متر می باشد. غشای كاتیونی به رنگ كهربایی و غشای آنیونی به رنگ سفید می باشد.

 

- غشاهای الكترودیالیز آنیونی سنگین  :

در برخی از مكان های داخل سیستم الكترودیالیز كه اختلاف فشار وجود دارد، مانند قسمت هایی شامل الكترود به منظور شست و شوی آن و پاك كردن رسوبات و لجن ایجاد شده، آب با فشار بیشتری جریان دارد، لذا از غشاهای با دو برابر ضخامت غشاهای معمولی استفاده می گردد. ضخامت این نوع غشاها حدود یك میلی متر و به نوع غشاهای سنگین معروف‌می باشند.

غشاهای سیستم الكترودیالیز بایستی دارای ویژگی های مشخص باشند. این ویژگی ها عبارتند از:

- غیر قابل نفوذ بودن در برابر آب تحت فشار.

- هدایت جریان الكتریسیته.

- قابلیت عبور دادن یكی از یون های مثبت یا منفی.

- غیر قابل حل بودن در آب.

- سهولت حمل و نقل (به صورت نیمه سخت ساخته می شوند).

- مقاوم در دمای بالاتر از 45° C.

- مقاوم در برابر فشار اسمزی.

- مقاوم در برابر رسوبات و لجن ها.

 

2- الكترودها 

الكترودها از تیتانیم (Ti) یا نیوبیوم (Nb) با روپوشی از پالادیوم (Pd) یا پلاتین (Pt) ساخته می شوند تا در برابر محیط های اسیدی، قلیایی و ولتاژ اعمال شده مقاوم باشند. در اثر استفاده یا جابجایی نامناسب، این پوشش از بین می رود و موجب كاهش كارایی الكترودها می شود كه الكترودهای معیوب باید تعویض یا ترمیم شوند.

 

 

3- توری های پلیمری 

غشاها توسط جداكننده های پلیمری از یكدیگر مجزا می شوند. به طور معمول ضخامت این توری ها در فضای بین غشاها نیم میلی متر و در كنار الكترودها یك میلی متر می باشد.

 

4- پمپ ها 

پمپ های مورد استفاده در دستگاه های الكترودیالیز فشار پایین هستند و از انواع معمولی می باشند.

 

5- سل 

فضای مابین دو غشای غیر هم نام را یك سل می نامند. به عبارت دیگر هر سل شامل یك غشای كاتیونی، یك توری پلیمری و یك غشای آنیونی می باشد.

 

6- دستگاه مدول 

به دستگاه هایی كه شامل تعداد زیادی سل باشند، دستگاه مدول می گویند.