इलेक्ट्रोडायलिसिस

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इलेक्ट्रोडायलिसिस (ईडी) का उपयोग उपयोजित विद्युत संभावित अंतर के प्रभाव के अंतर्गत लवण आयनों को आयन विनिमय झिल्ली के माध्यम से एक विलयन (रसायन विज्ञान) से दूसरे विलयन में ले जाने के लिए किया जाता है। यह एक विन्यास में किया जाता है जिसे इलेक्ट्रोडायलिसिस सेल कहा जाता है। सेल में एक निवेशांक (तनु) कक्ष और एक संकेंद्रित (लवण जल) कक्ष होता है जो एक आयन-विनिमय झिल्ली और दो विद्युतद्वार के मध्य स्थित एक धनायन विनिमय झिल्ली द्वारा निर्मित होता है। सभी प्रायोगिक इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रक्रियाओं में, कई इलेक्ट्रोडायलिसिस कोशिकाओं को एक विन्यास में व्यवस्थित किया जाता है जिसे इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक कहा जाता है, जिसमें वैकल्पिक आयन और धनायन विनिमय झिल्ली के साथ कई इलेक्ट्रोडायलिसिस कोशिकाओं का निर्माण करते हैं। इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रक्रियाएं आसवन तकनीकों और अन्य झिल्ली आधारित प्रक्रियाओं (जैसे विपरीत परासरण (आरओ)) से भिन्न होते हैं, जिसमें विघटित प्रजातियों को प्रभरण धारा से दूर ले जाया जाता है, जबकि अन्य प्रक्रियाएं शेष पदार्थों से पानी को दूर ले जाती हैं। निवेशांक धारा में विघटित प्रजातियों की मात्रा तरल पदार्थ की तुलना में बहुत कम है, इलेक्ट्रोडायलिसिस कई अनुप्रयोगों में बहुत अधिक निवेशांक पुनर्प्राप्ति का प्रायोगिक लाभ प्रदान करता है।

विधि

इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक में, तनु (डी) प्रभरण धारा, लवण जल या संकेंद्रित (सी) धारा, और विद्युतद्वार (ई) धारा को आयन विनिमय झिल्ली द्वारा गठित उपयुक्त सेल कक्ष के माध्यम से प्रवाहित करने की अनुमति दी जाती है। विद्युत संभावित अंतर के प्रभाव में, तनु प्रवाह में नकारात्मक रूप से आवेशित आयन (जैसे, क्लोराइड) धनात्मक रूप से आवेशित एनोड की ओर स्थानांतरित करते हैं। ये आयन धनात्मक रूप से आवेशित ऋणायन-विनिमय झिल्ली से होकर पारित होते है , लेकिन ऋणात्मक रूप से आवेशित धनायन-विनिमय झिल्ली द्वारा एनोड की ओर आगे बढ़ने से रोक दिए जाते हैं और इसलिए सी धारा में रहते हैं, जो आयनों के साथ केंद्रित हो जाते है। डी धारा में धनात्मक रूप से आवेशित प्रजातियां (जैसे, सोडियम) नकारात्मक रूप से आवेशित कैथोड की ओर पारित करती हैं और ऋणात्मक रूप से आवेशित धनायन विनिमय झिल्ली से पारित होती है। धनायन C धारा में भी रहते हैं, धनात्मक रूप से आवेशित किए गए आयन-विनिमय झिल्ली द्वारा कैथोड की ओर आगे प्रवास को प्रतिबंध किया जाता है। आयन और धनायन प्रवास के परिणामस्वरूप, कैथोड और एनोड के मध्य विद्युत धारा प्रवाहित होते है। केवल समान संख्या में आयनों और धनायन आवेशित समकक्षों को डी धारा से सी धारा में स्थानांतरित किया जाता है और इसलिए प्रत्येक धारा में आवेशित संतुलन बनाए रखा जाता है। इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रक्रिया का समग्र परिणाम तनु विलयन प्रभरण धारा में आयनों की कमी के साथ केंद्रित धारा में आयन संकेंद्रित में वृद्धि है।

ई धारा विद्युतद्वार धारा है जो स्टैक में प्रत्येक विद्युतद्वार से होकर बहती है। इस धारा में प्रभरण धारा (जैसे, सोडियम क्लोराइड) के समान संरचना सम्मिलित हो सकती है या एक अलग प्रजाति (जैसे, सोडियम सल्फेट) युक्त एक अलग विलयन हो सकता है। ई धारा का उपयोग सामान्यतः विद्युतद्वार प्लेटों में निवेशांक से लवण आयनों की कमी और/या ऑक्सीकरण को रोकने के लिए किया जाता है। स्टैक विन्यास के आधार पर, विद्युतद्वार धारा से आयनों और उद्धरणों को सी धारा में ले जाया जा सकता है, या डी धारा से आयनों और उद्धरणों को ई धारा में ले जाया जा सकता है। प्रत्येक प्रकरण में, यह परिवहन स्टैक में विद्युत धारा ले जाने और विद्युत रूप से तटस्थ स्टैक विलयन बनाए रखने के लिए आवश्यक है।

एनोड और कैथोड प्रतिक्रियाएँ

प्रत्येक विद्युतद्वार पर प्रतिक्रियाएँ होती हैं। कैथोड पर,

2e⁻ + 2 H₂O → H₂ (g) + 2 OH⁻

जबकि एनोड पर,

H₂O → 2 H⁺ + ½ O₂ (g) + 2e⁻ or 2 Cl⁻ → Cl₂ (g) + 2e⁻

कैथोड पर थोड़ी मात्रा में हाइड्रोजन गैस उत्पन्न होती है और एनोड पर थोड़ी मात्रा में ऑक्सीजन या क्लोरीन गैस (ई धारा की संरचना और अंत आयन-विनिमय झिल्ली व्यवस्था के आधार पर) उत्पन्न होती है। इन गैसों को विशिष्ट रूप से बाद में नष्ट कर दिया जाता है क्योंकि प्रत्येक विद्युतद्वार कक्ष से ई धारा के प्रवाह को एक तटस्थ pH बनाए रखने के लिए संयोजित किया जाता है और एक अलग ई टैंक में स्रावित कर दिया जाता है या फिर से प्रसारित किया जाता है। हालांकि, कुछ (उदाहरण के लिए) ने ऊर्जा में उपयोग के लिए हाइड्रोजन गैस के संग्रह का प्रस्ताव दिया है।

दक्षता

विद्युत धारा दक्षता इस बात का माप है कि किसी दिए गए विद्युत धारा के लिए आयन-विनिमय झिल्ली में आयनों को कितना प्रभावी प्रकार से स्थानांतरित किया जाता है। विशिष्ट रूप से ऊर्जा परिचालन लागत को कम करने के लिए वाणिज्यिक स्टैक में >80% से अधिक उपस्तिथ दक्षताएं वांछनीय हैं। कम विद्युत धारा क्षमताएँ इंगित करती हैं कि पानी तनु या केंद्रित धाराओं में विभाजित हो रहा है, विद्युतद्वार के मध्य शंट (विद्युत) धाराएँ, या सांद्र से तनु तक आयनों का पश्च-प्रसार हो सकता है।

विद्युत धारा दक्षता की गणना के अनुसार की जाती है:

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

जहाँ

$\xi$ = विद्युत धारा उपयोजन दक्षता

$z$ = आयन का प्रभार

$F$ = फैराडे स्थिरांक, 96,485 Amp-s/mol

$Q_{f}$ = तनु प्रवाह दर, L/s

$C_{inlet}^{d}$ = तनु ED सेल अंतर्गम सांद्रता, mol/L

$C_{outlet}^{d}$ = तनु ED सेल निर्गम सांद्रता, mol/L

$N$ = सेल युग्मों की संख्या

$I$ = विद्युत धारा, Amps

विद्युत धारा दक्षता विशिष्ट रूप से निवेशांक संकेंद्रित का एक कार्य है।

इलेक्ट्रोडायलिसिस तनूकृत चैनलों से लवण आयनों को केंद्रित चैनलों तक ले जाने के द्वारा काम करता है, निवेशांक लवण की संकेंद्रित में वृद्धि के रूप में ऊर्जा की खपत बहुत बढ़ जाती है। समुद्री जल में लवण की सघनता के कारण समुद्री जल का अलवणीकरण सामान्यतः इलेक्ट्रोडायलिसिस की तुलना में उत्क्रम परासरण द्वारा अधिक ऊर्जा प्रभावी होती है। हालांकि, कम लवण सांद्रता वाली जल धाराओं के लिए इलेक्ट्रोडायलिसिस सबसे अधिक ऊर्जा प्रभावी प्रक्रिया हो सकती है। इसके अतिरिक्त, बहुत अधिक लवण सांद्रता वाली जलधाराएँ, जिन्हें उत्क्रम परासरण द्वारा अलग नहीं किया जा सकता है, संतृप्ति के निकट सांद्रता तक इलेक्ट्रोडायलिसिस द्वारा केंद्रित किया जा सकता है। यह शून्य तरल निर्वहन उपचार के लिए बहुत उपयोगी है, जिससे वाष्पीकरण की तुलना में ऊर्जा खपत में कमी प्रदान होती है।

अनुप्रयोग

आवेदन में, इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रणाली को निरंतर उत्पादन या घान उत्पादन प्रक्रियाओं के रूप में संचालित किया जा सकता है। एक सतत प्रक्रिया में, अंतिम वांछित उत्पाद की गुणवत्ता का उत्पादन करने के लिए निवेशांक को श्रृंखला में रखे गए ढेरों की पर्याप्त संख्या के माध्यम से पारित किया जाता है। घान प्रक्रियाओं में, अंतिम उत्पाद या संकेंद्रित गुणवत्ता प्राप्त होने तक तनु और/या संकेंद्रित धाराओं को इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रणाली के माध्यम से प्रसारित किया जाता है।

इलेक्ट्रोडायलिसिस सामान्यतः जलीय विलयनों के विआयनीकरण के लिए उपयोजित किया जाता है। हालांकि, विरल रूप से प्रवाहकीय जलीय कार्बनिक यौगिक और कार्बनिक विलयनों का विलवणीकरण भी संभव है। इलेक्ट्रोडायलिसिस के कुछ अनुप्रयोगों में सम्मिलित हैं:

• बृहत खारा और समुद्री जल का विलवणीकरण और लवण का उत्पादन।
• छोटे और मध्यम पैमाने पर पेयजल उत्पादन (जैसे, कस्बों और गांवों, निर्माण और सैन्य शिविर, नाइट्रेट में कमी, होटल और अस्पताल)।
• पानी का पुन: उपयोग (जैसे, अलवणीकरण लवणीन उपचार, औद्योगिक कपड़े धोने का अपशिष्ट जल, तेल/गैस उत्पादन से उत्पादित पानी, शीतलन टॉवर मेकअप और अवधमन, धातु उद्योग तरल पदार्थ, वॉश-रैक पानी)
• पूर्व-खनिजीकरण (उदाहरण के लिए, बायलर मेकअप और पूर्व उपचार, अतिशुद्ध जल पूर्व उपचार, प्रक्रिया जल अलवणीकरण, बिजली उत्पादन, अर्धचालक, रासायनिक निर्माण, भोजन और पेय)
• खाद्य प्रसंस्करण
• कृषि जल (उदाहरण के लिए, पौधाघर, जलसंवर्धन, सिंचाई, पशुधन के लिए पानी)
• ग्लाइकोल विलवणन (जैसे, प्रतिहिम/इंजन-शीतक, संधारित्र विद्युत् अपघट्य तरल, तेल और गैस निर्जलीकरण, प्रानुकूलन और प्रसंस्करण विलयन, औद्योगिक शीतलक, तापक, हानी और वातानुकूलन (HVAC) से माध्यमिक शीतलक)
• ग्लिसरीन शुद्धि
• लवण से अम्ल और क्षार पुनर्जनन
• अपशिष्ट जल से मूल्यवान घुलनशील पदार्थों की पुनर्प्राप्ति
• शून्य तरल निर्वहन (ZLD)

इलेक्ट्रोडायलिसिस का प्रमुख अनुप्रयोग ऐतिहासिक रूप से पीने योग्य पानी के उत्पादन के लिए आरओ के विकल्प के रूप में खारे पानी या समुद्री जल का विलवणीकरण और लवण उत्पादन के लिए समुद्री जल की सांद्रता (मुख्य रूप से जापान में) है। उच्च पुनर्प्राप्ति की आवश्यकता के बिना सामान्य पीने योग्य पानी के उत्पादन में, उत्क्रम परासरण को विशिष्ट रूप से अधिक लागत प्रभावी माना जाता है जब कुल घुलनशील ठोस (टीडीएस) 3,000 भाग प्रति मिलियन (पीपीएम) या अधिक होता है, जबकि टीडीएस निवेशांक सांद्रता 3,000 पीपीएम से कम या जब निवेशांक की उच्च पुनः प्राप्ति की आवश्यकता होती है, तो इलेक्ट्रोडायलिसिस अधिक लागत प्रभावी होती है।

इलेक्ट्रोडायलिसिस के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण अनुप्रयोग विद्युतीकरण (ईडीआई) द्वारा शुद्ध पानी और अतिशुद्ध पानी का उत्पादन है। ईडीआई में, शुद्ध करने वाले कक्ष और कभी-कभी इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक के संकेंद्रित कक्ष आयन विनिमय रेजिन से भरे होते हैं। जब कम टीडीएस निवेशांक (जैसे, आरओ द्वारा शुद्ध निवेशांक) के साथ खिलाया जाता है, तो उत्पाद बहुत उच्च शुद्धता स्तर (जैसे, 18 MΩ-cm) तक पहुंच सकते है। आयन-विनिमय रेजिन आयनों को बनाए रखने के लिए कार्य करते हैं, जिससे इन्हें आयन-विनिमय झिल्लियों में ले जाया जा सकता है। ईडीआई प्रणाली का मुख्य उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स, औषधीय, बिजली उत्पादन और शीतलक टावर अनुप्रयोगों में होता है।

इलेक्ट्रोडायलिसिस आंतरायिक ऊर्जा इनपुट और वोल्टेज भिन्नताओं के अनुकूल हो सकता है, इसलिए इसे आसानी से नवीकरणीय बिजली स्रोतों से जोड़ा जा सकता है।

वरणात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस

वरणात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस केवल कुछ आयनों को केंद्रित करने के लिए आयन वरणात्मक विनिमय झिल्ली का उपयोग करते है, जबकि अन्य प्रजातियां तनूकृत चैनल में रहती हैं। वरणात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस सामान्यतः एकार्थक आयन और/या धनायन विनिमय झिल्ली को नियोजित करके किया जाता है, जो क्रमशः एकार्थक आयन या धनायनों के प्रवास की अनुमति देता है। यह तब उपयोगी होता है जब केवल मोनोवालेंट आयनों को अलग करने की आवश्यकता होती है, जिससे बिजली की खपत और अलवणीकरण का समय कम हो जाता है। उदाहरण के लिए, यह सिंचाई के पानी के लिए उपयोगी है। मोनोवालेंट धनायन सामान्यतः फसलों के लिए विशेष रूप से (Na⁺, Cl^-) हानिकारक होते हैं, जबकि अधिकांश द्विसंयोजी आयन (Ca⁺², Mg⁺², SO^4-₂) पौधों के लिए लाभकारी पोषक तत्व होते हैं। इसलिए, एकार्थक वरणात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस कृषि के लिए एक आदर्श संरचना के साथ पानी प्रदान कर सकते है, जिससे खनिज निषेचन की आवश्यकता कम हो जाती है।

सीमाएं

इलेक्ट्रोडायलिसिस में अंतर्निहित सीमाएँ होती हैं, जो प्रभरण धारा से कम आणविक भार आयनिक घटकों को हटाने में सबसे अच्छा काम करती हैं। गैर-आवेशित, उच्च आणविक भार और कम मोबाइल आयनिक प्रजातियों को सामान्यतः महत्वपूर्ण रूप से हटाया नहीं जाता है। इसके अलावा, आरओ के विपरीत, इलेक्ट्रोडायलिसिस तब कम मितव्ययी हो जाता है जब उत्पाद में अत्यंत कम लवण सांद्रता की आवश्यकता होती है और कम प्रवाहकीय निवेशांक के साथ विद्युत धारा घनत्व सीमित हो जाती है और विद्युत धारा उपयोग दक्षता सामान्यतः कम हो जाती है क्योंकि निवेशांक लवण संकेंद्रित कम हो जाती है, और विद्युत धारा ले जाने के लिए विलयन में कम आयनों के साथ, आयन परिवहन और ऊर्जा दक्षता दोनों में अत्यन्त गिरावट आती है। परिणामस्वरूप, कम सांद्रता (और कम प्रवाहकीय) निवेशांक विलयनों के लिए क्षमता आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए तुलनात्मक रूप से बड़े झिल्ली क्षेत्रों की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोडायलिसिस (और आरओ) की अंतर्निहित सीमाओं पर काबू पाने वाली नवीन प्रणालियाँ उपलब्ध हैं; ये एकीकृत प्रणालियाँ सहक्रियात्मक रूप से काम करती हैं, प्रत्येक उप-प्रणाली अपनी इष्टतम सीमा में काम करती है, जो किसी विशेष अनुप्रयोग के लिए कम से कम समग्र परिचालन और पूंजीगत लागत प्रदान करती है।

आरओ के साथ, इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रणाली को उन प्रजातियों को हटाने के लिए प्रभरण पूर्व उपचार की आवश्यकता हो सकती है जो आयन विनिमय झिल्ली की सतह को कोट करने, अवक्षेपित करने, या अन्यथा "अशुद्ध" करते हैं। यह दूषण इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रणाली की कार्यक्षमता कम हो जाती है। संबन्धित प्रजातियों में कैल्शियम और मैगनीशियम कठोरता, निलंबित ठोस पदार्थ, सिलिका और कार्बनिक यौगिक सम्मिलित हैं। कठोरता को दूर करने के लिए जल मृदुकरण का उपयोग किया जा सकता है, और निलंबित ठोस पदार्थों को हटाने के लिए माइक्रोमीटर या बहुमाध्यम निस्यंदक का उपयोग किया जा सकता है। कठोरता विशेष रूप से संबन्धित विषय है क्योंकि झिल्लियों पर प्रवर्धन बन सकता है। हालांकि, इलेक्ट्रोडायलिसिस उत्क्रम परासरण की तुलना में उन फाउलेंट्स की उच्च सांद्रता का समर्थन कर सकते है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोडायलिसिस झिल्ली, क्योंकि उनका आकार आयताकार होता है, उन्हें स्टैक से हटाया जा सकता है और साफ किया जा सकता है, जबकि उत्क्रम परासरण झिल्ली को उनके सर्पिल ज्यामिति के कारण साफ नहीं किया जा सकता है। प्रवर्धन को रोकने में सहायता के लिए विभिन्न रसायन भी उपलब्ध हैं। इसके अलावा, इलेक्ट्रोडायलिसिस उत्क्रमण प्रणाली समय-समय पर विद्युतद्वार के तनु और संकेंद्रित करने और ध्रुवीयता के प्रवाह को उत्क्रमण कर प्रवर्धन को कम करने का प्रयास करते हैं।

यह भी देखें

• लवणता प्रवणता शक्ति
• जल अलवणीकरण
• इलेक्ट्रोडायलिसिस उत्क्रमण
• विद्युत रासायनिक अभियांत्रिकी
• विपरीत परासरण
• प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली

ग्रन्थसूची

• Inamuddin (2017-06-01). अपशिष्ट जल उपचार में सोखना और आयन एक्सचेंज क्रोमैटोग्राफी के अनुप्रयोग (in English). सामग्री अनुसंधान फोरम एलएलसी. ISBN 9781945291333.

बाहरी संबंध

• A. A. Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, (2006) अध्याय 17 - इलेक्ट्रोडायलिसिस का एक सरल परिचय और विभिन्न इलेक्ट्रोमेम्ब्रेन प्रक्रियाओं का विवरण