La electrodiálisis ( ED ) se utiliza para transportar iones de sal de una solución a través de membranas de intercambio iónico a otra solución bajo la influencia de una diferencia de potencial eléctrico aplicada . Esto se realiza en una configuración llamada celda de electrodiálisis. La celda consta de un compartimento de alimentación (diluido) y un compartimento de concentrado ( salmuera ) formado por una membrana de intercambio aniónico y una membrana de intercambio catiónico colocadas entre dos electrodos . En casi todos los procesos prácticos de electrodiálisis, se disponen múltiples celdas de electrodiálisis en una configuración llamada pila de electrodiálisis, con membranas de intercambio aniónico y catiónico alternadas que forman las múltiples celdas de electrodiálisis. Los procesos de electrodiálisis son diferentes de las técnicas de destilación y otros procesos basados en membranas (como la ósmosis inversa (OI)) en que las especies disueltas se alejan de la corriente de alimentación, mientras que otros procesos alejan el agua de las sustancias restantes. Debido a que la cantidad de especies disueltas en la corriente de alimentación es mucho menor que la del fluido, la electrodiálisis ofrece la ventaja práctica de una recuperación de alimentación mucho mayor en muchas aplicaciones. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
En una pila de electrodiálisis, la corriente de alimentación diluida (D), la corriente de salmuera o concentrado (C) y la corriente de electrodo (E) pueden fluir a través de los compartimentos de celda apropiados formados por las membranas de intercambio iónico . Bajo la influencia de una diferencia de potencial eléctrico, los iones cargados negativamente (p. ej., cloruro ) en la corriente diluida migran hacia el ánodo cargado positivamente . Estos iones pasan a través de la membrana de intercambio aniónico cargada positivamente, pero la membrana de intercambio catiónico cargada negativamente les impide seguir migrando hacia el ánodo y, por lo tanto, permanecen en la corriente C, que se concentra con los aniones. Las especies cargadas positivamente (p. ej., sodio ) en la corriente D migran hacia el cátodo cargado negativamente y pasan a través de la membrana de intercambio catiónico cargada negativamente. Estos cationes también permanecen en la corriente C, a la que la membrana de intercambio aniónico cargada positivamente les impide seguir migrando hacia el cátodo. [8] Como resultado de la migración de aniones y cationes, fluye corriente eléctrica entre el cátodo y el ánodo. Solo se transfiere una cantidad igual de equivalentes de carga de aniones y cationes de la corriente D a la corriente C, por lo que se mantiene el equilibrio de carga en cada corriente. El resultado general del proceso de electrodiálisis es un aumento de la concentración de iones en la corriente de concentrado y una disminución de iones en la corriente de alimentación de solución diluida.
La corriente E es la corriente de electrodos que fluye por cada electrodo en la pila. Esta corriente puede constar de la misma composición que la corriente de alimentación (por ejemplo, cloruro de sodio ) o puede ser una solución separada que contiene una especie diferente (por ejemplo, sulfato de sodio ). [5] La corriente E se emplea generalmente para evitar la reducción y/o oxidación de iones de sal de la alimentación en las placas de electrodos. Dependiendo de la configuración de la pila, los aniones y cationes de la corriente de electrodos pueden transportarse a la corriente C, o los aniones y cationes de la corriente D pueden transportarse a la corriente E. En cada caso, este transporte es necesario para llevar corriente a través de la pila y mantener soluciones de pila eléctricamente neutras.
En cada electrodo se producen reacciones . En el cátodo, [3]
mientras que en el ánodo, [3]
Se generan pequeñas cantidades de gas hidrógeno en el cátodo y pequeñas cantidades de oxígeno o gas cloro (según la composición de la corriente E y la disposición de la membrana de intercambio iónico final) en el ánodo. Estos gases suelen disiparse posteriormente a medida que el efluente de la corriente E de cada compartimento de electrodos se combina para mantener un pH neutro y se descarga o recircula a un tanque E separado. Sin embargo, algunos (por ejemplo) han propuesto la recolección de gas hidrógeno para su uso en la producción de energía .
La eficiencia de corriente es una medida de la eficacia con la que se transportan los iones a través de las membranas de intercambio iónico para una corriente aplicada determinada. Normalmente, las eficiencias de corriente >80% son deseables en las pilas comerciales para minimizar los costos operativos de energía. Las eficiencias de corriente bajas indican que podría estar ocurriendo una división del agua en las corrientes de diluido o concentrado, corrientes de derivación entre los electrodos o retrodifusión de iones desde el concentrado al diluido.
La eficiencia actual se calcula de acuerdo con: [9]
dónde
La eficiencia actual es generalmente una función de la concentración de la alimentación. [10]
Como la electrodiálisis funciona transportando iones de sal desde los canales diluidos a los canales concentrados, el consumo de energía aumenta considerablemente a medida que aumenta la concentración de sal de alimentación. La desalinización de agua de mar suele ser más eficiente energéticamente mediante ósmosis inversa que la electrodiálisis. [ cita requerida ] Sin embargo, para corrientes de agua con menor concentración de sal, la electrodiálisis puede ser el proceso más eficiente energéticamente. Además, las corrientes de agua con concentraciones de sal muy altas, que no se pueden separar mediante ósmosis inversa, se pueden concentrar mediante electrodiálisis hasta concentraciones cercanas a la saturación. Esto es muy útil para los tratamientos de Descarga Cero de Líquidos , lo que proporciona una reducción en el consumo de energía en comparación con la evaporación.
En la práctica, los sistemas de electrodiálisis pueden funcionar como procesos de producción continua o por lotes . En un proceso continuo, la alimentación pasa a través de un número suficiente de pilas colocadas en serie para producir la calidad final del producto deseada. En los procesos por lotes, las corrientes de diluido y/o concentrado se recirculan a través de los sistemas de electrodiálisis hasta que se alcanza la calidad final del producto o concentrado.
La electrodiálisis se suele aplicar a la desionización de soluciones acuosas . Sin embargo, también es posible la desalinización de soluciones acuosas y orgánicas poco conductoras . Algunas aplicaciones de la electrodiálisis incluyen: [2] [4] [5]
La principal aplicación de la electrodiálisis ha sido históricamente la desalinización de agua salobre o agua de mar como alternativa a la ósmosis inversa para la producción de agua potable y la concentración de agua de mar para la producción de sal (principalmente en Japón ). [4] En la producción normal de agua potable sin el requisito de altas recuperaciones, generalmente se cree que la ósmosis inversa es más rentable cuando los sólidos disueltos totales (TDS) son de 3000 partes por millón (ppm) o más, mientras que la electrodiálisis es más rentable para concentraciones de alimentación de TDS inferiores a 3000 ppm o cuando se requieren altas recuperaciones de la alimentación. [ cita requerida ]
Otra aplicación importante de la electrodiálisis es la producción de agua pura y agua ultrapura mediante electrodesionización (EDI). En la EDI, los compartimentos de purificación y, a veces, los compartimentos de concentración de la pila de electrodiálisis se llenan con resina de intercambio iónico . Cuando se alimenta con una alimentación con bajo contenido de sólidos disueltos totales (por ejemplo, alimentación purificada por ósmosis inversa), el producto puede alcanzar niveles de pureza muy altos (por ejemplo, 18 M Ω -cm). Las resinas de intercambio iónico actúan para retener los iones, lo que permite que estos se transporten a través de las membranas de intercambio iónico. El uso principal de los sistemas EDI son en aplicaciones de electrónica, farmacéutica, generación de energía y torres de enfriamiento.
La electrodiálisis puede adaptarse a la entrada intermitente de energía y a las variaciones de voltaje, por lo que se puede acoplar fácilmente a fuentes de electricidad renovables [14].
La electrodiálisis selectiva utiliza membranas de intercambio selectivo de iones para concentrar solo algunos iones, mientras que otras especies permanecen en el canal diluido. La electrodiálisis selectiva se realiza generalmente empleando membranas de intercambio de aniones y/o cationes monovalentes, que solo permiten la migración de aniones o cationes monovalentes, respectivamente. Esto es útil cuando solo se requiere separar iones monovalentes, reduciendo el consumo de electricidad y el tiempo de desalinización. [15] Por ejemplo, esto es útil para el agua de riego. Los cationes monovalentes suelen ser particularmente (Na + , Cl - ) dañinos para los cultivos, mientras que la mayoría de los iones divalentes (Ca +2 , Mg +2 , SO 4- 2 ) son nutrientes beneficiosos para las plantas. Por lo tanto, la electrodiálisis selectiva monovalente puede proporcionar agua con una composición ideal para la agricultura, reduciendo la necesidad de fertilización mineral. [16]
La electrodiálisis tiene limitaciones inherentes y funciona mejor para eliminar componentes iónicos de bajo peso molecular de una corriente de alimentación. Las especies iónicas no cargadas, de mayor peso molecular y menos móviles normalmente no se eliminarán de manera significativa. Además, a diferencia de la ósmosis inversa, la electrodiálisis se vuelve menos económica cuando se requieren concentraciones de sal extremadamente bajas en el producto y con alimentaciones escasamente conductivas: la densidad de corriente se vuelve limitada y la eficiencia de utilización de la corriente generalmente disminuye a medida que la concentración de sal de la alimentación se vuelve menor, y con menos iones en solución para transportar corriente, tanto el transporte de iones como la eficiencia energética disminuyen en gran medida. En consecuencia, se requieren áreas de membrana comparativamente grandes para satisfacer los requisitos de capacidad para soluciones de alimentación de baja concentración (y escasamente conductivas). Hay sistemas innovadores disponibles que superan las limitaciones inherentes de la electrodiálisis (y la ósmosis inversa); estos sistemas integrados funcionan sinérgicamente, con cada subsistema operando en su rango óptimo, lo que proporciona los menores costos operativos y de capital generales para una aplicación particular. [17]
Al igual que con la ósmosis inversa, los sistemas de electrodiálisis pueden requerir un pretratamiento de la alimentación para eliminar las especies que recubren, precipitan o "ensucian" de alguna otra manera la superficie de las membranas de intercambio iónico. Esta suciedad disminuye la eficiencia del sistema de electrodiálisis. Las especies que generan preocupación incluyen la dureza de calcio y magnesio , los sólidos suspendidos , la sílice y los compuestos orgánicos. El ablandamiento del agua se puede utilizar para eliminar la dureza, y la filtración micrométrica o multimedia se puede utilizar para eliminar los sólidos suspendidos. La dureza en particular es una preocupación ya que se pueden acumular incrustaciones en las membranas. Sin embargo, la electrodiálisis puede soportar concentraciones más altas de esas incrustaciones que la ósmosis inversa. Además, las membranas de electrodiálisis, como tienen forma rectangular, se pueden quitar de la pila y limpiar, mientras que las membranas de ósmosis inversa no se pueden limpiar de esa manera debido a su geometría en espiral. También hay varios productos químicos disponibles para ayudar a prevenir la formación de incrustaciones. Además, los sistemas de inversión de electrodiálisis buscan minimizar la formación de incrustaciones invirtiendo periódicamente los flujos de diluido y concentrado y la polaridad de los electrodos.
