شیرین کردن آب به روش الکترودیالیز

تا این جا روش هایی ذکر شدند که در آنها ، آب از محلول یا آب نمک جدا می شد . در این روش یعنی روش الکترودیالیز نمک را از آب می گیرند یا جدا می کنند . این روش ها ، برای شیرین کردن آب هایی که غلظت املاح در آنها کم است ، یعنی در حدود ۵۰۰۰ قسمت در میلیون ( آب های لب شور ) خیلی مناسب است .

انرژی مصرفی در این روشها ، نسبت به روش هایی مانند تقطیری و انجماد که در آنها آب شیرین از آب شور ، یا آب نمک گرفته می شود ، کمتر است . در روشهای الکترودیالیز و تعویض یونی از محلول جدا می شوند ، انرژی مصرفی به مقدار یونی بستگی دارد که باید جدا شود .

همانطور که قبلاً هم گفتیم ، اسمز عبارت است از انتقال آب در داخل غشا از محلول با غلظت کم ، به محلول با غلظت بیشتر اما در دیالیز ، نفوذ یون ها به داخل غشا از محلول غلیظ تر به محلول با غلظت کمتر صورت می گیرد . مقدار انتقال آب و نفوذ نمک به نوع غشا یا پرده نیمه تراوا بستگی دارد . ولی روی هم رفته غشاهای اسمز به نسبت مقدار کمی از یون ها و غشاهای دیالیز ، مقدار کمی از آب را انتقال می دهند .

امروزه غشاهای الکترودیالیزی ساخته می شوند که شامل بازهای منفی و مثبت است و می تواند یون های دارای قطب های مخالف را جذب کند.

الکترودیالیز عبارت است از تجزیه آب در جریان الکتریسیته ، این عمل موجب می شود یون های موجود در آب ، از هم جدا شوند و یون های مثبت به طرف الکترود منفی ( کاتد )‌ و یون های منفی به طرف الکترود مثبت ( آند ) بروند . در سر راه عبور جذب آنها ، غشاهای مذکور که قادر به حذب دسته ای از یون ها ( منفی یا مثبت )  می باشند ، قرار داده می شوند . این غشاها به صورت زوج ، مورد استفالده قرار می گیرند که یکی از آنها شامل یون های منفی است ، به همین دلیل اجازه عبور یون مثبت را می دهد و از داخل شدن یون نفی جلوگیری می کند .

غشای دیگری شامل یون مثبت است ، از این رو اجازه عبور یون منفی را می دهد و از داخل شدن یون مثبت جلوگیری به عمل می آورد . یک صافی الکترودیلیز ، شامل تعداد زیادی از این زوج غشاهاست که به طور موازی پهلوی هم قرار می گیرند و فاصله بین آنها در حدود ۰۶/۰ اینچ است . آب از بین این غشاها عبور می کند که نتیجه آن دو جریان است ، یکی محصول ( آب شیرین ) و دیگری پساب یا شور آب . از سال ۱۹۵۵ نصب دستگاه های اقتصادی از این نوع ، شروع شده و به صورت موفقیت آمیزی آبهای با غلظت کم ، حدود ۵۰۰۰ قسمت در میلیون مورد استفاده قرار گرفته است .

عمل الکترودیالیز قادر نیست تمام یون ها را از آب جذب کند ، زیرا ولتاژ آن خیلی زیاد نیست ، بنابراین ، در عمل آب شیرینی که از دستگاه الکترودیالیز خارج می شود ،  غلظت املاح آن در حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ قسمت در میلیون است . در عمل ثابت شده صافی الکترودیالیز قادر است فقط ۵۰ درصد غلظت املاح را کاهش بدهد ، یعنی اگر آبی داشته باشیم که غلظت آن حدود ۴۰۰۰ قسمت در میلیون باشد ، چهار صافی الکترودیالیز لازم است تا آب به غلظت متناسب برای مصرف یعنی ۵۰۰ قسمت در میلیون برسد .

مسئله دیگر در این روش قیمت تمام شده آب است که قسمت عمده آن مربوط می شود به هزینه الکتریکی داده شده به سیستم و هزینه تعویض غشاء یا پرده های نیمه تراوا . هزینه اخیر به عمر مفید غشا بستگی دارد که به طور معمول در حدود ۳ تا ۵ سال است .

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده در سل شماره ۱ و ۳ محلول غلیظی از آنیون و کاتیون‌ها را داریم و در سل شماره ۲ 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  فاصله سل‌ها از یکدیگر کمتر باشد، برای تصفیه مقدار معینی آب تعداد سل‌های بیشتری نیاز خواهد بود. در عمل نیز یک دستگاه الکترودیالیز ممکن است تا حدود ۵۰۰ جفت سل داشته باشد. برای رسیدن به بازده حدود ۶۰ درصد (۶۰ درصد آب تصفیه شده و۴۰ درصد فاضلاب تولید می‌گردد) زمان تماس ۱۰ تا ۲۰ ثانیه لازم می‌باشد.

نحوه 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 هزینه برق افزایش می‌یابد. مقدار مقاومت الکتریکی هر جفت سل برای آب‌های معمولی حدود ۵ تا ۵۰۰ اهم می‌باشد. هرچه فاصله سل‌ها کمتر باشد، مقاومت الکتریکی کمتر شده و در نتیجه در هزینه برق صرفه‌جویی می‌شود.

مشکلات و معایب فرایند الکترودیالیز:
۱- 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. 

۲- 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.

۳- فرایند الکترودیالیز سیستم مدرنی بوده و نیاز به نگهداری و نظافت ماهرانه دارد.

۴- 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.

۵- 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