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 hace en una configuración llamada celda de electrodiálisis. La celda consta de un compartimento de alimentación (diluido) y un compartimento de concentrado ( salmuera ) formados por una membrana de intercambio aniónico y una membrana de intercambio catiónico colocada 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 alternas que forman las múltiples celdas de electrodiálisis. Los procesos de electrodiálisis se diferencian de las técnicas de destilación y otros procesos basados en membranas (como la ósmosis inversa (RO)) 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, se permite que la corriente de alimentación diluida (D), la corriente de salmuera o concentrado (C) y la corriente de electrodo (E) fluyan a través de los compartimentos celulares apropiados formados por las membranas de intercambio iónico . Bajo la influencia de una diferencia de potencial eléctrico, los iones cargados negativamente (p. ej., cloruro ) de 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 impide una mayor migración hacia el ánodo y, por lo tanto, permanecen en la corriente de 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 de C, impidiendo una mayor migración hacia el cátodo por la membrana de intercambio aniónico cargada positivamente. [8] Como resultado de la migración de aniones y cationes, la corriente eléctrica fluye entre el cátodo y el ánodo. Sólo se transfiere un número 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 con un agotamiento de iones en la corriente de alimentación de solución diluida.
La corriente E es la corriente de electrodos que pasa por cada electrodo de la pila. Esta corriente puede consistir en 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/u oxidación de los iones de sal de la alimentación a las placas de los 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 transportar corriente a través de la pila y mantener soluciones de pila eléctricamente neutras.
Las reacciones tienen lugar en cada electrodo. En el cátodo, [3]
mientras que en el ánodo, [3]
Se generan pequeñas cantidades de hidrógeno gaseoso en el cátodo y pequeñas cantidades de oxígeno o cloro gaseoso (dependiendo de la composición de la corriente de E y de la disposición final de la membrana de intercambio iónico) en el ánodo. Por lo general, estos gases se disipan posteriormente a medida que el efluente de la corriente de E de cada compartimento de electrodo se combina para mantener un pH neutro y se descarga o recircula a un tanque de E separado. Sin embargo, algunos (por ejemplo) han propuesto la recolección de gas hidrógeno para su uso en la producción de energía .
La eficiencia actual 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. Por lo general, las eficiencias actuales >80% son deseables en chimeneas comerciales para minimizar los costos operativos de energía. Las bajas eficiencias de corriente indican que podría estar ocurriendo una división del agua en las corrientes de diluido o concentrado, corrientes en derivación entre los electrodos o retrodifusión de iones desde el concentrado al diluido.
La eficiencia actual se calcula según: [9]
dónde
La eficiencia actual es generalmente una función de la concentración de alimento. [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 por electrodiálisis. [ cita necesaria ] 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 pueden separarse mediante ósmosis inversa, pueden concentrarse mediante electrodiálisis hasta concentraciones cercanas a la saturación. Esto es muy útil para tratamientos de Descarga Líquida Cero , proporcionando una reducción del consumo energético respecto a la evaporación.
En su aplicación, los sistemas de electrodiálisis pueden funcionar como procesos de producción continua o por lotes . En un proceso continuo, la alimentación pasa a través de una cantidad suficiente de pilas colocadas en serie para producir la calidad final deseada del producto. En los procesos discontinuos, las corrientes de diluido y/o concentrado se recirculan a través de los sistemas de electrodiálisis hasta que se logra la calidad del producto o concentrado final.
La electrodiálisis se suele aplicar a la desionización de soluciones acuosas . Sin embargo, también es posible desalar soluciones acuosas orgánicas y orgánicas poco conductoras . Algunas aplicaciones de la electrodiálisis incluyen: [2] [4] [5]
Históricamente, la principal aplicación de la electrodiálisis ha sido 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 el total de sólidos disueltos (TDS) es de 3000 partes por millón (ppm) o más, mientras que la electrodiálisis es más costosa. eficaz para concentraciones de alimento TDS inferiores a 3000 ppm o cuando se requieren altas recuperaciones del alimento. [ cita necesaria ]
Otra aplicación importante de la electrodiálisis es la producción de agua pura y agua ultrapura mediante electrodosionización (EDI). En EDI, los compartimentos de purificación y, a veces, los compartimentos de concentración de la pila de electrodiálisis están llenos de resina de intercambio iónico . Cuando se alimenta con alimento bajo en TDS (por ejemplo, alimento purificado por RO), 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, permitiendo que sean transportados a través de las membranas de intercambio iónico. El uso principal de los sistemas EDI es en aplicaciones electrónicas, farmacéuticas, de generación de energía y de torres de enfriamiento.
La electrodiálisis puede adaptarse a entradas de energía intermitentes y variaciones de voltaje, por lo que puede acoplarse 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 generalmente se realiza 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 especialmente (Na + , Cl- ) perjudiciales 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 tanto, la electrodiálisis selectiva monovalente puede proporcionar agua con una composición ideal para la agricultura, reduciendo la necesidad de fertilización mineral. [dieciséis]
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 significativamente. Además, a diferencia de la OI, la electrodiálisis se vuelve menos económica cuando se requieren concentraciones de sal extremadamente bajas en el producto y con alimentaciones escasamente conductoras: 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 alimentación se vuelve más baja y con menos iones en solución para transportar corriente, tanto el transporte de iones como la eficiencia energética disminuyen considerablemente. En consecuencia, se requieren áreas de membrana comparativamente grandes para satisfacer los requisitos de capacidad para soluciones de alimentación de baja concentración (y moderadamente conductoras). Se encuentran disponibles sistemas innovadores que superan las limitaciones inherentes de la electrodiálisis (y la OI); Estos sistemas integrados funcionan sinérgicamente, con cada subsistema operando en su rango óptimo, proporcionando los menores costos operativos y de capital generales para una aplicación en particular. [17]
Al igual que con la OI, los sistemas de electrodiálisis pueden requerir un pretratamiento de alimentación para eliminar especies que recubren, precipitan o "ensucian" la superficie de las membranas de intercambio iónico. Esta contaminación disminuye la eficiencia del sistema de electrodiálisis. Las especies preocupantes incluyen la dureza del calcio y el magnesio , los sólidos suspendidos , la sílice y los compuestos orgánicos. Se puede utilizar el ablandamiento del agua para eliminar la dureza y la filtración micrométrica o multimedia para eliminar los sólidos en suspensión. 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 esos contaminantes que la ósmosis inversa. Además, las membranas de electrodiálisis, al tener forma rectangular, se pueden retirar de la pila y limpiar, mientras que las membranas de ósmosis inversa no se pueden limpiar de esta manera debido a su geometría en espiral. También se encuentran disponibles varios productos químicos para ayudar a prevenir la incrustación. Además, los sistemas de inversión de electrodiálisis buscan minimizar la incrustación invirtiendo periódicamente los flujos de diluido y concentrado y la polaridad de los electrodos.
