نمک زدایی آب با الکترودیالیز (ED)
نمک زدایی یا شیرین سازی آب به فرایند جداسازی نمک از آب گفته می شود. این فرایند در مصارف شهری، صنعتی و تجاری کاربرد فراوانی دارد و با توسعه صنعت، به عملکرد و بازده بالاتری دست یافته است. این درحالی است که پایین آمدن سطح آب های زیر زمینی و خشک شدن رودخانه ها، تامین آب آشامیدنی سالم را بسیار سخت و پر هزینه کرده است.
در میان روش های غشایی مختلفی که امروزه برای تصفیه و نمک زدایی از آب بکار می رود، روش الکترودیالیز به دلیل استفاده از پمپ های کم فشار، بازده بالا، هزینه ساخت پایین تر و قابلیت حذف انواع یون توجهی بالایی را به سمت خود جلب کرده است. در این مقاله قصد داریم که با به بررسی این روش شیرین کردن و تصفیه آب بپردازیم.
روش های شیرین کردن آب دریا
امروزه از روش های مختلفی برای شیرین نمودن آب دریا استفاده می شود که مهمترین آنها روش های زیر هستند:
• اسمز معکوس
• تقطیر
• تبادل یونی
• الکترودیالیز
• نمک زدایی انجمادی
باید توجه نمود که اکثر نمک های محلول در آب ذاتاً یونی هستند، بنابراین با استفاده از یکی از روش های نمک زدایی می توان به خوبی آب را تصفیه و شیرین نمود. هر فرایند نمک زدایی دارای معایب و مزیت های منحصر به فردی است و عوامل مختلفی بر کارایی و عملکرد آن تاثیر گذار خواهد بود. عامل اصلی روش الکترودیالیز جریان برق مستقیم است و تنها می تواند یون های وجود در آب را کاهش داد.
الکترودیالیز (ED) چیست؟
روش الکترودیالیز (Electrodialysis)، یک فرایند جداسازی غشایی است که از اوایل دهه 60 به بازار عرضه شد. طراحی و ساخت دستگاه الکترودیالیز روش موثر و ارزان جهت کاهش هزینه در فرایند نمک زدایی آب های کم نمک می باشد که در این زمینه به موفقیت قابل توجهی دست یافته است. آزمایشات نشان داده اند که 25 تا 50 درصد نمک های محلول در آب را می توان توسط یکبار عبور از برج الکترودیالیز حذف نمود، اما برای دستیابی به حذف بیشتر می توان از چندین برج الکترودیالیز به صورت سری استفاده کرد.
کاربرد روش الکترودیالیز
این روش به طور گسترده برای نمک زدایی آب های شور مورد استفاده قرار می گیرد. بیشترین کاربرد روش الکترودیالیز در تولید آب آشامیدنی یا صنعتی از آب هایی است که مقدار TDS پایین تر از 500ppm دارند. این روش به دلیل ایجاد رسوب و مصرف انرژی بالا برای حذف مواد معدنی از آب دریا چندان روش مناسبی نیست، اما جهت حذف مواد معدنی از آب های لب شور، روشی قابل قبول محسوب می شود. مهمترین کاربردهای سیستم الکترودیالیز در صنعت، موارد زیر هستند:
• تولید آب ورودی به بویلرها
• تصفیه و نمک زدایی آب در صنایع دارویی
• نمک زدایی در صنایع غذایی
اجزای دستگاه الکترودیالیز
مهمترین اجزای دستگاه الکترودیالیز، به صورت زیر هستند:
• غشای ممبران (Membrane)
• الکترود کاتود و آند
• جدا کننده پلیمری
غشای سیستم الکترودیالیز
غشاهای مورد استفاده در سیستم الکترودیالیز، صفحات متخلخلی از جنس رزین های تبادل یونی کاتیونی و آنیونی هستند که بر روی پارچه های پلیمری مانند پلی اتیلن پوشیده شده اند. این غشاها به طور کلی دارای ویژگی های مهم زیر می باشند:
• نفوذ ناپذیر در برابر آب تخت فشار
• قابلیت عبور انتخابی (مثبت یا منفی)
• هدایت الکتریکی
• پایداری در مقابل فشار اسمزی
• پایداری در دمای بالاتر از 45 درجه سانتیگراد
• پایداری در محلول آبی
• مقاوم در مقابل انواع رسوبات و لجن ها
غشاهای پلیمری را می توان طوری ساخت که بصورت انتخابی آنیون های یا کاتیون ها را از خود عبور دهند. معمولاً در هر دستگاه الکترودیالیز از تعداد 300 تا 500 غشای کاتیونی و تعداد مساوی غشای آنیونی استفاده می گردد.
الکترودهای دستگاه الکترودیالیز
الکترودهای سیستم الکترودیالیز می توانند از جنس تیتانیوم یا نیوبیوم و روکش پالادیوم یا پلاتین ساخته می شوند تا نسبت به محیط های قلیایی، اسیدی و ولتاژ بالا مقاوم باشند. الکترودهای کاتود و آند به یک منبع جریان مستقیم مثل باطری متصل شده و درون ظرف حاوی محلول آب نمک قرار می گیرند. سپس جریان الکتریکی ایجاد شده از میان محلول الکترولیت عبور می کند. در این صورت یون ها تمایل دارند که به سمت الکترودی با بار مخالف حرکت کنند.
جدا کننده پلیمری
در این سیستم غشاهای توسط توری هایی به نام جداکننده پلیمری و ضخامت مختلف از یکدیگر تفکیک می شوند. ضخامت این توری ها در فضای بین غشاها معمولا نیم میلی متر و در مجاورت الکترودها یک میلی متر هستند.
مکانیزم شیرین کننده الکترودیالیز
الکترودیالیز در واقع یک روش جداسازی غشایی است که در آن نیرو محرکه لازم برای انتقال یون ها به خارج از محیط آبی (و درنتیجه تصفیه آب) توسط اختلاف پتانسیل تامین می شود. اجزای یونی موجود در یک محلول نمکی معمولاً یون های سدیم (Na+)، کلر (Cl-)، کلسیم (Ca2+) و یون کربنات هستند. پس از اعمال میدان الکتریکی بین دو الکترود، در سطح آند بار مثبت و در سطح کاتد بار منفی ظاهر خواهد شد. درنتیجه یون های مثبت سدیم (کاتیون ها) به سمت کاتد و یون های منفی کلر (آنیون ها) به سمت آند کشیده می شوند.
فضای بین دو غشای غیر هم نام سل گفته می شود و غشای الکترودیالیز غشایی متخلخل و تراوا (نفوذ پذیر) است که به کاتیون ها اجازه می دهد به درون خلل و فرج ها وارد شده و از غشا عبور کنند، زیرا نیروی الکتریکی اعمال شده بر کاتیون ها نسبت به نیروی کششی میان کاتیون ها و غشای تراوایی کاتیونی بزرگتر است. غشاهای تراوایی آنیونی نیز به صورت مشابهی عمل می کنند و به آنیون ها اجازه عبور داده، اما کاتیون ها را از خود دفع می کنند.
در پی این اتفاقات غلظت های یونی در بخش های مختلف دستگاه، مکرراً کاهش یا افزایش خواهند یافت. درنتیجه از سیستم الکترودیالیز یک محلول رقیق بدون یون با TDS پایین و یک محلول تغلیظ شده یا آب شور با TDS بالا خارج می گردد. در سیستم های پیشرفته الکترودیالیز جهت جلوگیری از ایجاد رسوب بر روی الکترودها و گرفتگی غشاها، هر 15 دقیقه یکبار محل قطب کاتد و آند در سیستم جابجا می شود. برخی از افراد به دلیل ماهیت غشایی، سیستم الکترودیالیز را کاربرد خاصی از روش تبادل یونی می دانند.
یکی از مشکلات این روش، تشکیل رسوب و گرفتگی غشا توسط مواد آلی است که برای اینکه الکترودیالیز مقرون به صرفه باشد، باید به خوبی کنترل شود. با افزودن مقدار کمی اسید به جریان ورودی می توان از رسوب جلوگیری نمود و مواد آلی مزاحم نیز می توان با تمیز کردن غشا با یک محلول آنزیم شوینده (دترجنت) برطرف کرد. باید توجه کرد که آب خروجی از سیستم الکترودیالیز کاملاً خالص نیست و از این دستگاه معمولاً به عنوان سیستم واسطه ای در تصفیه آب استفاده می شود.
فروشگاه تصفیه آب آبین عرضه کننده انواع دستگاه ها تصفیه آب صنعتی و تجهیزات وابسته است و مشتریان خود را در امر خرید از مشاوره رایگان کارشناسان مجرب بهره مند می سازد.
