یکی از روش‌های بهبود فرایند یون‌زدایی ظرفیتی استفاده از غشاء است. برای این کار از دو غشاء تبادل یونی در دو طرف الکترودها استفاده می‌شود و این روش را با نام یون زدایی ظرفیتی غشائی (MCDI) یا به اختصار CDI می‌نامند. این عمل باعث بهبود عملکرد روش نمک زدایی ظرفیتی می‌شود:
- از طرفی غشاء در حین فرایند جذب اجازه خروج یون‌ها از سطح الکترود را نمی‌دهد. در عوض زمانی که غشاء پر می‌شود این یون‌ها در تخلخل‌های الکترود محبوس شده و در نتیجه باعث بهبود بازده نمک زدایی می‌شوند؛
- با حفظ شدن خنثایی بار در داخل سلول، یون‌های اضافی قادر هستند با عبور از غشاء تبادل یونی جذب سطح شوند و در نتیجه جذب یون بیشتر یا نمک زدایی بیشتری اتفاق بیفتند؛
- استفاده از غشاء موجب می‌شود که سیستم MCDI در حالت جریان مستقیم کار کند و در نتیجه غلظت آب تولیدی پایدار و یکنواخت خواهد بود؛
- میزان انرژی لازم برای فرایند MCDI کمتر از روش یون زدایی ظرفیتی است.
در سال‌های اخیر فناوری‌های یون زدایی خازنی تبدیل به یک فناوری جداسازی ویژه شده است که در صنعت تصفیه آب و فاضلاب کاربرد دارد. علت اصلی گسترش این فناوری، عدم استفاده از مواد شیمیایی، سادگی و در عین حال بازده بالای فرآیند و عدم نیاز به پمپ‌ها و منابع حرارتی است.
فرآیندهای یون زدایی خازنی
یون زدایی خازنی (CDI) سیستمی است که اجزای باردار را از آب با استفاده از اختلاف پتانسیل الکتریکی (نیروی محرکه بر روی یون‌ها) بین یک جفت الکترود که اغلب از کربن متخلخل ساخته می‌شود، خارج می‌کند. یک الکترود با بار مثبت، آنیون‌ها (یون‌های با بار منفی) و الکترود دیگر با بار منفی، کاتیون‌ها (یون‌های با بار مثبت) را جذب می‌کند.
عدم وجود فشار هیدرولیک بدین معنی است که می‌توان OPEX را کاهش داد و برخلاف فرآیندهای غشایی بر مبنای فشار، می‌توان رسوب را کنترل کرد. علاوه بر این، یک ولتاژ نسبتا کم مورد نیاز است (<8/1 ولت) که مزیت قابل توجه آن پایین بودن انرژی مورد نیاز برای بازیابی آب است.
حوزه‌های کاربردی فناوری CDI
حذف انتخابی فرآیندهای یون‌زدایی خازنی تحت تاثیر مشخصه آلاینده‌ها و تشکیل‌دهنده‌های خوراک (به عنوان مثال بار یونی، شعاع هیدراته و غلظت اولیه یون‌ها)، شرایط عملیاتی (به عنوان مثال ولتاژ اعمالی) و خصوصیات الکترود (به عنوان مثال اندازه منافذ، توزیع اندازه منافذ و ساختار) است.
چرخه ساز و کار یون‌زدایی خازنی؛ جذب و دفع
چرخه یک سیستم یون‌زدایی خازنی معمولی بین دو حالت است:
الف) جذب، در جایی که یون‌ها از آب خارج می‌شوند و ب) دفع، جایی که الکترودها دوباره بازیابی می‌شوند.
الف) اختلاف پتانسیلی بر روی دو الکترود اعمال و یون‌های موجود در آب جذب می‌شوند. اگر الکترودهای کربنی متخلخل داشته باشیم، یون‌ها از طریق منافذ بین ذرهای به منافذ درون ذرهای منتقل شده و جذب لایه‌های دوتایی الکتریکی (EDLs) می‌شوند.
EDL ساختاری است که روی سطح یک جسم هنگام قرار گرفتن در معرض یک مایع ظاهر می‌شود که شامل دو لایه موازی بار در اطراف جسم است. لایه اول؛ بار سطحی (مثبت یا منفی)؛ شامل یون‌هایی است که به دلیل اندرکنش شیمیایی بر روی جسم جذب می‌شوند.
لایه دوم شامل یون‌هایی است که از طریق نیروهای کولونی به بار سطحی جذب و به صورت الکتریکی لایه اول را پوشش می‌دهند. لایه دوم با جسم ارتباط بسیار ضعیفی دارد که از یون‌های آزادی ساخته شده که بیشتر تحت تاثیر جذب الکتریکی و حرکت حرارتی سیال است تا اینکه محکم شده باشد. بنابراین “لایه نفوذی یا پراکنده” نامیده می‌شود.
مدل بارگیری و ذخیره یونی در الکترودهای متخلخل CDI
مکانیسم جذب و دفع در یون‌زدایی خازنی
عملکرد یون زدایی خازنی در حالت ولتاژ ثابت و جریان ثابت
یک سل یون زدایی خازنی می‌تواند در دو حالت ولتاژ ثابت یا جریان ثابت کار کند.
الف) حالت ولتاژ ثابت
هنگام استفاده از ولتاژ ثابت در طول مرحله جذب یکCDI ، EDLها (سیستم مبتنی بر کربن) در ابتدای مرحله جذب باردار نمی‌شوند که منجر به اختلاف پتانسیل بالا بین دو الکترود و کاهش غلظت پساب می‌شود. هنگامی که یون‌های بیشتری در EDL جذب می‌شوند، پتانسیل EDL افزایش می‌یابد و اختلاف پتانسیل باقی‌مانده بین الکترودها کاهش می‌یابد. به دلیل کاهش سرعت حذف یون، غلظت یون پساب افزایش می‌یابد.
ب) حالت جریان ثابت
برابری و تعادل بار یونی منتقل شده به الکترودها با جریان الکتریکی اعمال شده با استفاده از اعمال یک جریان ثابت، امکان کنترل بهتر غلظت نمک پساب را فراهم می‌کند. برای داشتن پساب پایدار، باید از غشاء تغلیظ نمک در سل CDI استفاده شود، زیرا این حالت از عملکرد نه تنها باعث جذب ضدیون می‌شود بلکه باعث کاهش یون نیز می‌شود.
مزایای سیستم یون‌زدایی خازنی
یون زدایی خازنی مزایای منحصر به فردی دارد که امکان حذف نمک را در فشارهای کم (زیر اسمزی) و دمای اتاق با ورودی ولتاژ سلولی کوچک (تقریبا 1ولت) و جریان الکتریکی که بزرگی آن به اندازه سیستم بستگی دارد، فراهم می‌کند. CDI نیازی به اتصال به پمپ‌های فشار قوی یا منابع گرما ندارد.
همچنین یون‌ها مستقیما به خارج از آب خوراک منتقل می‌شوند که قابلیت شیرین کردن با انرژی بسیار پایین آب‌های کم شور (آب لب‌شور) را فراهم می‌آورد.
CDI در هنگام شارژ، انرژی (شبیه به یک ابرخازن) را ذخیره و آب را نمک‌زدایی می‌کند. حتی اگر این خازن ذخیره انرژی مورد استفاده قرار نگیرد، با استفاده از راندمان بسیار بالا کولومبیک فن‌آوری‌های EDL، در زمان تخلیه مواد الکترود تقریبا به طور کامل شارژ می‌شود.
کاربردهای سیستم یون‌زدایی خازنی
فرآیند یون زدایی خازنی به دلیل خواص مختلف آن کاربردهای مختلفی دارد:
- سختی‌گیری آب
- حذف فلزات سنگین
- حذف فسفات و نیترات
سختی‌گیری آب
سختی آب که در اثر وجود مواد معدنی مانند کلسیم و منیزیم در آب ایجاد می‌شود، سبب پوسته پوسته شدن تجهیزات صنعتی می‌شود.
فرآیندهای مختلفی برای حذف یون‌ها و سختی‌گیری آب از جمله رسوب و ته‌نشینی شیمیایی، تبادل یونی، NF، RO و ED استفاده می‌شود که این روش‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند یا به استفاده بیش از حد از مواد شیمیایی احتیاج دارند.
بنابراین CDI به دلیل مصرف کم انرژی و فرایندی بدون استفاده از مواد شیمیایی دارای مزایای مشخصی برای سختی‌گیری آب است.
حذف فلزات سنگین
فاضلاب‌های صنعتی اغلب حاوی فلزات سنگین سمی مانند سرب، کادمیوم و کروم است که به طور فزاینده‌ای در محیط زیست رها می‌شوند. فناوری‌های تصفیه شامل رسوب شیمیایی، IX، جذب، فرآیندهای غشایی، انعقاد و لخته‌سازی و فرآیندهای الکتروشیمیایی است که هر کدام معایب خاصی دارند.
به عنوان مثال رسوب شیمیایی حجم زیادی از لجن و پسماندهای ثانویه تولید می‌کند و فقط برای غلظت بالای یون‌ها استفاده می‌شوند. روش IX همچنین پسماندهای ثانویه را در طول بازسازی رزین تولید می‌کند که کاربرد آن‌ها را در مقیاس بزرگ محدود می‌کند.
فرآیندهای غشایی بر مبنای فشار برای از بین بردن فلزات سنگین كارآمد است، اما OPEX بالایی دارند. همچنین فرآیندهای الکتروشیمیایی CAPEX و OPEX بالایی دارند.
از طرف دیگر، فرآیندهای یون زدایی خازنی به دلیل بهره‌وری انرژی مناسب بدون استفاده از مواد شیمیایی یا تولید پسماند، گزینه فنی مناسب برای حذف فلزات سنگین است.
حذف فسفات و نیترات
فسفات‌ها و نیترات‌ها عمدتا در کاربردهای کشاورزی و صنعتی وجود دارد و برای ممانعت از آسیب‌های زیست محیطی، مانند سیل‌زدایی منابع آب باید حذف شوند. مواد مغذی، به ویژه فسفر، یک عنصر اساسی برای تولید مواد غذایی است که در سراسر جهان پراکنده می‌شوند و بازیابی آن‌ها در اولویت است.
حذف فسفر و بازیابی از فاضلاب با فرآیندهای رسوب‌زدایی و سوزاندن لجن صورت می‌گیرد اما به دلیل تقاضای زیاد برای مواد شیمیایی و انرژی، نیاز به سرمایه‌گذاری بالایی دارند.
علاوه بر این، فناوری‌هایی در مقیاس بزرگ برای از بین بردن نیترات با فرآیندهای بیولوژیکی و به دنبال آن فرآیندهای غشایی، مانند RO، تبادل یونی و فرآیندهای شیمیایی استفاده شده است. علی‌رغم بازده عالی حذف، هنوز هم به دلیل OPEX و تولید آلودگی ثانویه نیاز به پیش تصفیه و تصفیه وجود دارد. واحد‌های تجاری CDI حذف 88 تا 98درصدی نیترات از فاضلاب را گزارش کرده‌اند.