Elektrodialyse - Electrodialysis

Elektrodialyse ( ED ) blir brukt til å transportere saltioner fra en oppløsning ved ionebytter-membraner til en annen løsning under påvirkning av en påført elektrisk potensial forskjell. Dette gjøres i en konfigurasjon som kalles en elektrodialysecelle. Cellen består av et mate (fortynnet) rom og et konsentrat ( saltlake ) rom dannet av en anionbyttermembran og en kationbyttermembran plassert mellom to elektroder . I nesten alle praktiske elektrodialyseprosesser arrangeres flere elektrodialyseceller i en konfigurasjon som kalles en elektrodialysestabel, med vekslende anion- og kationbyttermembraner som danner flere elektrodialyseceller. Elektrodialyseprosesser er forskjellige fra destillasjonsteknikker og andre membranbaserte prosesser (for eksempel omvendt osmose (RO)) ved at oppløste arter flyttes bort fra matestrømmen i stedet for omvendt. Fordi mengden av oppløste arter i matestrømmen er langt mindre enn væskens, gir elektrodialyse den praktiske fordelen med mye høyere fôrgjenvinning i mange anvendelser.

Metode

I en elektrodialysestabel får den fortynnede (D) tilførselsstrømmen, saltoppløsningen eller konsentrat (C) og elektroden (E) strømmen å strømme gjennom de aktuelle celleområdene dannet av ionebyttermembranene . Under påvirkning av en elektrisk potensialforskjell migrerer de negativt ladede ionene (f.eks. Klorid ) i den fortynnede strømmen mot den positivt ladede anoden . Disse ionene passerer gjennom den positivt ladede anionbyttermembranen, men forhindres fra videre migrasjon mot anoden av den negativt ladede kationbyttermembranen og forblir derfor i C-strømmen, som blir konsentrert med anionene. De positivt ladede artene (f.eks. Natrium ) i D-strømmen vandrer mot den negativt ladede katoden og passerer gjennom den negativt ladede kationbyttermembranen. Disse kationene forblir også i C-strømmen, forhindret fra videre migrasjon mot katoden av den positivt ladede anionbyttermembranen. Som et resultat av migrasjonen av anion og kation strømmer elektrisk strøm mellom katoden og anoden. Bare et like antall anion- og kationladningsekvivalenter overføres fra D-strømmen til C-strømmen, slik at ladningsbalansen opprettholdes i hver strøm. Det samlede resultatet av elektrodialyseprosessen er en økning av ionekonsentrasjonen i konsentratstrømmen med en uttømming av ioner i den fortynnede løsningens tilførselsstrøm.

E-strømmen er elektrodestrømmen som flyter forbi hver elektrode i stabelen. Denne strømmen kan bestå av samme sammensetning som tilførselsstrømmen (f.eks. Natriumklorid ) eller kan være en separat løsning som inneholder en annen art (f.eks. Natriumsulfat ). Avhengig av stabelkonfigurasjonen kan anioner og kationer fra elektrodestrømmen transporteres inn i C-strømmen, eller anioner og kationer fra D-strømmen kan transporteres inn i E-strømmen. I hvert tilfelle er denne transporten nødvendig for å føre strøm over stakken og opprettholde elektrisk nøytrale stabeløsninger.

Anode- og katodereaksjoner

Reaksjoner finner sted ved hver elektrode. Ved katoden,

2e ^- + 2 H ₂ O → H ₂ (g) + 2 OH ^-

mens du er i anoden,

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

Små mengder av hydrogengass dannes ved katoden og små mengder av enten oksygen eller klorgass (avhengig av sammensetningen av E-strømmen og ende ionebyttermembranen ordning) ved anoden. Disse gassene blir typisk deretter spredt når E-strømmen fra hvert elektroderom kombineres for å opprettholde en nøytral pH og slippes ut eller resirkuleres til en separat E-tank. Imidlertid har noen (f.eks.) Foreslått innsamling av hydrogengass til bruk i energiproduksjon .

Effektivitet

Strømeffektivitet er et mål på hvor effektive ioner transporteres over ionebytemembranene for en gitt påført strøm. Vanligvis er nåværende effektivitetsgrad> 80% ønskelig i kommersielle stabler for å minimere driftskostnader for energi. Lave strømutbytter indikere vannspalting i diluatet eller konsentratstrømmene, shunt- strømmene mellom elektrodene, eller tilbake- diffusjon av ioner fra konsentratet til diluat ha oppstått.

Nåværende effektivitet beregnes i henhold til:

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

hvor

${\ displaystyle \ xi}$ = nåværende utnyttelseseffektivitet

${\ displaystyle z}$= ladning av ionet

${\ displaystyle F}$= Faradays konstant , 96.485 Amp -s / mol

${\ displaystyle Q_ {f}}$= fortynnet strømningshastighet, L / s

${\ displaystyle C_ {innløp} ^ {d}}$= Fortynnede ED celle innløpskonsentrasjon , mol / l

${\ displaystyle C_ {outlet} ^ {d}}$ = fortynnet ED-celleutløpskonsentrasjon, mol / L.

${\ displaystyle N}$ = antall cellepar

${\ displaystyle I}$ = strøm, forsterkere.

Nåværende effektivitet er vanligvis en funksjon av fôrkonsentrasjonen.

applikasjoner

Ved anvendelse kan elektrodialysesystemer drives som kontinuerlig produksjons- eller batchproduksjon . I en kontinuerlig prosess blir matingen ført gjennom et tilstrekkelig antall stabler plassert i serie for å produsere den endelige ønskede produktkvaliteten. I satsvise prosesser sirkuleres fortynnings- og / eller konsentratstrømmene gjennom elektrodialysesystemene til sluttproduktet eller konsentratkvaliteten er oppnådd.

Elektrodialyse brukes vanligvis til avionisering av vandige løsninger. Avsaltning av lite ledende vandige organiske og organiske løsninger er imidlertid også mulig. Noen anvendelser av elektrodialyse inkluderer:

• Storskala brakkvann og sjøvann avsalting og salt produksjon.
• Små og mellomstore drikkevannsproduksjoner (f.eks. Byer og landsbyer, bygging og militærleirer, nitratreduksjon , hotell og sykehus)
• Gjenbruk av vann (f.eks. Rensing av saltløsning , industrielt kloakkavløpsvann , produsert vann fra olje / gassproduksjon, kjøletårnsmakeup og nedblåsing, væsker i metallindustrien, vaskehyllevann)
• For demineralisering (f.eks. Sminke og forbehandling av kjele , forbehandling av ultrarent vann, avsalting av prosessvann, kraftproduksjon , halvleder , kjemisk produksjon, mat og drikke)
• Matforedling
• Landbruksvann (f.eks. Vann til drivhus , vannkultur , vanning , husdyr )
• Glycol avsalting (f.eks frostvæske / motor-kjølevæsker, kondensator elektrolyttvæsker, olje- og gass dehydrering , kondisjonering og bearbeiding av løsninger, industrielle varmeoverføringsvæsker , sekundær kjølevæske fra oppvarming, ventilering og luftkondisjonering ( HVAC ))
• Rensing av glyserin

Den viktigste anvendelsen av elektrodialyse har historisk vært avsalting av brakkvann eller sjøvann som et alternativ til RO for drikkevannsproduksjon og sjøvannskonsentrasjon for saltproduksjon (primært i Japan ). Ved normal drikkevannsproduksjon uten krav om høy utvinning, antas omvendt osmose generelt å være mer kostnadseffektiv når totalt oppløste faste stoffer (TDS) er 3000 deler per million (ppm) eller større, mens elektrodialyse er mer kostnadseffektiv for TDS fôrkonsentrasjoner mindre enn 3000 ppm eller når det kreves høye utvinninger av fôret.

En annen viktig applikasjon for elektrodialyse er produksjon av rent vann og ultrarent vann ved elektrodeionisering (EDI). I EDI er rensekamrene og noen ganger konsentrasjonsrommene i elektrodialysestakken fylt med ionebytterharpiks . Når det mates med lite TDS-fôr (f.eks. Fôr renset av RO), kan produktet nå veldig høye renhetsnivåer (f.eks. 18 M Ω -cm). Jonbytterharpikser virker for å holde på ionene, slik at disse kan transporteres over ionebyttermembranene. Hovedbruken av EDI-systemer er innen elektronikk, farmasøytisk, kraftproduksjon og kjøletårn.

Begrensninger

Elektrodialyse har iboende begrensninger, og fungerer best for å fjerne ioniske komponenter med lav molekylvekt fra en matestrøm. Ikke-ladede, høyere molekylvekt og mindre mobile ioniske arter vil vanligvis ikke fjernes vesentlig. I motsetning til RO blir elektrodialyse også mindre økonomisk når ekstremt lave saltkonsentrasjoner i produktet er påkrevd og med lite ledende matinger: strømtettheten blir begrenset og strømutnyttelseseffektiviteten synker vanligvis når fôrsaltkonsentrasjonen blir lavere, og med færre ioner i løsning for å bære strøm, både ionetransport og energieffektivitet avtar sterkt. Følgelig kreves det relativt store membranarealer for å tilfredsstille kapasitetskrav for lav konsentrasjon (og lite ledende) mateløsninger. Innovative systemer som overvinner de iboende begrensningene ved elektrodialyse (og RO) er tilgjengelige; disse integrerte systemene fungerer synergistisk, med hvert delsystem som fungerer i det optimale området, og gir de minste totale drifts- og kapitalkostnadene for en bestemt applikasjon.

Som med RO krever elektrodialysesystemer forbehandling av fôr for å fjerne arter som belegger, utfeller på eller på annen måte "foul" overflaten av ionebyttermembranene. Denne tilsmussingen reduserer effektiviteten til elektrodialysesystemet. Arter av interesse inkluderer kalsium- og magnesiumhardhet , suspenderte faststoffer , silika , og organiske forbindelser. Vannmykning kan brukes til å fjerne hardheten, og fim eller multimedia filtrering kan brukes for å fjerne suspenderte faste stoffer. Spesielt hardhet er en bekymring siden skalering kan bygge seg opp på membranene. Ulike kjemikalier er også tilgjengelige for å forhindre skalering. Også elektroreverseringssystemer søke å minimere skalering ved periodisk reversering av strømmer av diluatet og konsentratet og polariteten av elektrodene.

Se også

• Salinitetsgradientkraft
• Vannavsaltning
• Elektrodialyse reversering
• Elektrokjemi
• Omvendt osmose
• Proton-utveksling membran

Referanser

Bibliografi

• Inamuddin (01.06.2017). Anvendelser av adsorpsjon og ionebytte kromatografi i avløpsvannbehandling . Materials Research Forum LLC. ISBN 9781945291333.

Eksterne linker

• AA Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, (2006) Kapittel 17 - en enkel introduksjon til elektrodialyse og beskrivelse av forskjellige elektromembranprosesser