Электродиализ - Electrodialysis

Электродиализ ( ЭД ) используется для переноса 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 отделения для подачи (разбавления) и отделения для концентрата ( рассола ), образованного анионообменной мембраной и катионообменной мембраной, размещенной между двумя электродами . Почти во всех практических процессах электродиализа несколько электродиализных ячеек организованы в конфигурацию, называемую электродиализной батареей, с чередующимися анионными и катионообменными мембранами, образующими несколько электродиализных ячеек. Процессы электродиализа отличаются от методов дистилляции и других процессов на основе мембран (таких как обратный осмос (RO)) тем, что растворенные частицы удаляются из потока сырья, а не наоборот. Поскольку количество растворенных веществ в потоке сырья намного меньше, чем количество жидкости, электродиализ предлагает практическое преимущество гораздо более высокого извлечения сырья во многих областях применения.

Метод

В электродиализной батарее потоку разбавленного (D) исходного материала, потоку рассола или концентрата (C) и потоку электрода (E) позволяют проходить через соответствующие отсеки ячейки, образованные ионообменными мембранами . Под влиянием разности электрических потенциалов отрицательно заряженные ионы (например, хлорид ) в разбавленном потоке перемещаются к положительно заряженному аноду . Эти ионы проходят через положительно заряженную анионообменную мембрану, но их дальнейшая миграция к аноду предотвращается из-за отрицательно заряженной катионообменной мембраны, и поэтому они остаются в потоке углерода, 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 углерода, и их дальнейшая миграция к катоду предотвращается положительно заряженной анионообменной мембраной. 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 поэтому баланс заряда сохраняется в каждом потоке. Общий результат процесса электродиализа - увеличение концентрации ионов в потоке концентрата с истощением ионов в исходном потоке разбавленного раствора.

E-поток - это электродный поток, который проходит мимо каждого электрода в стопке. Этот поток может состоять из того же состава, что и исходный поток (например, хлорид натрия ), или может быть отдельным раствором, содержащим другие частицы (например, сульфат натрия ). В зависимости от конфигурации пакета 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 передачи тока через батарею и поддержания электрически нейтральных решений в батарее.

Анодные и катодные реакции

На каждом электроде происходят реакции . На катоде

2e ^- + 2 H ₂ O → H ₂ (г) + 2 OH ^-

находясь на аноде,

H ₂ O → 2 H ⁺ + ½ O ₂ (г) + 2e ^- или 2 Cl ^- → Cl ₂ (г) + 2e ^-

Небольшие количества водорода , газа образуются у катода и небольшие количеств либо кислород или хлор газа ( в зависимости от состава ионообменной мембраны расположения потока Е и конца) на аноде. Эти газы обычно впоследствии рассеиваются по мере того, как поток E, вытекающий из каждого электродного отсека, объединяется для поддержания нейтрального pH и сбрасывается или рециркулируется в отдельный резервуар E. Однако некоторые (например) предложили сбор газообразного водорода для использования в производстве энергии .

Эффективность

Эффективность тока - это мера того, насколько эффективные ионы переносятся через ионообменные мембраны при заданном приложенном токе. Обычно для коммерческих стеков желателен КПД по току> 80%, чтобы минимизировать эксплуатационные расходы на электроэнергию. Низкий КПД по току указывает на то, что в потоках разбавителя или концентрата может происходить расщепление воды, шунтирующие токи между электродами или обратная диффузия ионов из концентрата в разбавитель.

Текущий КПД рассчитывается по:

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

где

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

${\ displaystyle z}$= заряд иона

${\ displaystyle F}$= Постоянная Фарадея , 96 485 ампер-с / моль

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

${\ displaystyle C_ {вход} ^ {d}}$= Впускное разбавленный ЭД клеток концентрация , моль / л

${\ displaystyle C_ {розетка} ^ {d}}$ = концентрация разбавленного ED кюветы на выходе, моль / л

${\ displaystyle N}$ = количество пар ячеек

${\ displaystyle I}$ = ток, Ампер.

Текущая эффективность обычно зависит от концентрации корма.

Приложения

При применении системы электродиализа могут работать как в непрерывном, так и в периодическом режиме . В непрерывном процессе корм пропускается через достаточное количество штабелей, установленных последовательно, для получения конечного продукта желаемого качества. В периодических процессах потоки разбавителя и / или концентрата рециркулируют через системы электродиализа до тех пор, пока не будет достигнуто качество конечного продукта или концентрата.

Электродиализа обычно применяется к деионизации из водных растворов. Тем не менее, обессоливания труднорастворимых проводящих водных органических и органических растворах также возможно. Некоторые применения электродиализа включают:

• Крупномасштабное опреснение солоноватой и морской воды и производство соли.
• Производство питьевой воды в малых и средних масштабах (например, в городах и деревнях, строительных и военных городках, по снижению содержания нитратов , в гостиницах и больницах)
• Вода повторного использование (например, опреснение рассол обработка, промышленное белье сточных вод , пластовая вода из добычи нефти / газа, охлаждение башни макияжа и продувки, металлы промышленности жидкостей, мойка стойка воды)
• Предварительная деминерализация (например, подпитка и предварительная обработка котла, предварительная обработка сверхчистой воды, опреснение технологической воды, производство электроэнергии , полупроводники , химическое производство, продукты питания и напитки)
• Переработка пищевых продуктов
• Вода для сельскохозяйственных нужд (например, вода для теплиц , гидропоники , орошения , животноводства )
• Обессоливание гликоля (например, антифризы / охлаждающие жидкости двигателя, жидкости для конденсаторных электролитов , осушение нефти и газа , решения для кондиционирования и обработки, промышленные теплоносители , вторичные охлаждающие жидкости из систем отопления, вентиляции и кондиционирования ( HVAC ))
• Очистка глицерина

Основным применением электродиализа исторически было опреснение солоноватой воды или морской воды в качестве альтернативы обратному осмотру для производства питьевой воды и концентрации морской воды для производства соли (в основном в Японии ). При обычном производстве питьевой воды без требования высокой степени извлечения обратный осмос обычно считается более экономичным, когда общее количество растворенных твердых веществ (TDS) составляет 3000 частей на миллион (ppm) или больше, а электродиализ более рентабелен для TDS. концентрации корма менее 3000 частей на миллион или когда требуется высокий уровень извлечения корма.

Еще одно важное применение электродиализа - получение чистой воды и сверхчистой воды с помощью электродеионизации (EDI). В EDI отсеки очистки, а иногда и отсеки концентрирования электродиализного пакета заполнены ионообменной смолой . При подаче корма с низким TDS (например, корма очищают с помощью обратного осмоса), продукт может достигать очень высоких уровней чистоты (например, 18 М Ω · см). Ионообменные смолы удерживают ионы, позволяя им переноситься через ионообменные мембраны. В основном системы EDI используются в электронике, фармацевтике, производстве электроэнергии и градирнях.

Ограничения

Электродиализу присущи ограничения, он лучше всего работает при удалении низкомолекулярных ионных компонентов из потока сырья. Незаряженные частицы с более высокой молекулярной массой и менее подвижные ионные частицы 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 с умеренно проводящей подачей: плотность тока становится ограниченной, а эффективность использования тока обычно снижается по мере того, как концентрация исходной соли становится ниже и с меньшим количеством ионов в Решение переносить ток, как ионный транспорт, так и энергоэффективность значительно снижаются. Следовательно, требуются сравнительно большие площади мембраны для удовлетворения требований к емкости для исходных растворов с низкой концентрацией (и с низкой проводимостью). Доступны инновационные системы, позволяющие преодолеть ограничения, присущие электродиализу (и RO); Эти интегрированные системы работают синергетически, при этом каждая подсистема работает в своем оптимальном диапазоне, обеспечивая наименьшие общие эксплуатационные и капитальные затраты для конкретного приложения.

Как и в случае с обратным осмосом, электродиализные системы требуют предварительной обработки сырья для удаления частиц, которые покрывают, осаждают или иным образом «загрязняют» поверхность ионообменных мембран. Это загрязнение снижает эффективность электродиализной системы. Вызывающие озабоченность виды включают кальциевую и магниевую жесткость , взвешенные твердые частицы , кремнезем и органические соединения. Умягчение воды может использоваться для удаления жесткости, а микрометровая или мультимедийная фильтрация может использоваться для удаления взвешенных твердых частиц. В частности, вызывает беспокойство твердость, поскольку на мембранах может образовываться накипь. Также доступны различные химические вещества, помогающие предотвратить образование накипи. Кроме того, системы реверсирования электродиализа стремятся минимизировать образование накипи за счет периодического изменения направления потоков разбавителя и концентрата и полярности электродов.

Смотрите также

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

Рекомендации

Библиография

• Инамуддин (2017-06-01). Применение адсорбционной и ионообменной хроматографии в очистке сточных вод . ООО «Форум исследования материалов». ISBN 9781945291333.

Внешние ссылки

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