وجود هر گونه حیات، متکی به وجود آب است. آب در بیشتر فرایندهای متابولیسمی بدن، نقش حیاتی دارد. هنگام گوارش غذا، مقادیر قابل توجهی آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای عملکرد درست، بدن ، روزانه به ۱ تا ۷ لیتر آب نیاز است که به مقدار فعالیت بدن ، دمای هوا ، رطوبت و دیگر عوامل بستگی دارد.
منابع آبی محدود در دنیا موجب شده تا بشر به دنبال راه‌کارهای جدیدی برای رفع نیازهای آبی خود کند. از جمله این راه‌کارها عبارتند از:
امروزه فناوری‌های مختلفی برای تامین آب از هر یک از این منابع و روش توسعه پیدا کرده است. یکی از مهمترین پارامترهای انتخاب روش مناسب میزان انرژی و منبع انرژی مورد استفاده در فناوری تامین و تصفیه آب است. با توجه به توسعه فعالیت‌های بشر در بحث تولید برق و پاک بودن این انرژی، استفاده از این منبع انرژی در فناوری‌های جدید توسعه بسیاری پیدا کرده است. در این مقاله سعی داریم مروری داشته باشیم بر انواع روش‌های تصفیه و تامین آب که با کمک جریان الکتریکی انجام میشوند.
تمامی منابع آبی موجود در دنیا را می‌توان به دو دسته کلی آب شیرین و آب شور تقسیم کرد. اگر چه بیش از ۷۰ درصد از سطح کره‌ی زمین با آب پوشیده شده است اما کمتر از ۳ درصد از آن آب شیرین می‌باشد و بیشترین مقدار آب موجود در دنیا آب شور است.
با توجه به اینکه مقدار بسیار زیادی از آبهای موجود در جهان به صورت شور یا لب شور هستند، همین امر باعث شده تا بشر به دنبال راه‌های مختلفی برای تأمین آب شیرین از این منابع آبی باشد.
امروزه در دنیا بیش از ۹۰۰۰ پروژه در زمینه تبدیل آب شور به آب شیرین اجرا میشود. این مقدار تنها ۱% درصد از کل آب مصرفی در جهان است. دلیل گسترش واحدهای کوچک نمک زدایی آب، هزینه آن است. روش‌های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد ولی روشی مناسب خواهد بود که بازده مناسبی داشته باشد.
جذب یونی یا جذب الکترودی یکی از روش‌های معمول و پربازده است که امروزه توجه بسیاری از مهندسان و محققان را به خود جلب کرده است.
به فرایند جذب یک یون به وسیله القای پتانسیل به یک سطح باردار، جذب الکترودی گفته میشود. اساس روش اعمال یک اختلاف پتانسیل بین دو الکترود با سطح ویژه بالاست. که در نتیجه یون‌ها در سطح الکترود نگه داشته شده و جذب میشوند و محلول آبی بدون یون بیرون میآید. یکی از مهمترین کاربردهای این روش نمک زدایی آبهای دریا و لب شور است که به نام یون زدایی ظرفیتی (capacitive deionization) مشهور است.
همانطور که مشاهده میشود سلول یون‌زدایی ظرفیتی متشکل از دو الکترود با بارهای مخالف هم می‌باشد. بعد از بار دار شدن الکترودها و عبور آب از آن یونهای مثبت به سمت الکترود منفی و یونهای به سمت الکترود مثبت کشیده و جذب آن‌ها میشوند. این یون‌ها در لایه مضاعف تشکیل شده در سطح الکترود نگه داشته میشوند. آب خروجی، بسته به بازده سیستم، عاری از هر گونه یون اضافی خواهد بود.
ویژگی‌های این روش عبارتست از:
نکته مهم در روش نمک‌زدایی ظرفیتی آب ورودی به سیستم است. معمولاً از روش یون زدایی ظرفیتی برای شیرین سازی آبهای لب شور استفاده میشود.
در اصطلاح آبِ لب‌شور به آبی گفته میشود که میزان نمک در آن از آبِ شیرین بیشتر و از آب دریا کمتر باشد. کل مواد جامد (TDS) در آبهای لب شور بین ۱۵۰۰ تا ۵۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر است و معمولاً در اثر مخلوط شدن آب دریا و آب رودخانه‌هایی که به دریا می‌ریزد پدید می‌آیند. همچنین برخی از دریاچه‌ها و تالاب‌ها ممکن است دارای آب لب‌شور باشند.
در مقایسه با روش اسمز معکوس، روش نمک زدایی ظرفیتی برای شیرین سازی آب بسیار مقرون به صرفه است و انرژی مصرفی در این روش بسیار کمتر است. با این حال محققان راه‌کارهای مختلفی را برای توسعه روش یون زدایی ظرفیتی این روش شناسایی کرده‌اند.
به نسبت سایر روش‌های توسعه یافته برای نمک‌زدایی آب، روش یون زدایی یک روش جوانتری به شمار میآید. این روش با چالش‌هایی مواجه است که باعث شده است تا ورود این روش به بازار با چالش‌هایی روبرو باشد.
یکی از مهمترین چالش‌های این روش، نوع ماده مورد استفاده برای ساخت الکترود است. نوع ماده مورد استفاده برای الکترود میتواند ظرفیت یک واحد یون زدایی ظرفیتی را مشخص کند. هزینه ساخت یک ماده با ظرفیت مناسب بسیار بالا است. اغلب مواد مورد استفاده برای ساخت الکترود از نوع کربنی هستند. امروزه شرکت‌های مختلفی در دنیا بر روی این موضوع کار می‌کنند تا بتوانند هزینه ساخت ماده الکترود را کاهش دهند.
رسوب گذاری یکی از بزرگترین چالش‌های پیش روی توسعه سیستم‌های اسمز معکوس است و روش یون زدایی ظرفیتی نیز دارای چنین مشکلی است. البته باید خاطر نشان کرد که روش یون زدایی ظرفیتی دارای مزایایی است که میتواند نگرانی‌های موجود درباره این چالش را به حداقل برساند.
بعنوان مثال با تغییر پتانسیل بین دو الکترود می‌توان مقدار رسوب گذاری بر سطح الکترودها را به حداقل رساند. تحقیقات نشان می‌دهد که مشکل رسوب گذاری در روش یون زدایی ظرفیتی را می‌توان با طراحی مناسب اصلاح و حداقل رساند. همچنین در مورد آبهای لب شور مقدار رسوب گذاری به صفر می‌رسد.
داده‌های مربوط به محاسبات انرژی مورد نیاز برای نمک زدایی آبهای شور نشان می‌دهد که روش یون زدایی ظرفیتی در مقایسه با روش‌های اسمز معکوس و حرارتی یک روش مقرون به صرفه برای یون‌زدایی آبهای لب شور است. مقدار انرژی لازم برای حذف نمک از آبهای لب شور بوسیله روش یون زدایی ظرفیتی حدود ۳/۱ روش اسمز معکوس است.
الکترودیالیز
در میان انواع فناوری‌های نمک زدایی و تصفیه آب، روش‌های غشائی به دلیل هزینه و انرژی کمتر و عدم تاثیر بر کیفیت محصولات به خصوص در تصفیه آب‌ها و پساب‌ها بسیار مورد توجه گرفته‌اند.
روش الکترودیالیز به علت مصرف انرژی کمتر در مقایسه با روش‌های حرارتی، روشی مناسبی محسوب میشود. اساس فرایند الکترودیالیز الکتروشیمیایی است و با استفاده از این روش می‌توان آلودگی‌های یونی محلول در آب را حذف کرد.
الکترودیالیز به طور وسیع در نمک‌زدایی آبهای شور مورد استفاده قرار می‌گیرد. بیشترین کاربرد این روش در تهیه آب آشامیدنی یا آب صنعتی از آب‌هایی است که مقدار TDS آن‌ها کمتر از ۵۰۰۰PPm باشد.
از دیگر زمینه‌های کاربردی الکترودیالیز می‌توان به تولید آب ورودی بویلرها، تصفیه و نمک زدایی آب مورد نیاز برای داروهای حساس به دما در صنایع دارویی، صنابع غذایی و … را نام برد.
الکترودیالیز یک فرایند جداسازی غشایی است. نیروی محرکه انتقال یون‌ها در فرایند الکترودیالیز، اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شده میان یک آند و یک کاتد است که باعث انتقال یون‌ها به خارج از محیط آبی و تصفیه آب میشود. هنگامی که یک میدان الکتریکی توسط الکترودها اعمال میشود، بار ظاهر شده در سطح آند مثبت و در سطح کاتد منفی میشود.
میدان الکتریکی اعمال شده سبب مهاجرت یونهای مثبت (کاتیونها) به سمت کاتد و یونهای منفی (آنیون‌ها) به سمت آند میشود. در حین فرایند مهاجرت، آنیون‌ها از غشا‌ءهای انتخاب پذیر آنیونی عبور می‌کنند اما توسط غشا‌ءهای انتخاب‌پذیر کاتیونی بازگردانده میشوند. مشابه این عمل برای کاتیونها در مواجهه با غشا‌ءهای کاتیونی و آنیونی اتفاق می‌افتد.
در نتیجه این اتفاقات غلظت یون در بخش‌های مختلف به صورت متناوب بسیار کاهش یافته و افزایش می‌یابد. و در انتها یک محلول رقیق عاری از یون و یک محلول تغلیظ شده بعنوان آب شور یا غلیظ شده از سیستم خارج میشود.
بطور معمول در هر دستگاه حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ عدد غشاء کاتیونی و با تعداد مساوی غشاء آنیونی استفاده میشود.
در سیستم‌های پیشرفته دستگاه الکترودیالیز در فاصله هر ۱۵ دقیقه محل قطب کاتد و آند جابجا میشود و به طور اتوماتیک از رسوب روی الکترودها و گرفتگی غشاها کاسته میشود.
یک سیستم الکترودیالیز متشکل از چند جزء اصلی است:
غشاهای سیستم الکترودیالیز صفحات متخلخلی از جنس رزینهای تعویض یونی هستند که دارای دو نوع کاتیونی و آنیونی می‌باشند.
غشاءها مورد استفاده درالکترودیالیز باید دارای ویژگی‌هایی باشند:
الکترودهای مورد استفاده در الکترودیالیز می‌توانند از جنس تیتانیم یا نیوبیوم بوده که به وسیله پالادیوم یا پلاتین پوشش داده شده‌اند تا در برابر محیط‌های اسیدی، قلیایی و ولتاژ اعمال شده مقاوم باشند.
غشاءها توسط جداکننده‌های پلیمری از یکدیگر مجزا می شوند. به طور معمول ضخامت این توری ها در بین فضای بین غشاءها نیم میلی متر و در کنار الکترودها یک میلی متر است.
سیستم الکترودیالیز صنعتی
بدلیل مشکل تشکیل رسوب و مصرف انرژی بالا روش الکترودیالیز روش مناسبی برای حذف مواد معدنی از آب دریا نمی‌باشد، اما بعنوان یک روش قابل بررسی برای حذف مواد معدنی از آبهای لب شور پذیرفته شده است.
در این روش هزینه‌های تعویض غشاء و هزینه‌های انرژی الکتریکی حدود ۴۰% کل هزینه را تشکیل می‌دهد. مطالعات نیمه صنعتی نشان داده‌اند که الکترودیالیز یک روش عملی به لحاظ فنی برای حذف مواد معدنی از خروجی‌های تصفیه ثانویه است.
در عین حال تشکیل رسوب و مزاحمت مواد آلی برای غشاء نیز وجود دارد که می‌توان با در نظر گرفتن روش پیش تصفیه مناسب نظیر انعقاد، ته نشینی، فیلتراسیون و جذب با کربن فعال کاهش داد. آزمایشات نشان داده‌اند که ۲۵ تا ۵۰ درصد نمک‌های محلول را می‌توان با یک بار عبور جریان از برج الکترودیالیز حذف کرد.
الکترودیالیز (ED) به تنهایی جزء فناوری‌های رایج تصفیه آب برای آب آشامیدنی و یا صنعتی نیست.
آمارهای موجود برای مقایسه دو پارامتر انرژی و هزینه برای روش‌های حرارتی و اسمز معکوس بسیار است اما به روش‌های الکترودیالیز و یون‌زدایی ظرفیتی بسیار کمتر توجه شده است.
در روش الکترودیالیز مقدار انرژی مصرفی برای حذف یون‌ها از محلول به صورت زیر محاسبه میشود:
WED = Wdeionization = Edeionization /ηd = V.Imt/ ηd
که در این رابطه W مقدار انرژی بر حسب ژول است و V ولتاژ بین دو الکترود برحسب ولت و Im مقدار جریان حداقلی مورد نیاز برای حذف یون‌ها است (بر حسب آمپر) و t زمان بر حسب ثانیه و ηd مقدار بازده نمک زدایی است.
در روش یون‌زدایی ظرفیتی مقدار انرژی لازم برای حذف یون معادل است با:
WCDI = Wdeionization −Wregeneration = Wcharge −Wdischarge
این معادله مشابه با مقدار انرژی لازم برای روش الکترودیالیز است با این تفاوت که در روش یون زدایی ظرفیتی حذف یون همزمان با ذخیره سازی انرژی در سطح الکترودها است که میتواند در سیکل برگشتی بازیابی شود. همین امر موجب شده تا روش یون زدایی ظرفیتی بعنوان یک روش بهینه از لحاظ انرژی تبدیل شود.
مشخص است که واحدهای الکترودیالیز در اکثر آبهای شور باعث ایجاد کانالهای تغلیظ در مقیاس خیلی بزرگ میشوند در نتیجه تجهیزات و هزینه‌های بسیار زیادی برای تمیز کردن شیمیایی این واحدها نیاز است. راه حل این بود که قطبش الکترودها را هر چند دقیقه معکوس کنند و دریچه را تغییر دهند تا کانالهای رقیق کننده به تغلیظ و کانالهای تغلیظ به رقیقکننده تبدیل شوند. این امر واحد الکترودیالیز معکوس (EDR) را نسبتا تمیز نگه میدارد.
تفاوت الکترودیالیز و الکترودیالیز معکوس (EDR) ، این است که در واحدهای الکترودیالیز الکترودها قطب ثابتی هستند و کانالهای رقیق شده همیشه کانالهای رقیقکننده هستند و کانالهای کنسانتره همیشه کانالهای تغلیظ هستند.
از جمله کاربردهای روش الکترودیالیز معکوس (EDR) برای تولید آب آشامیدنی از منابع آب شیرین و تصفیه فاضلاب برخی از فرایندهای صنعتی است. بزرگترین مرکز EDR در ایالات متحده یک کارخانه آب آشامیدنی در FL Sarasota,است.
یون زدایی الکتریکی یا الکترودیونیزاسیون فنآوری است که برای تصفیه آب با خلوص بالا استفاده میشود. به همین دلیل واحدهای الکترودیونیزاسیون نیازمند یک فرایند پیش تصفیه است.
ساختمان واحدهای الکترودیونیزاسیون شبیه به واحدهای الکترودیالیز است، اما با کاتیونهای اسیدی قوی و رزینهای پایه آنیونی قوی‌تر که با یکدیگر ترکیب و لایهبندی شده‌اند. این رزین‌ها در کانالهای رقیقکننده قرار داده میشوند.
در سیستم‌های الکترودیونیزاسیون حجم معینی از هر کانال رقیق کننده با رزین کاتیونی اسید قوی و سپس یک حجم مشخصی از آن با رزین قوی آنیونی پر میشود و همینطور تکرار میشود. جریانها و دانههای رزین مخلوط را در کانالهای رقیق شده یک واحد EDI به صورت زیر است.
قطبش الکترودها در واحدهای الکترودیونیزاسیون همانند الکترودیالیز تغییر نمیکند. کانالهای رقیق همیشه کانالهای رقیقکننده هستند و کانالهای تغلیظ همیشه کانالهای تغلیظ را باقی می‌مانند.
برای کاهش مقاومت درون الکترودیونیزاسیون ، حداقل هدایت و جریان خاصی در کانالهای تغلیظ با تزریق کلرید سدیم یا با استفاده مجدد یک قسمت از محلول غلیظ یا با پرکردن کانالهای تغلیظ با دانههای رزین حفظ میشود.
فناوری الکترودیونیزاسیون با رشد بسیار سریعتری نسبت به سایر روش‌های تصفیه آب همراه است، زیرا هیچ گونه بازیابی شیمیایی رزینهای تبادل یونی در این روش لازم نیست. با استاندارهای مخلوط، رزینهای قوی کاتیونی اسیدی باید با هیدروکلریک اسید یا سولفوریک اسید بازیابی شوند و رزین های قوی پایه آنیونی باید با هیدروکسید سدیم احیا شوند.
رزینهای الکترودیونیزاسیون به صورت الکتریکی بازیابی میشوند. پس از حذف اکثر یونهای آب تغذیه، پتانسیل الکتریکی مولکولهای آب را به یونهای هیدروژن و هیدروکسید تجزیه میکند. این سبب میشود که دانههای رزین به حالت بازیابی در کانال رقیق کننده قرار گیرند و در نتیجه آب با خلوص خیلی بالا تولید میکند.
واتک به عنوان اولین مرکز شتابدهی تخصصی حوزه فناوری و ایده های حوزه آب می باشد که به استارتاپ های این حوزه تخصصی کمک میکند تا به مرحله تجاری سازی و سرمایه گذاری برسند. این شتاب دهنده نیز زیرساخت هایی برای این استارتاپ ها در نظر گرفته است جهت کسب اطلاعات بیشتر به سایت واتک مراجعه کنید یا با کارشناسان واتک تماس حاصل فرمایید.
