Электродиализ

электродиализ (ED) используется для транспортировки соли ионов из одного раствора через ион -замените мембраны на 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 (рассол ), образованного анионообменной мембраной и катионообменной мембраной, размещенной между двумя электроды. Практически во всех практических процессах электродиализа несколько электродиализных ячеек скомпонованы 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.

• 1 Метод
• 2 Анодные и катодные реакции
• 3 Эффективность
• 4 Применения
• 5 Ограничения
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

В электродиализном пакете разбавленный ( D) потоку исходных материалов, 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 мигрируют 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 электрический ток протекает между катодом и анодом. Только равное количество эквивалентов заряда аниона и катиона передается 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 соединения (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 батареи.

Реакции происходят на каждом электроде. На катоде

2e + 2 H 2 O → H 2 (г) + 2 OH

, а на аноде

H2O → 2 H + ½ O 2 (г) + 2e или 2 Cl → Cl 2 (г) + 2e

Небольшие количества водорода газ образуются на катоде, и небольшие количества газа кислорода или хлора (в зависимости от состава потока Е и устройства конечной ионообменной мембраны) на аноде. Эти газы обычно впоследствии рассеиваются по мере того, как поток E, выходящий из каждого отсека электрода, 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.

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

КПД по току рассчитывается по формуле:

$\xi \; =\; z\; FQ\; f\; (C\; на\; входе\; -\; C\; на\; выходе)\; NI\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; xi\; =\; \{\backslash \; frac\; \{zFQ\_\; \{f\}\; (C\_\; \{inlet\}\; ^\; \{\; d\}\; -C\_\; \{розетка\}\; ^\; \{d\})\}\; \{NI\}\}\}$

где

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

$z\; \{\backslash \; displaystyle\; z\; \}$= заряд иона

$F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$= постоянная Фарадея, 96,485 Amp -s / моль

$Q\; f\; \{\; \backslash \; displaystyle\; Q\_\; \{f\}\}$= расход разбавленного газа, L / с

$C\; на\; входеd\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{inlet\}\; ^\; \{d\}\}$= концентрация разбавленного ED кюветы на входе , моль / л

$C\; на\; выходе\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{output\}\; ^\; \{d\}\}$= концентрация на выходе разбавленной ED кюветы, моль / л

$N\; \{\backslash \; displaystyle\; N\}$= количество пар ячеек

$I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$= ток, амперы.

Эффективность тока обычно зависит от концентрации сырья.

При применении системы электродиализа могут работать как непрерывное производство или серийное производство процессов. 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.

Электродиализ обычно применяется для деионизации водных растворов. Однако также возможно обессоливание умеренно проводящих водных органических и органических растворов. Некоторые области применения электродиализа включают:

• крупномасштабную солоноватую и морскую воду опреснение и производство соли.
• малые и средние масштабы производство питьевой воды (например, города и деревни, строительные и военные городки, снижение содержания нитратов, отели и больницы)
• повторное использование воды (например, опреснение обработка рассола, промышленная прачечная сточные воды, попутная вода от добычи нефти / газа, градирня подпитка и продувка, жидкости для металлургической промышленности, вода для промывки)
• Предварительная деминерализация (например, бойлер подпитка и предварительная обработка, предварительная обработка сверхчистой воды, опреснение технологической воды, производство электроэнергии, производство полупроводников, химическое производство, пищевая промышленность и напитки)
• Пищевая промышленность
• Вода для сельскохозяйственных нужд (например, вода для теплиц, гидропоники, орошения, животноводство )
• Гликоль обессоливание (например, антифриз / охлаждающие жидкости двигателя, конденсатор электролит жидкости, нефть и газ обезвоживание, растворы для кондиционирования и обработки, промышленные теплоносители, вторичные охлаждающие жидкости из систем отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха (HVAC ))
• Глицерин очистка

Основным применением электродиализа исторически было опреснение солоноватой или морской воды в качестве альтернативы RO для производства питьевой воды и морской воды концентрация для производства соли (в основном в Японии ). При обычном производстве питьевой воды без требований высокой степени извлечения обратный осмос обычно считается более экономичным, когда общее количество растворенных твердых веществ (TDS) составляет 3000 частей на миллион (ppm) или выше, в то время как электродиализ более рентабелен для исходных концентраций TDS менее 3000 ppm или когда требуются высокие уровни извлечения сырья.

Еще одним важным применением электродиализа является 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 сырья с низким содержанием TDS (например, сырья, очищенного с помощью обратного осмоса) продукт может достигать очень высоких уровней чистоты (например, 18 M Ω -см). Ионообменные смолы удерживают ионы, позволяя им переноситься через ионообменные мембраны. В основном системы EDI используются в электронике, фармацевтике, производстве электроэнергии и градирнях.

Электродиализу присущи ограничения, он лучше всего работает при удалении ионных компонентов с низкой молекулярной массой 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 проводящим сырьем: 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 перенос ионов, так и энергоэффективность значительно снижаются. Следовательно, требуются сравнительно большие площади мембраны для удовлетворения требований к емкости для питающих 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 применения.

Как и в случае с обратным осмосом, электродиализные системы требуют предварительной обработки корма для удаления покрывающих веществ, выпадать в осадок или иным образом «загрязнять» поверхность ионообменных мембран. Это загрязнение снижает эффективность электродиализной системы. Вызывающие озабоченность виды включают кальций и магний твердость, 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. Особую озабоченность вызывает 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 путем периодического изменения направления потоков разбавителя и концентрата и полярности электродов.

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

1. ^Davis, TA, "Электродиализ", в Справочнике по промышленной мембранной технологии, MC Porter, ed., Noyes Publications, New Jersey (1990)
2. ^ Strathmann, H., «Electrodialysis», в Membrane Handbook, W.S.W. Хо и К. Сиркар, ред., Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк (1992)
3. ^ Малдер, М., Основные принципы мембранной технологии, Клувер, Дордрехт (1996)
4. ^ Сата, Т., Ионообменные мембраны: подготовка, характеристика, Модификация и применение, Королевское химическое общество, Лондон (2004)
5. ^ Strathmann, H., Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, New York (2004)
6. ^«ED - Превращение морской воды в питьевую воду». Архивировано с оригинального от 03.02.2007. Проверено 17 января 2007 г.
7. ^Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанн; Лоизиду, Мария (2019-11-25). «Методы утилизации и технологии очистки опресненных рассолов - Обзор». Наука об окружающей среде в целом. 693 : 133545. Bibcode : 2019ScTEn.693m3545P. doi : 10.1016 / j.scitotenv.2019.07.351. ISSN 0048-9697. PMID 31374511.
8. ^AWWA, Electrodialysis and Electrodialysis Reversal, American Water Works Association, Denver (1995)
9. ^Шаффер, Л., и Минц, М., «Электродиализ» в принципах Desalination, Spiegler, K., and Laird, A., eds., 2nd Ed., Academic Press, New York (1980)
10. ^Текущая эффективность использования
11. ^ED Избранные приложения
12. ^Инамуддин (2017-06-01). Применение адсорбционной и ионообменной хроматографии в очистке сточных вод. ООО «Форум исследования материалов». ISBN 9781945291333.

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

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