تبلیغات
chemistry - فرایندهای غشایی - الکترودیالیز


Admin Logo
themebox Logo


نویسنده :bati .
تاریخ:دوشنبه 1 آبان 1391-09:03 ق.ظ

فرایندهای غشایی - الکترودیالیز

قدمت استفاده از فرایند الکترودیالیز نزدیک به ربع قرن می‌رسد. این فرایند در کنار اسمز معکوس به عنوان فرایندهای غشایی تصفیة آب بصورت صنعتی استفاده می‌شود. درفرایندهای غشایی نیرویی محرکه حرکت یونهای در اثر اختلاف فشار، اختلاف غلظت یا اختلاف پتانسیل می‌باشد. نحوة جداسازی در فرایند غشایی یا بر اساس سایز ذرات یا اثر پدیدة نفوذ - دفع یا دراثر اولویت‌بندی عبور ذرات بوسیله غشاءها می‌باشد.
الف- جداسازی در فرایند غشایی بر اساس سایز ذرات: غشای (ممبران) دارای حفره‌ها و سوراخ‌هایی است که برخی از اجزای می‌توانند از آن عبور کرده و برخی دیگر نمی‌توانند عبور کنند در اصل می‌توان گفت ممبران مانند یک غربال یا الک عمل می‌نماید.
ب- پدیدة نفوذ - دفع: در این حالت غشاء دارای حفره و سوراخ نبوده بلکه ذرات در غشا حل شده بوسیلة پدیده نفوذ (diffusion ) به آن طرف غشا راه پیدا می‌کنند و سپس در آن طرف غشا بوسیله پدیدة دفع (desorption ) وارد فاز دیگر می‌شود.
ج- اولویت‌بندی عبور ذرات بوسیله غشاء: در این حالت بسته به ابعاد حفره‌ها و سوراخ‌های غشاء و ابعاد و نوع ملکول‌ها و ناخالصی‌ها غشاء برای برخی از ذرات ایجاد مقاومت کرده و عبور آنها را با مشکل مواجه می‌کند.
فرایندهای غشایی بر اساس اندازه جداسازی ذرات از 02/.- 10 میکرومتر (100000- 200 انگستروم) تا 0001/.-001/. میکرومتر (10-1 انگستروم) به چهار نوع تقسیم می‌کنند:
1- میکرو فیلتراسیون 2- اولترا فیلتراسیون 3- نانو فیلتراسیون 4- اسمز معکوس
اسمز معکوس (REVERCE OSMOSIS ): اسمز معکوس فرایندی فیزیکی است که می‌توان از محلولی (حلال + ناخالصی) به کمک یک غشاء نیمه‌تراوا حلال تقریباً خالصی تهیه کرد. اسمز معکوس می‌تواند 99% مواد معدنی حل شده را از آب حذف کند. اگر یک غشاء نیمه‌تراوا بین دو محلول با غلظت‌های متفاوت قرارگیرد، مقداری از حلال از یک طرف غشا به طرف دیگر منتقل می‌شود، جهت حرکت به گونه‌ای است که محلول غلیظ‌تر را رقیق نماید که این پدیده را اسمز گویند. این عمل باعث می‌شود سطح محلول در آب غلیظ‌تر بالا رود، اختلاف سطح ایجادشده در حالت تعادل بین دو محلول، از نظر غلظت نمک، را فشار اسمزی گویند. حال اگر فشاری بیش از فشار اسمزی به محلول غلیظ وارد کنیم، جهت حرکت آب برعکس شده آب از غشاء نیمه‌تراوا عبور کرده وارد محیط رقیق‌تر می‌شود؛ در حالی که ناخالصی‌ها نمی‌توانند از غشاء عبور کنند. پس اسمز معکوس یک روش جداسازی ناخالصی از آب در اثر اعمال فشار مکانیکی می‌باشد. اسمز معکوس کاری شبیه به عمل فیلتراسیون انجام می‌دهد. از این رو گاهی به اسمز معکوس هایپرفیلتراسیون (HYPER FILTRATION ) می‌گویند. کفیت آب تصفیه‌شده در فرایند اسمز معکوس بهتر و هزینة آن نیز نسبت به الکترودیالیز بیشتر می‌باشد.


Untitled-3.jpg
شکل 1: مفهوم اسمز و اسمز معکوس

الکترودیالیز Electro Dialysis ): الکترودیالیز به جداسازی اجزای باردار (یون‌ها) به کمک جریان الکتریسته از آب گویند. الکترودیالیز برای نمک‌زدایی از آب‌های لب‌شور کاربرد دارد، آب‌های لب‌شور آب‌هایی هستند که TDS (کل جامدات محلول) آنها کمتر از 2500 میلیگرم در لیتر بوده یا میزان نمک آنها بین 1/. تا حداکثر 1 درصد باشد. درصد تبدیل آب خام به آب تصفیه‌شده در الکترودیالیز حدود 90 درصد می‌باشد. یعنی 90 درصد آب ورودی یون‌زدایی شده و یون‌ها در 10 درصد باقی‌مانده تجمع پیدا می‌کنند که این فاضلاب تولیدی باید به نحوی مناسب دفع گردد، چون ممکن است اثرات زیست‌محیطی نامطلوبی در برداشته باشد. آب مورد تصفیه در فرایند دیالیز نیاز به پیش‌تصفیه داشته. لازم است کلیة جامدات معلق و مواد آلی محلول آن جدا شوند، چون این ناخالصی‌ها باعث گرفتگی غشاءها می‌شوند. تنظیم PH در دامنة نسبتاً اسیدی برای جلوگیری از رسوب مواد معدنی می‌تواند مفید واقع شود. الکترودیالیز نسبت به اسمز معکوس برای دبی‌های کم کاربرد دارد.

اصول کار الکترودیالیز: دستگاه الکترودیالیز تشکیل شده است از دو الکترد آند و کاتد که به یک منبع برق مستقیم وصل می‌شوند و مجموعه‌ای از غشاءها (ممبران‌ها) . در الکترولیز دو نوع غشاء داریم، غشاء کاتیونی و غشاء آنیونی. این غشاءها بصورت متناوب در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل کانال‌هایی را می‌دهند که آب در فواصل بین آنها جریان می‌یابد. ضخامت غشاءها در حدود mm 5 /. بوده که به وسیلة فضاهای متخلخلی (کانال‌ها) با عرض حدود 1 میلیمتر از همدیگر جدا شده‌اند. غشاءهای کاتیونی اجازة عبور یون‌های مثبت آب (کاتون ها) را داده و از عبور یون‌های منفی (آنیون‌ها) جلوگیری می‌کنند. عکس این عمل در مورد غشاءهای آنیونی روی می‌دهد. از مجموع یک غشاء آنیونی و یک غشاء کاتیونی یک سل الکترولیز ایجاد می‌شود. در اثر برقراری جریان الکتریسیته بین آند و کاتد، اختلاف ولتاژی پدید می‌آید که این اختلاف ولتاژ باعث می‌شود کاتیون‌ها به سمت کاتد (قطب منفی) و آنیون‌ها به سمت آند (قطب مثبت) حرکت نمایند. با توجه به آنچه گفته شد و بر اساس خاصیت انتخابی غشاءها (Ion selective membrane ) در دستگاه الکترودیالیز از یون‌های بعضی از سل‌ها کاسته شده (آب تصفیه شده) ولی در سل مجاور به یون‌های آب خام افزوده می‌شود و محلول غلیظی از یون‌ها حاصل می‌شود (فاضلاب). همانطور که در شکل زیر نشان داده شده در سل شماره 1 و 3 محلول غلیظی از آنیون و کاتیون‌ها را داریم و در سل شمارة 2 آب عاری از یونها (آب تصفیه‌شده) وجود دارد. لذا در مجموعه سل‌ها بصورت یک در میان آب بی‌نمک و آب نمک غلیظ تشکیل می‌شود. هرچه  فاصلة سل‌ها از یکدیگر کمتر باشد، برای تصفیة مقدار معینی آب تعداد سل‌های بیشتری نیاز خواهد بود. در عمل نیز یک دستگاه الکترودیالیز ممکن است تا حدود 500 جفت سل داشته باشد. برای رسیدن به بازده حدود 60 درصد (60 درصد آب تصفیه شده و40 درصد فاضلاب تولید می‌گردد) زمان تماس 10 تا 20 ثانیه لازم می‌باشد.


Untitled-1.jpg
شکل 2: طرز کار واحدهای الکترودیالیز C معرف غشاء کاتیونی و A معرف غشاء آنیونی است

نحوة چیدمان سل‌های دستگاه الکترودیالیز: اگر سل‌ها به صورت سری در کنار یکدیگر قرار گیرند، راندمان تصفیه افزایش یافته و آبی با کیفیت بهتر تولید می‌گردد و اگر آنها را به صورت موازی در کنار یکدیگر قرار گیرند، می‌توانند میزان آب بیشتری را مورد تصفیه قرار دهند. (افزایش دبی آب تصفیه‌شده)
شدت جریان لازم در الکترودیالیز: شدت جریان مستقیماً بستگی به تعداد یون‌هایی دارد که از غشا عبور می‌کنند، لذا هرچه تعداد یون‌های آب کمتر باشد (آب خالص‌تر باشد)، مقاومت الکتریکی بیشتر شده و هزینة برق افزایش می‌یابد. مقدار مقاومت الکتریکی هر جفت سل برای آب‌های معمولی حدود 5 تا 500 اهم می‌باشد. هرچه فاصلة سل‌ها کمتر باشد، مقاومت الکتریکی کمتر شده و در نتیجه در هزینة برق صرفه‌جویی می‌شود.
شدت جریان الکتریسته لازم در فرایند الکترودیالیز از فرمول ذیل قابل محاسبه می باشد.که در آن Q معرف دبی حجمی آب خام و cΔ معرف اختلاف غلظت یون‌های بین آب خام و آب تصفیه‌شده ɧ بازده جریان برق مصرفی (بازده جریان برق معرف کسری از کل جریان برق مصرفی است که واقعاً صرف حرکت یون‌های ناخالص شده است و مقدار آن همیشه کمتر از 100% می‌باشد) z ظرفیت یون و F ثابت فاراده است که برابر با 96500 کولمب به ازای هر گرم اکی‌والان است (کولمب واحد بار الکتریکی بوده و معادل 6.24 ضربدر ده به توان 18  الکترون می‌باشد)، بازده جریان برق مصرفی مستقیماً بستگی به تعداد جفت سل‌های الکترودیالیز دارد. همانطور که گفته شد یون‌های داخل محلول عامل عبور جریان برق از غشا هستند. بنابراین اگر شدت جریان زیاد شود و به اندازة کافی کاتیون نباشد که از غشاء عبور کند در آن صورت جریان برق صرف تجزیة آب شده و تولیدH+ و  OH-می‌کند یون هیدروژن (H+ ) از غشاء عبور کرده و یون (-OH ) هیدرواکسید در قسمت آب تصفیه‌شده باقی می‌ماند که منجر به افزایش PH (قلیایی‌شدن محیط) و صدمه‌زدن به جنس غشاها می‌گردد.
مشکلات و معایب فرایند الکترودیالیز:
1- با توجه به اینکه جنس غشاءها در فرایند الکترودیالیز از جنس رزین‌های تبادل یون می‌باشد که معمولاً به شکل صفحاتی به طول یک متر به کار می‌روند (رزین‌های تبادل یون، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یون‌های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی‌والان یون مطلوب و با بار مشابه جایگزین کنند) لذا خواص آنها با غلظت محیط و دما و حتی نوع یون دستخوش تغییر می‌گردد که این امر موجب تغییر در میزان کارایی غشاءها می‌گردد. همچنین به علت ایجاد سوراخ‌های سوزنی در غشاء خاصیت انتخابگری غشاءها تغییر کرده و مثلاً تعدادی از آنیون‌ها از غشاء کاتیونی عبور کرده و برعکس.
2- این فرایند فقط قادر به حذف مواد معدنی محلول بوده؛ لذا آب باید مراحل پیش‌تصفیه را گذرانده باشد و فاقد هرگونه مواد جامد معلق باشد.
3- فرایند الکترودیالیز سیستم مدرنی بوده و نیاز به نگهداری و نظافت ماهرانه دارد.
4- این فرایند قادر به تصفیه آب‌هایی با TDS بالاتر از 2500 میلیگرم نمی‌باشد، لذا آب دریاها و اقیانوس‌ها را به علت بالابودن جامدات محلول (TDS<3500 mg/l ) نمی‌تواند تصفیه کند.
5- آب‌های دارای سولفات بالا با این روش به سختی تصفیه می‌شوند چون خاصیت انتخاب‌پذیری و اولویت‌بندی یون‌ها باعث می‌شود یون‌های کلرور سهل‌تر و زودتر از غشاء عبور کنند.
6- به علت تشکیل گاز هیدروژن و سود (NaOH ) در کاتد لازم است با یک جریان اسیدی، سود تولیدی را خنثی کرد.
7- برای دستگاه‌های الکترودیالیز نیاز به جریان برق مستقیم با میزان ولتاژ بالایی می‌باشد که چنین ولتاژی کاملاً خطرآفرین است، لذا لازم است محیط کاملاً از نظر الکتریکی عایق باشد. از طرفی جریان‌های نشتی در اطراف دستگاه الکترودیالیز می‌تواند باعث خوردگی شدید شوند لذا باید از اتصال به زمین دستگاه مطمئن شد.






 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.