الکترودیالیز فرآیندی است که توسط میدان الکتریکی گرادیان کنترل میشود و امکان جداسازی مواد معدنی محلول در آب را فراهم میکند. در واقع الکترودیالیز نقش مهمی را در تصفیه آب و فاضلاب ایفا میکند. اجزای تشکیل دهنده سیستم الکترودیالیز شامل غشاء، الکترود، توری‌های پلیمری و پمپ‌ها می باشد.
الکترودیالیز یک روش نوین برای تصفیه و بازیابی آبهای آلوده به نمک و املاح معدنی و ساخت پکیج تصفیه فاضلاب صنعتی است. روش الکترودیالیز EDI یک روش جدید است که جایگزین روشهای منسوخ قدیمی است. از این روش مدرن برای شیرن سازی آب و تولید آب مقطر که ناخالصی ندارد استفاده میشود. این روش برای تولیدات دارویی و آزمایشگاهی مورد استقبال واقع شده است. اهمیت و نقش الکترودیالیز در تصفیه آب و فاضلاب ویژه است؛ چراکه نقش بسزایی در کاهش مصرف انرژی و پایین آوردن هزینه تصفیه آب و ریکاوری آن دارد.
با توجه به کمبود منابع آب در طی سالهای اخیر و بالا رفتن میزان نیاز جامعه به آب شیرین و قابل استفاده در صنایع، این مهم بسیار حائز اهمیت قرار گرفته است و جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده است. عمده ترین استفاده دستگاه الکترودیالیز در تصفیه آبهای لب شور بوده بنحوی که ضمن شیرین سازی آب، مانع عبور مواد آلی و میکرو ارگانیسم‌ها نمیشود.
الکترودیالیز چیست؟
فرآیندی برای جداسازی الکترولیت از یک حلال، معمولا آب است. این فرآیند به طور گسترده در نمک زدایی آب یا همان شیرین سازی مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش، از یک جریان الکتریکی مستقیم برای انتقال یونها از طریق صفحات غشاهای مبدل یونی استفاده میشود و در واحدی با حداقل سه محفظه کار میکند. محفظه‌های ترمینال یک آند و یک کاتد را در خود جای میدهند که بین آنها اختلاف پتانسیل برای هدایت یونها از طریق محلولهای الکترولیت و غشاها اعمال میشود. نکته قابل توجه در الکترودیالیز آب این است که در این روش از دو نوع غشا غیرهمنام میتوان استفاده کرد.
آنیون، برای نفوذپذیری آن به منظور انتقال یونهای مثبت و دیگری کاتیون به دلیل نفوذپذیری و حرکت یونهای منفی در روند جداسازی انتخابی هستند. در اصل غشاهایی که در این پروسه مورد استفاده قرار میگیرند به دلیل حذف میزان زیادی از املاح بار دار آب است.
نقش الکترودیالیز در تصفیه آب و فاضلاب
آب یک منبع مهم و حیاتی برای مصارف مختلف همچون کشاورزی، صنعتی و شهری است. در کل، پایداری اکوسیستم تا حد زیادی به وجود آب بسته است. وضعیت مصرف آب طی سالهای گذشته روند صعودی داشته و در آینده نیز چنین خواهد بود. صنعت آب و فاضلاب در دنیا سیستمی است که روند استفاده از پساب ها و آبهای همراه با آلاینده را برای مصارف مختلف در راستای توسعه پایدار برعهده دارد. تامین آب شیرین برای مصارف شهری نیز رسالتی است که شرکتهای آب و فاضلاب بر عهده دارند.
الکترودیالیز در تصفیه آب فاضلاب اینجاست که اهمیت پیدا میکند. در اصل الکترودیالیز آب شیرین بهترین بازدهی را برای شیرین سازی آب دارد. الکترودیالیز در تصفیه آب یک تکنولوژی جدید است. با کمک این روش میتوان مواد جامد محلول در آب که به آن TDS گفته میشود را کاهش داد. روش کار الکترودیالیز آب به این صورت است که یونهای موجود در آب را کاهش داده و کیفیت آن را افزایش میدهد.
روش و اصول کار الکترودیالیز
در این تکنیک از مواد سازگار با محیط زیست استفاده میشود و مواد شیمیایی در این روش تصفیه آب جایی ندارد. الکترودیالیز آب یک روش کم هزینه است که زمان کمتری نیز به نسبت دیگر روشها نیاز دارد. از طرفی دوستدار طبیعت و سلامت انسان است. اگر بخواهیم به روش کار الکترودیالیز به طور دقیق اشاره کنیم؛ به این شکل است که، اگر کاتد و آند به منبع تغذیه مشترکی وصل شوند؛ از اختلاف ولتاژ این دو غشا باعث حرکت آنیون ها به سمت آند و کانیون ها به سمت کاتد میشود. به فضایی که بین آنیون ها و کاتیون ها وجود دارد نیز یک سل (سلول) میگویند.
نکات مهم در فرآیند الکترودیالیز
- جریان برق مستقیم، عامل تصفیه آب در این پروسه است.
- باید توجه داشت که، هرچقدر فاصله سلول کم باشد مقاومت الکتریکی کمتری وجود خواهد داشت که نتیجه آن مصرف کمتر برق است.
- هرچقدر آبی که قصد تصفیه آن را دارید خالص تر باشد، مقاومت الکتریکی بالاتر رفته و مصرف برق نیز افرایش مییابد. تصفیه آب مقطر با الکترودیالیز صرفه اقتصادی ندارد.
- هرچقد میزان سل ها کم باشد برای تصفیه کردن مقدار آب معینی به سلولهای بیشتری نیاز خواهد بود. هر دستگاه الکترودیالیز ممکن است تا 500 سل داشته باشد.
- نکته مهم در مورد تصفه آب با الکترودیالیز این است که در این روش فقط تعداد یونهای آب را می توان کاهش داد. رنگ آب و ذرات بدون بار را در این تکنیک تصفیه آب نمیتوان تغییر داد.
- میزان مقاومت دو عدد سل، به غلظت یونهای آب خام و تصفیه شده بستگی دارد.
- در آب ورودی نباید هیدروژن و کلرین وجود داشته باشد؛ چراکه موجب از بین رفتن سیستم الکترولیز میشود.
- دمای آب ورودی باید مابین 10 درجه سانتیگراد تا 45 درجه باشد.
- محدوده مجاز آهن 0.2ppm در آب ورودی به سیستم است.
- اگر از سیستم پیشرفته الکترودیالیز استفاده میکنید؛ هر 15 دقیقه یکبار باید قطبهای آند و کاتد را جابجا کنید.
کاربردهای الکترودیالیز در تصفیه آب و فاضلاب
تصفیه فاضلاب یکی از مهمترین دغدغه‌های شرکتهای فعال در زمینه آب و فاضلاب است. تصفیه فاضلاب یک امر سخت و پیچیده است که نیازمند روشهای نوین تصفیه است. دستگاه تصفیه آب الکترودیالیز نقش مهمی را در تصفیه آب و فاضلاب ایفا می کند و موجب کاهش هزینه‌های تصفیه فاضلاب صنعتی شده است.
همانطور که اشاره شد از این سیستم غالبا به منظور شیرین سازی آب و برگرداندن آن به چرخه مصرف استفاده میشود. حذف املاح و کاهش حجم رسوباتی که در مسیر انتقال آب ایجاد شده است با سیستم ممکن است. همچنین از سیستم تصفیه آب الکترودیالیز در تهیه نمک خوراکی، تهیه آبهای فوق خالص، آزمایشگاهها، تهیه آبهای تغذیه بویلر استفاده میشود.
نحوه شیرین سازی آب با دستگاه الکترودیالیز
روش تهیه آب شیرین با الکترودیالیز با ایجاد یک میدان الکترونیکی انجام میشود. این سیستم ساختار منحصربفردی دارد که در آن چند جزء اصلی وجود دارد. همانطور که قبل تر اشاره کردیم؛ ممبرانهای آنیونی و کاتیونی، غشاها و پمپ و سایر لوازم الکتریکی و اتصالات اصلی ترین بخشهای تشکیل دهنده این سیستم هستند. الکترودهایی که در سیستم الکترولیز آب استفاده میشود، از جنس تیتانیوم با روکش پلادیوم است. این الکترودها زمانی که به جریان برق متصل میشوند؛ یک میدان الکتریکی در فضای داخل آب ایجاد میکنند. با ایجاد میدان الکتریکی باعث میشود یونها به سمت غشاهای جاذب حرکت کنند.
صفحاتی که در این سیستم میتوان استفاده کرد خاصیت متخلخلی دارند و جنس آنها رزین تعویض یونی است. همچنین یونهای عبوری که در این سیستم به کار گرفته میشود؛ انتخابی هستند. اما باید توجه داشت که یونهای انتخابی در دمای بالا پایداری مطلوبی داشته باشند. زمانی که یونهای مثبت و منفی به سمت آنیونها و کاتیونها در حال حرکت هستند؛ غشاها مانع آنها میشوند. نتیجه این فرآیند خروجی آب شیرین و بدون املاح است.
مزیتهای تصفیه آب با فرآیند الکترودیالیز
از سیستم الکترودیالیز آب برای تصفیه و نمک زدایی آب در صنایع مختلفی میتوان استفاده کرد و مزیتهای بسیاری نیز دارد که در این بخش به آنها اشاره کرده ایم.
- صرفه اقتصادی بالا
- روش کار آسان و کاربردی و اتوماسیون ساده
- راه اندازی آسان در زمان کوتاه
- دوستدار طبیعت و انسان به وسیله استفاده نکردن از مواد شیمیایی برای تصفیه
- جلوگیری از رسوب گیری قطعات به دلیل عوض کردن الکترودها در فواصل زمانی 2 الی 4 ساعت
- بالا بودن تقریبا 80 الی 90 درصدی نرخ ریکاوری آب
- عمر بالای ممبرانها تا 7 الی 10 سال
- تجهیزات فشرده که مزیت اشغال فضای کمتری دارد
- فشار کمتر عملکردی به میزان 0.3 تا 0.4 اتمسفر
معایب فرآیند الکترودیالیز
همانطور که مشاهده میکنید، مزیتهای فراوانی را میتوان برای این سیستم نام برد. اما در مقابل محدودیتهایی نیز در این فرآیند وجود دارد که ممکن است برای استفاده در برخی صنایع مناسب نباشد. یکی از مواردی که به آن خرده گرفته میشود هزینه تعویض غشاها در این سیستم است که کمی بالا است. در مواردی که نیاز به یک دستگاه برای تصفیه آب با درجه سختی زیاد است؛ سیستم الکترودیالیز پیشنهاد نمیشود. برای این منظور توصیه میشود که از روشهایی مانند پیش تصفیه و اسمز معکوس در کنار این فرآیند کمک گرفته شود.
نمک زدایی آب با الکترودیالیز
روشهای مختلفی برای حذف نمک از آب وجود دارد که یکی از آنها کمک گرفتن از سیستم الکترولیز است. نمک زدایی آب با فرآیند الکترودیالیز نیز روشی همانند روش تبادل یونی است. این فرآیند یک روش کاربردی برای زدودن نمک و آلایندههای موجود در آب و فاضلاب است. در واقع پروسه الکترودالیز آب و فاضلاب در این پروسه بر پایه شیرین سازی است. کاربرد اصلی نمک زدایی آب با الکترودیالیز، آماده کردن آن برای مصارف خوراکی و آشامیدنی است.
نمک زدایی آب یک روش قدمتدار است که سالیان سال است که از آن استفاده میشود. مزیت نمک زدایی آب با استفاده از دستگاه الکترودیالیز در این است که می توان حدود 50 درصد نمکهای آب را از بین برد. البته نکته قابل ذکر برای این بخش این است که نمیتوان از این روش برای از بین بردن املاح موجود در آب دریا استفاده کرد؛ ولی برای نمک زدایی آب مورد استفاده در صنایع دارویی و غذایی کاملا مناسب است.
الکترودیالیز معکوس
این روش در اصل همان شیرین سازی آب به روش الکترودیالیز EDR است که در آن املاح و موادی که باعث شوری آب میشوند از بین میرود. از این روش میتوان برای شیرین سازی آب دریا و تبدیل آن به آب شرب شهری نیز استفاده کرد. این روش با روش نمک زدایی که در بخش بالا ذکر کردیم تفاوت دارد و روشی مشابه به تبادل یونی و الکترولیز است. منتها در این روش برای جلوگیری از رسوب گذاری در زمان شیرین سازی، جهت جریان را برعکس میکنند. علت نامگذاری این روش به نام الکترودیالیز معکوس نیز همین است.
موارد استفاده از EDR
- تصفیه و جدا کردن مواد معدنی در مراحل بازیافت
- حذف شوری و املاح آب دریا و قابل شرب کردن آن برای مصارف خانگی
- تولید نمک دریا و کنسانتره نمکی
- تصفیه پسابهای صنعتی
تفاوت شیرین سازی آب با الکترودیالیز و الکترودیالیز معکوس
این دو روش شباهت خیلی زیادی به یکدیگر دارند. در هر دو روش الکترودیالیز EDI و روش الکترودیالیز معکوس EDR از غشاهای نیمه تراوا برای تفکیک کردن یونهای مثبت و منفی در مایعات استفاده میشود. اصلیترین تفاوت این دو روش تصفیه آب در جهت جریان آنها است. در روش معکوس، جریان به صورت دوره ای جابجا شده و معکوس میشود. جای آند و کاتد در این روش برای پیشگیری از رسوب کردن یونهای منفی در جریان عبور از کاتیونها عوض میشود.
مشخصات فنی غشاهای دستگاه الکترودیالیز
ماهیت غشاهای مورد استفاده در فرآیند الکترودیالیز آب، جنسی مانند رزینهای تعویض یون دارند و به دو نوع آنیونی و کاتیونی تقسیم شده اند. مهمترین ویژگی غشاها این سیستم تصفیه خاصیت نفوذپذیری آنها است. به این معنی که بایستی یکی از یونهای منفی یا مثبت از آن عبور کند؛ حل شونده باشد و در مقابل آب تحت فشار نفوذ ناپذیر باشد. در برابر رسوب، لجن، فشار اسمزی و دمای 45+ درجه سانتیگراد مقاومت داشته باشد. توانایی هدایت جریان الکتریسیته را داشته باشد و حمل نقل آن نیز بدون مشکل باشد.
