التحليل الكهربائي

تُستخدم عملية التحليل الكهربائي ( ED ) لنقل أيونات الملح من محلول إلى آخر عبر أغشية التبادل الأيوني ، وذلك بتأثير فرق جهد كهربائي مُطبق . ويتم ذلك في خلية تُسمى خلية التحليل الكهربائي. تتكون الخلية من حجرة تغذية (محلول مخفف) وحجرة تركيز ( محلول ملحي ) تتكون من غشاء تبادل أنيوني وغشاء تبادل كاتيوني موضوعين بين قطبين كهربائيين . في معظم عمليات التحليل الكهربائي العملية، تُرتّب خلايا متعددة في تكوين يُسمى مكدس التحليل الكهربائي، حيث تتناوب أغشية التبادل الأنيوني والكاتيوني لتشكيل هذه الخلايا. تختلف عمليات التحليل الكهربائي عن تقنيات التقطير وغيرها من العمليات القائمة على الأغشية (مثل التناضح العكسي (RO)) في أن المواد المذابة تُنقل بعيدًا عن تيار التغذية، بينما في العمليات الأخرى تُنقل الماء بعيدًا عن المواد المتبقية. ولأن كمية المواد المذابة في تيار التغذية أقل بكثير من كميتها في السائل، فإن التحليل الكهربائي يوفر ميزة عملية تتمثل في زيادة استخلاص التغذية بشكل كبير في العديد من التطبيقات. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

في وحدة التحليل الكهربائي، يمر تيار التغذية المخفف (D)، وتيار المحلول الملحي أو المركز (C)، وتيار القطب الكهربائي (E) عبر حجرات الخلايا المناسبة المكونة من أغشية التبادل الأيوني . تحت تأثير فرق الجهد الكهربائي، تهاجر الأيونات سالبة الشحنة (مثل الكلوريد ) في التيار المخفف نحو المصعد موجب الشحنة . تمر هذه الأيونات عبر غشاء التبادل الأنيوني موجب الشحنة، ولكن يمنعها غشاء التبادل الكاتيوني سالب الشحنة من الهجرة أكثر نحو المصعد، وبالتالي تبقى في تيار C، الذي يزداد تركيزه بالأنيونات. أما الأنواع موجبة الشحنة (مثل الصوديوم ) في تيار D فتهاجر نحو المهبط سالب الشحنة وتمر عبر غشاء التبادل الكاتيوني سالب الشحنة. تبقى هذه الكاتيونات أيضًا في تيار C، حيث يمنعها غشاء التبادل الأنيوني موجب الشحنة من الهجرة أكثر نحو المهبط. ^{[ ٨ ]} نتيجةً لهجرة الأنيونات والكاتيونات، يتدفق التيار الكهربائي بين المهبط والمصعد. وينتقل عدد متساوٍ من مكافئات شحنة الأنيونات والكاتيونات من تيار المحلول المركز (D) إلى تيار المحلول المخفف (C)، وبذلك يُحافظ على توازن الشحنة في كل تيار. وتتمثل النتيجة الإجمالية لعملية التحليل الكهربائي في زيادة تركيز الأيونات في تيار المحلول المركز، مع انخفاض تركيزها في تيار المحلول المخفف.

يمثل تيار E تيار الأقطاب الكهربائية الذي يمر عبر كل قطب في المكدس. قد يتكون هذا التيار من نفس تركيبة تيار التغذية (مثل كلوريد الصوديوم ) أو قد يكون محلولًا منفصلًا يحتوي على نوع مختلف (مثل كبريتات الصوديوم ). ^{[ 5 ]} يُستخدم تيار E عادةً لمنع اختزال و/أو أكسدة أيونات الملح من التغذية إلى ألواح الأقطاب الكهربائية. اعتمادًا على تصميم المكدس، قد تُنقل الأنيونات والكاتيونات من تيار الأقطاب الكهربائية إلى تيار C، أو قد تُنقل الأنيونات والكاتيونات من تيار D إلى تيار E. في كلتا الحالتين، يُعد هذا النقل ضروريًا لنقل التيار عبر المكدس والحفاظ على محاليل المكدس متعادلة كهربائيًا.

تحدث التفاعلات عند كل قطب كهربائي. عند المهبط، ^{[ 3 ]}

2e ⁻ + 2 H ₂ O → H ₂ (g) + 2 OH ⁻

بينما عند المصعد، ^{[ 3 ]}

H₂O ^→ 2H⁺ ⁺ ½ O₂ ( g ₎ + _2e⁻ أو ^{2Cl⁻ →} Cl₂ ( _g ) + 2e⁻

تتولد كميات ضئيلة من غاز الهيدروجين عند المهبط، وكميات ضئيلة من غاز الأكسجين أو الكلور (بحسب تركيب تيار E وترتيب غشاء التبادل الأيوني النهائي) عند المصعد. عادةً ما تتبدد هذه الغازات لاحقًا عند دمج تيار E الخارج من كل حجرة قطب للحفاظ على درجة حموضة متعادلة ، ثم يُصرّف أو يُعاد تدويره إلى خزان E منفصل. مع ذلك، اقترح البعض (على سبيل المثال) تجميع غاز الهيدروجين لاستخدامه في إنتاج الطاقة .

كفاءة التيار هي مقياس لمدى فعالية نقل الأيونات عبر أغشية التبادل الأيوني عند تطبيق تيار كهربائي معين. عادةً ما يُفضّل أن تتجاوز كفاءة التيار 80% في المحطات التجارية لتقليل تكاليف تشغيل الطاقة. تشير كفاءة التيار المنخفضة إلى احتمال حدوث تحلل للماء في تيارات المخفف أو المركز، أو تيارات تحويلية بين الأقطاب الكهربائية، أو ارتداد الأيونات من المركز إلى المخفف.

يتم حساب الكفاءة الحالية وفقًا لما يلي: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle \xi ={\frac {zFQ_{f}(C_{inlet}^{d}-C_{outlet}^{d})}{NI}}}$

أين

${\displaystyle \xi }$= كفاءة الاستخدام الحالية

${\displaystyle z}$= شحنة الأيون

${\displaystyle F}$= ثابت فاراداي ، 96485 أمبير.ثانية / مول

${\displaystyle Q_{f}}$= معدل التدفق المخفف، لتر /ثانية

${\displaystyle C_{inlet}^{d}}$= تركيز مدخل خلية ED المخفف ، مول/لتر

${\displaystyle C_{outlet}^{d}}$= تركيز مخرج خلية ED المخفف، مول/لتر

${\displaystyle N}$= عدد أزواج الخلايا

${\displaystyle I}$= التيار، أمبير.

تعتمد الكفاءة الحالية بشكل عام على تركيز التغذية. ^{[ 10 ]}

بما أن عملية التحليل الكهربائي تعتمد على نقل أيونات الملح من القنوات المخففة إلى القنوات المركزة، فإن استهلاك الطاقة يزداد بشكل كبير مع ازدياد تركيز الملح في المحلول المغذي. عادةً ما تكون تحلية مياه البحر باستخدام التناضح العكسي أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من التحليل الكهربائي. مع ذلك، قد يكون التحليل الكهربائي هو العملية الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة بالنسبة لتيارات المياه ذات التركيز الملحي المنخفض. إضافةً إلى ذلك، يمكن تركيز تيارات المياه ذات التركيز الملحي العالي جدًا، والتي لا يمكن فصلها بالتناضح العكسي، باستخدام التحليل الكهربائي حتى تركيزات قريبة من التشبع. يُعد هذا مفيدًا جدًا لمعالجات المياه التي لا تُصرف أي سوائل ، مما يُقلل من استهلاك الطاقة مقارنةً بالتبخير.

في التطبيقات العملية، يمكن تشغيل أنظمة التحليل الكهربائي كعمليات إنتاج مستمرة أو دفعية . في العملية المستمرة، يمر المحلول المغذي عبر عدد كافٍ من الحزم المتصلة على التوالي لإنتاج المنتج النهائي بالجودة المطلوبة. أما في العمليات الدفعية، فيُعاد تدوير تيارات المخفف و/أو المركز عبر أنظمة التحليل الكهربائي حتى يتم الوصول إلى جودة المنتج أو المركز النهائية.

تُستخدم عملية التحليل الكهربائي عادةً لإزالة الأيونات من المحاليل المائية . ومع ذلك، يُمكن أيضًا استخدامها لإزالة الأملاح من المحاليل المائية العضوية قليلة التوصيل . تشمل بعض تطبيقات التحليل الكهربائي ما يلي: ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]}

• إنتاج الملح وتحلية المياه المالحة والمياه قليلة الملوحة على نطاق واسع .
• إنتاج مياه الشرب على نطاق صغير ومتوسط ​​(مثل المدن والقرى، ومعسكرات البناء والمعسكرات العسكرية، وخفض النترات ، والفنادق والمستشفيات)
• إعادة استخدام المياه (على سبيل المثال، معالجة المحلول الملحي لتحلية المياه، مياه الصرف الصناعي للغسيل ، المياه المنتجة من إنتاج النفط/الغاز، مياه أبراج التبريد ، سوائل صناعة المعادن، مياه غسيل السيارات)
• المعالجة المسبقة لإزالة المعادن (على سبيل المثال، تحضير الغلايات ومعالجتها المسبقة، والمعالجة المسبقة للمياه فائقة النقاء، وتحلية مياه العمليات، وتوليد الطاقة ، وأشباه الموصلات ، والتصنيع الكيميائي، والأغذية والمشروبات)
• تصنيع الأغذية
• المياه الزراعية (مثل المياه المستخدمة في البيوت الزجاجية ، والزراعة المائية ، والري ، وتربية الماشية )
• إزالة الأملاح باستخدام الجليكول (على سبيل المثال، مضاد التجمد / مبردات المحرك، وسوائل إلكتروليت المكثفات ، وتجفيف النفط والغاز ، ومحاليل التكييف والمعالجة، وسوائل نقل الحرارة الصناعية ، والمبردات الثانوية من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ( HVAC ))
• تنقية الجلسرين
• تجديد الأحماض والقواعد من الأملاح ^{[ 11 ]}
• استخلاص المواد المذابة القيّمة من مياه الصرف الصحي ^{[ 12 ]}
• صفر تفريغ سائل (ZLD) ^{[ 13 ]}

لطالما كان التطبيق الرئيسي للتحليل الكهربائي هو تحلية المياه قليلة الملوحة أو مياه البحر كبديل للتناضح العكسي في إنتاج مياه الشرب، وتركيز مياه البحر لإنتاج الملح (بشكل أساسي في اليابان ). ^{[ 4 ]} في إنتاج مياه الشرب العادية دون الحاجة إلى معدلات استخلاص عالية، يُعتقد عمومًا أن التناضح العكسي أكثر فعالية من حيث التكلفة عندما تكون نسبة المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) 3000 جزء في المليون (ppm) أو أكثر، بينما يكون التحليل الكهربائي أكثر فعالية من حيث التكلفة لتركيزات TDS في المحلول المغذي الأقل من 3000 جزء في المليون أو عند الحاجة إلى معدلات استخلاص عالية للمحلول المغذي.

من التطبيقات المهمة الأخرى للتحليل الكهربائي إنتاج الماء النقي والماء فائق النقاء بتقنية إزالة الأيونات الكهربائية (EDI). في هذه التقنية، تُملأ حجرات التنقية، وأحيانًا حجرات التركيز، في جهاز التحليل الكهربائي براتنج التبادل الأيوني . عند استخدام محلول منخفض المواد الصلبة الذائبة (مثل محلول مُنقى بتقنية التناضح العكسي)، يمكن أن يصل المنتج إلى مستويات نقاء عالية جدًا (مثل 18 ميجا أوم -سم). تعمل راتنجات التبادل الأيوني على احتجاز الأيونات، مما يسمح بنقلها عبر أغشية التبادل الأيوني. تُستخدم أنظمة إزالة الأيونات الكهربائية بشكل رئيسي في الإلكترونيات، والصناعات الدوائية، وتوليد الطاقة، وأبراج التبريد.

يمكن أن تتكيف عملية التحليل الكهربائي مع مدخلات الطاقة المتقطعة وتغيرات الجهد، لذلك يمكن ربطها بسهولة بمصادر الكهرباء المتجددة ^{[ 14 ].}

تستخدم عملية التناضح الكهربائي الانتقائي أغشية تبادل أيوني انتقائية لتركيز بعض الأيونات فقط، بينما تبقى الأنواع الأخرى في القناة المخففة. وتُجرى هذه العملية عادةً باستخدام أغشية تبادل أيوني أحادية التكافؤ (أنيونات و/أو كاتيونات)، والتي تسمح فقط بانتقال الأنيونات أو الكاتيونات أحادية التكافؤ، على التوالي. يُعد هذا مفيدًا عند الحاجة إلى فصل الأيونات أحادية التكافؤ فقط، مما يقلل من استهلاك الكهرباء ووقت تحلية المياه. ^{[ 15 ]} على سبيل المثال، يُعد هذا مفيدًا لمياه الري. عادةً ما تكون الكاتيونات أحادية التكافؤ (Na⁺ ^، Cl⁻ ⁾ ضارة بالمحاصيل، بينما تُعد معظم الأيونات ثنائية التكافؤ (Ca²⁺ ^، Mg²⁺ ^، SO₄²⁻ ^{) مغذيات مفيدة للنباتات. لذلك، قد يوفر التناضح الكهربائي الانتقائي أحادي} _{التكافؤ} مياهًا ذات تركيبة مثالية للزراعة، مما يقلل من الحاجة إلى التسميد المعدني. ^{[ 16 ]}

Electrodialysis has inherent limitations, working best at removing low molecular weight ionic components from a feed stream. Non-charged, higher molecular weight, and less mobile ionic species will not typically be significantly removed. Also, in contrast to RO, electrodialysis becomes less economical when extremely low salt concentrations in the product are required and with sparingly conductive feeds: current density becomes limited and current utilization efficiency typically decreases as the feed salt concentration becomes lower, and with fewer ions in solution to carry current, both ion transport and energy efficiency greatly declines. Consequently, comparatively large membrane areas are required to satisfy capacity requirements for low concentration (and sparingly conductive) feed solutions. Innovative systems overcoming the inherent limitations of electrodialysis (and RO) are available; these integrated systems work synergistically, with each sub-system operating in its optimal range, providing the least overall operating and capital costs for a particular application.^[17]

As with RO, electrodialysis systems may require feed pretreatment to remove species that coat, precipitate onto, or otherwise "foul" the surface of the ion-exchange membranes. This fouling decreases the efficiency of the electrodialysis system. Species of concern include calcium and magnesiumhardness, suspended solids, silica, and organic compounds. Water softening can be used to remove hardness, and micrometre or multimedia filtration can be used to remove suspended solids. Hardness in particular is a concern since scaling can build up on the membranes. However, electrodialysis can support higher concentrations of those foulants than reverse osmosis. In addition, electrodialysis membranes, as they have rectangular shape, can be removed from the stack and cleaned, whereas reverse osmosis membranes can't be cleaned that way because of their spiral geometry. Various chemicals are also available to help prevent scaling. Also, electrodialysis reversal systems seek to minimize scaling by periodically reversing the flows of diluate and concentrate and polarity of the electrodes.

• Salinity gradient power
• Water desalination
• Electrodialysis reversal
• Electrochemical engineering
• Reverse osmosis
• Proton-exchange membrane

• Inamuddin (2017-06-01). Applications of Adsorption and Ion Exchange Chromatography in Waste Water Treatment. Materials Research Forum LLC. ISBN 978-1-945291-33-3.

• A. A. Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, (2006) Chapter 17 - a simple introduction to electrodialysis and description of different electromembrane processes