Ηλεκτροδιαπίδυση

Η ηλεκτροδιαπίδυση ή ηλεκτροδιάλυση (electrodialysis) είναι μια ηλεκτροχημική διεργασία απομάκρυνσης ιόντων ή ιοντογενών ουσιών από το νερό ή άλλα υγρά που χρησιμοποιεί ηλεκτρικά αγώγιμες μεμβράνες κατάλληλης εκλεκτικότητας και ένα ηλεκτρικό δυναμικό για να προκαλέσει μεταφορά ιόντων. Οι χρησιμοποιούμενες κατιοντοδιαπερατές (Κ) μεμβράνες αποτελούνται από αδιάλυτα πολυανιόντα, φέρουν αρνητικό φορτίο και επιτρέπουν τη δίοδο μέσω της μάζας τους μόνο των ιόντων αντιθέτου φορτίου, δηλ. των κατιόντων, ενώ αποκλείουν τη δίοδο των ανιόντων. Οι ανιοντοδιαπερατές (Α) μεμβράνες αποτελούνται από αδιάλυτα πολυκατιόντα, φέρουν θετικό φορτίο και επιτρέπουν τη δίοδο των ανιόντων, ενώ αποκλείουν τη δίοδο των κατιόντων. Η ηλεκτροδιαπίδυση διαφέρει από τον ηλεκτροαπιονισμό (electrodeionization ή filled cell electrodialysis) στο ότι δεν χρησιμοποιούνται ιοντοανταλλακτικές ρητίνες στα διαμερίσματα αραίωσης. Διαφέρει επίσης από τον χωρητικό απιονισμό (capacitive deionization) στο ότι είναι μια συνεχής διεργασία χωρίς εναλλασσόμενα στάδια φόρτισης – εκφόρτισης – έκπλυσης των ηλεκτροδίων.

 Η μέθοδος βασίζεται στον αποκλεισμό των ιόντων λόγω ηλεκτροστατικής άπωσης με τη χρησιμοποίηση κατάλληλα φορτισμένων μεμβρανών. Η ηλεκτροχημική διάταξη ηλεκτροδιαπίδυσης αποτελείται από εναλλασσόμενα διαμερίσματα συγκέντρωσης και αραίωσης ιόντων τα οποία διαχωρίζονται μεταξύ τους με τις εναλλασσόμενες ανιοντοδιαπερατές και κατιοντοδιαπερατές μεμβράνες. Το προς καθαρισμό νερό τροφοδοσίας διοχετεύεται κάθετα προς το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Εξ’ αιτίας του ηλεκτρικού πεδίου τα κατιόντα κινούμενα προς την κάθοδο διαπερνούν τις μεμβράνες αντιθέτου φορτίου δηλ. τις κατιοντοδιαπερατές αλλά όχι τις μεμβράνες ομοίου φορτίου δηλ. τις ανιοντοδιαπερατές. Ομοίως τα ανιόντα κινούμενα προς την άνοδο διαπερνούν τις ανιοντοδιαπερατές και όχι τις κατιοντοδιαπερατές μεμβράνες. Κατά συνέπεια, η συγκέντρωση του προς καθαρισμό νερού μεταβάλλεται τοπικά και έτσι δημιουργούνται τα εναλλασσόμενα διαμερίσματα συγκέντρωσης και αραίωσης ιόντων. Επομένως, με τη μέθοδο της ηλεκτροδιαπίδυσης μπορούμε να διαχωρίσουμε ένα διάλυμα άλατος σε ένα αραιωμένο (φτωχό σε άλας) διάλυμα κα σε ένα συμπυκνωμένο (πλούσιο σε άλας) διάλυμα. Η ηλεκτροδιαπίδυση εφαρμόζεται κυρίως στην αφαλάτωση του θαλασσινού ή υφάλμυρου νερού, στη συμπύκνωση της άλμης για τη παραγωγή μαγειρικού άλατος, στην απομάκρυνση ιοντικών ουσιών από διαλύματα διάφορων μη ιοντικών συστατικών (πρωτεϊνών, σακχάρων κ.ά.) και στην επεξεργασία οίνων, τροφίμων και φρουτοχυμών. Επιπρόσθετα, με χρήση διπολικών ιοντοανταλλακτικών μεμβρανών η ηλεκτροδιαπίδυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ηλεκτροχημική διάσπαση άλατος στο αντίστοιχο οξύ και τη βάση από το οποίο αυτό προέρχεται π.χ. διάσπαση του KΝΟ3 σε ΗΝΟ3 και KΟΗ, ή του NaCl σε HCl και NaOH αντίστοιχα. Ενα επίσης σημαντικό πεδίο εφαρμογής της διεργασίας αποτελεί ο εμπλουτισμός και η ανάκτηση εξαντλημένων καταλυτών, ευγενών μετάλλων ή άλλων πολύτιμων ουσιών με ταυτόχρονη εξυγίανση και επαναχρησιμοποίηση του νερού από υδατικά βιομηχανικά απόβλητα. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά την αφαλάτωση του νερού εξαρτάται από την συγκέντρωση του άλατος του νερού τροφοδοσίας και υπολογίζεται από τη σχέση: E = n I R t z F Q ( C i n l e t d − C o u t l e t d ) a {\displaystyle \ E={\frac {nIRtzFQ(C_{inlet}^{d}-C_{outlet}^{d})}{a}}} όπου: Ε = η πειραματικά προσδιοριζόμενη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας n = ο αριθμός των στοιχειωδών μονάδων της συστοιχίας Ι = η ένταση ρεύματος που διαρρέει την συστοιχία ηλεκτροδιαπίδυσης R = η ηλεκτρική αντίσταση της κυψέλης t = ο χρόνος z = το φορτίο ιόντος F = η σταθερά Faraday Q = η παροχή του προς αφαλάτωση νερού τροφοδοσίας C i n l e t d {\displaystyle C_{inlet}^{d}} = η συγκέντρωση στο εισερχόμενο νερό τροφοδοσίας (mol/L) C o u t l e t d {\displaystyle C_{outlet}^{d}} = η συγκέντρωση στο εξερχόμενο καθαρό νερό (mol/L) α = η απόδοση ρεύματος Για συγκεντρώσεις άλατος μεταξύ 500 και 10000 mg/l η ηλεκτροδιαπίδυση είναι η περισσότερο οικονομική μέθοδος συγκρινόμενη με τις υπόλοιπες γνωστές μεθόδους αφαλάτωσης όπως η ιοντοανταλλαγή (ion exchange), η αντίστροφη ώσμωση (reverse osmosis), η πολυβάθμια εκρηκτική εξάτμιση (multi-stage-flush-evaporation) και η μηχανική συμπίεση ατμών (mechanical vapor compression). Για συγκεντρώσεις άλατος < 500 mg/l πλεονεκτεί από άποψη κατανάλωσης λιγότερης ενέργειας η ιοντοανταλλαγή, ενώ για συγκεντρώσεις άλατος > 10000 mg/l πλεονεκτούν η αντίστροφη ώσμωση και η πολυβάθμια εκρηκτική εξάτμιση. Πολύ οικονομικότερη αφαλάτωση επιτυγχάνεται με τη μέθοδο του χωρητικού απιονισμού (capacitive deionization). Η μέθοδος αυτή όμως βρίσκεται σε πειραματικό στάδιο και δεν έχει αξιοποιηθεί βιομηχανικά ακόμα. Ηλεκτροχημεία Ηλεκτροαπιονισμός Χωρητικός απιονισμός Ηλεκτρόλυση T. Xu, C. Huang, “Electrodialysis-Based Separation Technologies: A critical Review, AIChE Journal 54 (2008) 3147-3159. L.J. Banasiak, T.W. Kruttschnitt, A.I. Schaefer, “Desalination using electrodialysis as a function of voltage and salt concentration”, Desalination 205 (2007) 38-46. V. Gauwenberg, J. Peels, S. Resbeut, G. Pourcelly, “Application of electrodialysis within fine chemistry”, Separation and Purification Technology 22-23 (2001) 115-121. M. Sadrzadeh, T. Mohammadi, “Sea water desalination using electrodialysis”, Desalination 221 (2008) 440-447. H. Strathmann, H. Chmiel, “Die Elektrodialyse- ein Membranverfahren mit vielen Anwendungsmoeglichkeiten”, Chem.-Ing.-Tech. 56 (1984) 214-220. A.T. Sherif, J. Molenat, A. Elmidaoui, “Nitric acid and sodium hydroxide generation by electrodialysis using bipolar membranes”, Journal of Applied Electrochemistry 27 (1997) 1059-1074. H. Kawate, K. Miyaso, M. Takiguchi, “Energy savings in salt manufacture by ion exchange membrane electrodialysis”, sixth International Symposium on salt, 1983-Vol. II, Salt Institute. Konstantinos Dermentzis, “Removal of nickel using electrostatic shielding electrodialysis/electrodeionization”, Journal of Hazardous Materials 173 (2010) 647-652. Κωνσταντίνος Δερμεντζής, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας GR1004819, 18-2-2005, Οργανισμός Βιομηχανικής Ιδιοκτησίας (ΟΒΙ). K. Dermentzis, D. Papadopoulou, A. Christoforidis, A. Dermentzi, “A new process for desalination and electrodeionization of water by means of electrostatic shielding zones-ionic current sinks“, Journal of Engineering Science and Technology Review 2 (2009) 33-42, Technological Education Institute TEI of Kavala. K. Dermentzis, A. Christoforidis, D. Papadopoulou, A. Davidis, „Ion and ionic current sinks for electrodeionization of simulated cadmium plating rinsewaters“ , Environmental Progress & Sustainable Energy (2010), DOI: 10.1002/ep.10438.