شرح ساده ای از الکترودیالیز معکوس(EDR) :
الکترودیالیز معکوس(EDR) از جمله فرآیند های غشایی بوده که برای جداسازی یون ها و ذرات معلق جامد از آبهای شور سطحی و دریا معمولا مورد استفاده قرار می گیرد.
فرآیندی که در این دستگاه اتفاق می افتد مشابه فرآیند الکترودیالیز(ED) است و فرقی که با روش ED دارد در این مورد است که در ED معمولا مشکل رسوب گذاری در غشاها وجود دارد ولی در EDR به علت معکوس شدن جریان رقیق و غلیظ درون استک ها و غشاها این رسوب گذاری وجود ندارد و یا به عبارتی حداقل مقدار ممکن را نسبت به سایر روش ها داراست.
عملکرد این دستگاه به این شکل است که به وسیله ی جریان الکتریکی که به الکترودها داده می شود حرکت یون ها اتفاق می افتد. این میدان الکتریکی باعث می شود که یون های مثبت به سمت کاتد و یون های منفی به سمت آند حرکت کنند. اما آنیون ها اجازه ی عبور از غشاء تبادل آنیونی و کاتیون ها اجازه ی عبور از غشاء تبادل آنیونی را ندارند.در دستگاه EDR هر ساعت حدود 2 تا 4 بار روند این جریان (یعنی جای آب رقیق یا شیرین و آب غلیظ یا آب نمک ) تعویض می شود و این عامل باعث عدم رسوب گذاری درون این غشاها می شود.
یک سیستم EDR از محفظه هایی مستطیلی شکل بنام استک تشکیل شده است که غشاهای تبادل آنیونی و کاتیونی، الکترود منفی و مثبت، فضا دهنده های بین غشاء یا SPACER ها و تعداد زیادی فضای بین غشایی که اصطلاحا سلول نامیده می شود و به صورت عمودی یا افقی درون استک ها قرار می گیرند، تشکیل شده است.
محلول به صورت یکی در میان (یعنی جریان غلیظ و رقیق ) درون این سلول ها در حال جریان هستند. الکترودهایی که درون این غشاءها وجود دارد باید از جنسی انتخاب شوند که خاصیت خورندگی نداشته باشند و معمولا از تیتانیومی که توسط پلاتین یا اکسیدهای فلزی مثل روبیدیم و ایریدیم آبکاری شده اند، انتخاب می شوند.
از جمله قطعاتی که به استک ها متصل می شود می توان به پمپ ها، لوله کشی ها و سیم برق اشاره کرد و این موارد شامل منبع تغذیه DC با قابلیت تنظیم ، یک سو کننده ها برای تبدیل جریان AC به DC، تنظیم داخلی سیستم با کنترلرها و سیستم آلارم می باشند.
در رابطه با پیش تصفیه ی مورد نیاز در فرآیند EDR ،به طور کلی می توان روش های مدیافیلتراسیون، رسوب گذاری و لخته شدن را نام برد.
فاکتورهای آبی که به عنوان خوراک ورودی به این دستگاه بررسی شد، در بعضی موارد به این شکل بود که فاکتورهای سیلیس، کلسیم کربنات، سولفات کلسیم، سولفات باریم و سولفات استرانسیم دائما باید کنترل شود؛اما در بعضی موارد دیگر عناصر آلومینیوم، منگنز، آهن و H2S را جزء موارد کنترلی برای آب ورودی به دستگاه بیان شده بود. همینطور میزان TDS، TOC، PH، Free chlorine و Silica نیز در برخی استک ها باید مورد بررسی قرار گیرد.
نمونه ای از یک پایلوت آزمایشگاهی EDR که در ادامه به آن اشاره خواهد شد به این شرح است: این پایلوت شامل یک ماژول غشایی و دو درایو بوده و در این سیستم برای ساخت ماژول غشایی از پلی فنول فرمالدهید تقویت شده که قالب زده شده بود به همراه 7 پیچ و مهره از جنس استنلس استیل استفاده شده است.
همچنین از درایو 600 دور در دقیقه ای که به لوله ی سیلیکونی تقویت شده با پلاتین سایز 18 (cole parmer,usa) برای پمپاژ محلول های رقیق و نمکی و یک درایو تک سر 100 دور در دقیقه ای که محلول را برای شستشوی الکترودها به گردش در می آورد، سه مخزن 5 لیتری batch (MCmaster-usa) به عنوان مخازنی برای نگهداری محلول ها در این پایلوت استفاده شده است.
همچنین در یک شرکت، جنس قطعات در تماس با محلول در این سیستم را از PVC, PP, PVDF, PET, Ti و جنس سخت افزاری آن را از استنلس استیل عنوان می کند.
انشعاباتی که درون این استک ها وجود دارد برای ورود و خروج جریانات غلیظ و رقیق(مواد معدنی و بدون نمک) و به گردش درآمدن آنها می باشد.
طی واکنش هایی که درون الکترود منفی( آند) رخ می دهد گاز هیدروژن و یون هیدروکسید تولید می شود که این عامل باعث ایجاد رسوب کلسیم کربنات شده و در کاتد نیز طی واکنش های صورت گرفته اسید، اکسیژن و مقداری کلر تولید می شود که این اسید باعث حل شدن کربنات کلسیم موجود در این محلول می شود.
بدین ترتیب از رسوب گذاری درون استک ها جلوگیری می شود و می توان گفت روش EDR نسبت به سایر روش ها ی یون زدایی مقرون به صرفه تر، طول عمر بیشتر، عملکرد بهتر و تکنولوژی بالاتری در جهت بازیابی آب تا حدود 94% می باشد.
از جمله شرکت هایی که در زمینه ی تولید EDR و استک های آن فعالیت دارند می توان به شرکت MEGA در جمهوری چک، Lenntech هلند، SUEZ کانادا ،TRILITY استرالیا، SALTWORK آمریکا و LIJIA چین نام برد.
شرح عملکرد الکترودیالیز معکوس{EDR}:
الکترودیالیز معکوس یک فرآیند غشایی است که معمولا برای از بین بردن شوری آب و یون زدایی از آن مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش یون های باردار الکتریکی توسط غشاهای تبادل یونی ار آب جدا می شوند. این روش معمولا برای از بین بردن شوری، جداکردن مواد معدنی از پساب و نیز خالص سازی آب برای تجهیزاتی مثل Boiler ها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.فرآیند الکترودیالیز معکوس ( EDR) عملکردی مشابه با الکترودیالیز (ED) دارد. با این تفاوت که این روش EDR عملکردی معکوس با ED را دارا بوده و درصد خلوص آب یا پساب بدست آمده بالاتر است.
در فرآیند الکترودیالیز (ED ) جریان توسط یک مدار الکتریکی وارد دستگاه می شود و با این جریان الکترودها دارای بار مثبت و منفی می شوند. این میدان الکتریکی سبب می شود یون های مثبت به سمت کاتد و یون های منفی به سمت آند مهاجرت کنند. در طول روند این مهاجرت یونی، آنیون ها از طریق غشاء تبادل یونی عبور می کنند اما اجازه ی اینکه از غشاء تبادل کاتیونی عبور کنند را ندارند. اثری مشابه با این حالت نیز برای کاتیون ها رخ می دهد؛ یعنی کاتیون ها از غشاء تبادل کاتیونی عبور کرده ولی اجازه ی عبور از غشاء تبادل آنیونی را ندارند.
اجزای تشکیل دهنده ی EDR:
در الکترودیالیز 5 قسمت اصلی که شامل: 1. جریان الکتریسیته 2. الکترودها 3. غشاهای تبادل یونی 4. محلول ها 5. الکترولیت ها وجود دارد. فضای بین غشاء ها در دستگاه الکترودیالیز سلول نامیده می شود و تعداد این سلول ها بستگی به خوراک ورودی به سیستم برای تصفیه دارد. غشاءهای الکترودیالیز به 2 صورت همگن و ناهمگن ساخته می شوند؛ 2 نوع غشاء مورد استفاده در این دستگاه : 1.غشاء تبادل کاتیونی که فقط اجازه ی عبور یون های مثبت را از خود می دهد و 2. غشاء تبادل آنیونی که فقط اجازه ی عبور یون های منفی را از خود می دهد، می باشد.
الکترودهای مورد استفاده در این تجهیز باید از گونه ای انتخاب شوند که در برابر خوردگی مقاوم بوده و رسانای خوبی برای جریان الکتریکی باشند.زیرا آند ماهیت خورندگی دارد.جنس این الکترودها را معمولا از تیتانیومی که توسط پلاتین یا اکسیدهای فلزی نظیر روبیدیم و ایریدیوم آبکاری می شوند، انتخاب می گردد.
مشکل عمده ای که در فرآیند الکترودیالیز (ED) وجود دارد گرفتگی غشاها و کاهش بازدهی فرآیند است که برای برطرف کردن این مشکل از روش الکترودیالیز معکوس ( EDR) استفاده می شود.البته برای انجام یک فرآیند مطلوب نیاز به یک تصفیه ی مقدماتی جهت جلوگیری از تشکیل رسوب و مسدود شدن غشاها باید صورت بگیرد و مواردی که برای تصفیه مورد نیاز است کاملا به خوراک ورودی بستگی دارد.پیش تصفیه ی مورد نیاز برای این فرآیند می توان به فیلتراسیون (از نوع مدیا فیلتراسیون)، لخته شدن و رسوب گذاری اشاره کرد.
ویژگی آب ورودی به EDR:
فاکتورهای آبی که به عنوان خوراک ورودی به این دستگاه بررسی شده به این شکل است که فاکتورهای سیلیس، کلسیم کربنات، سولفات کلسیم، سولفات باریم و سولفات استرانسیم دائما باید کنترل شود؛اما در مورد دیگری عناصر آلومینیوم، منگنز، آهن و H2S را جزء موارد کنترلی برای آب ورودی به دستگاه بیان شده است. همینطور طبق موارد گفته شده میزان TDS، TOC، PH، Free chlorine و Silica نیز در برخی استک ها باید مورد بررسی قرار گیرد.سیستم های (EDR) و استفاده از آنها به عنوان یک روش برای پیشگیری از رسوب گذاری یا از بین بردن رسوب در الکترودها می باشد.در این فرآیند ولتاژ در الکترودها به طور زمان بندی شده معکوس می گردد که این عمل باعث تغییر جهت یون و جداشدن مواد با بار الکتریکی از سطح غشاء می شود. در این روش بدون نیاز به هرگونه مواد شیمیایی امکان تصفیه ی آب با غلظت بالایی از نمک اشباع ، فراهم می شود.
شرح ساختار و عملکرد STACK های EDR :
دستگاه (EDR) از غشاهای مستطیلی شکل بنام استک(STACK) تشکیل شده اند که انتهای آنها توسط یک الکترود خاتمه می یابد. این غشاهای درون استک به طور تناوبی از کاتیون و آنیون مرتب می شوندو از فناوری های الکترودیالیز مونتاژ اسپیسرها (spacers) و الکترودهای غشایی می باشد.
استک ها با پمپ ها،لوله کشی و سیم برق ساخته شده اند و شامل منبع تغذیه DC با قابلیت تنظیم، یکسو کننده ها برای تبدیل جریان متناوب AC به جریان DC ،تنظیم داخلی سیستم با کنترل ها،زمان معکوس و آلارم ها می باشند.
سازه اصلی استک ها شامل:
1. غشاء تبادل آنیونی
2. فاصله دهنده ی متمرکز(SPACERS CONCENTRANING )
3. غشاء تبادل کاتیونی
4. جداکننده ی یون زدایی (DEMINERAZILING SPACERS)
و 5. چند صد جفت سلول که به صورت افقی یا عمودی بین 2 الکترود قرار گرفته اند، می باشند.
نمونه ای از سیستم EDR ازمایشگاهی و همینطور ماژول غشایی EDR در تصاویر زیر قابل مشاهده است:
Lab scale RED system. Solution reservoirs and digital multimeter (top), saline and dilute pump (bottom left), membrane module (bottom middle), and electrode rinse pump (bottom right)
در این سیستم از پمپ های پریستالتیک (Cole Parmer, USA) برای به گردش در آمدن محلولهای نمک،رقیق کردن و شستشوی الکترود ها درون ماژول غشایی استفاده شده است، همینطور از درایو 600 دور در دقیقه مجهز به لوله ی سیلیکونی تقویت شده با پلاتین سایز 18 (Cole Parmer, USA) برای پمپاژ محلولهای رقیق و نمکی استفاده گردیده است.
یک درایور تک سر 100 دور در دقیقه ای محلول را برای شستشوی الکترودها به گردش در می آورد.سه مخزن 5 لیتری(McMaster-carr-USA) به عنوان مخازن محلول ها استفاده شد و حداکثر میزان جریان مجاز برای ماژول غشالی 70 لیتر در ساعت تعیین شده است.
انشعابات مربوط به استک ها در این پایلوت آزمایشگاهی در تصاویر زیر نشان داده شده است:
Flow depictions for various operation modes. Configurations I and II represent two co-current operation modes. Configurations III and IV represent two counter current operation modes
FT-ED-40 membrane module
Membranes and Spacers. (From left to right) Schematic of cation exchange membrane (CEM), anion exchange membrane (AEM), and spacer
جنس این محفظه های استک از پلی فنول فرمالدهید تقویت شده که قالب زده شده، با 7 پیچ و مهره از جنس استنلس استیل،الکترود های مشبک با روکش لایه ای از ایریدیم و پلاسما می باشد.
بیشتر فرآیندهای نمک زدایی به طور کلی فناوری های غشایی مرتبط است. برای مثال RO یک راه حل جهانی برای برطرف کردن مشکلات شیرین سازی آب است.اما EDR می تواند یک راه حل مقرون به صرفه برای بسیاری از کاربرد های صنعتی در اندازه های مختلف می باشد.
RO برای انجام این فرآیند به پیش تصفیه گسترده تر ،قدرت پمپاژ بالاتر و مواد شیمیایی بیشتری نیاز دارد.
شرح فرآیندی الکترودیالیز معکوس(EDR):
EDR برای اولین بار در دهه ی 1960 توسعه یافت. این سیستم که عملکرد تقریبا متفاوتی با الکترودیالیز ED دارد،دارای عملکرد وارونه سازی قطبیت الکتریکی برای کنترل پوسته پوسته شدن غشاء و رسوب گذاری در انها می باشد.این سیستم ها برای تولید آب معدنی (آب دمین) بدون نیاز به هرگونه مواد شیمیایی طراحی شده اند.
قطبیت الکترودها در EDR به طور متوسط هر ساعت 2 تا 4 بار معکوس می شود و هنگامیکه این اتفاق می افتد واکنش های شیمیایی صورت گرفته در الکترودها نیز معکوس می شوند.طی واکنش های انجام شده در الکترودها نیز معکوس می شوند.طی واکنش های انجام شده در الکترود منفی،گاز هیدروژن و یونهای هیدروکسید تولید می شود.هیدروکسید با افزایش PH در آب باعث ایجاد رسوب کلسیم کربنات (CACO3) می شود.در الکترود مثبت نیز طی انجام این واکنش ها اسید، اکسیژن و مقداری کلر تولید شده و این اسید تمایل به حل کردن کربنات کلسیم موجود در مواد معدنی دارد.
دریچه هایی که در جریان الکترود وجود دارند به طور خودکار جریان را در 2 نوع محفظه تغییر می دهند. جریان هایی که در محفظه ی دمین سازی(رقیق) وجود دارند به جریان های غلیظ و جریان های غلیظ به جریان های رقیق تبدیل می شوند. بدین ترتیب به طور دوره ای قطبیت جریان مستقیم در این دستگاه معکوس می شود و محلول های رقیق و غلیظ بین سلول ها تعویض و جابجا می شوند تا جایی که میزان مواد معدنی موجود در آب به کمترین میزان خود برسد.
از جمله کاربردهای فرایند الکترودیالیز می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. شیرین کردن آبهای زیرزمینی،شور یا دریایی برای تولید آب آشامیدنی
2. تولید کنسانتره نمکی از دریا، زباله یا آب و محلول صنعتی
3. تصفیه پسماند و آب صنعتی ( بازیافت و تولید مجدد)
4.جداسازی مواد آلی و معدنی (بازیافت و تولید مجدد)
در نهایت می توان گفت روش الکترودیالیز معکوس نسبت به سایر روش های یون زدایی مثل RO،ED و... مقرون به صرفه تر، دارای طول عمر بیشتر، عملکرد بهتر و تکنولوژی بالاتر در جهت بازیابی آب تا 90 درصد می باشد.