Eletrodiálise (ED) é usado para transportar íons de sal de uma solução através de membranas de troca iônica a outra solução sob a influência de uma diferença de potencial elétrico aplicada. Isso é realizado em uma configuração denominada célula de eletrodiálise. A célula consiste em um compartimento de alimentação (diluído) e um compartimento de concentrado (salmoura), formados por uma membrana de troca aniônica e uma membrana de troca catiônica posicionadas entre dois eletrodos. Na quase totalidade dos processos práticos de eletrodiálise, múltiplas células são organizadas em uma configuração chamada de “pilha” de eletrodiálise, na qual membranas de troca aniônica e catiônica alternadas formam as diversas células. Os processos de eletrodiálise diferem das técnicas de destilação e de outros processos baseados em membranas (como a osmose reversa (OR)) pelo fato de que as espécies dissolvidas são removidas da corrente de alimentação, ao passo que, nos outros processos, a água é separada das substâncias remanescentes. Visto que a quantidade de espécies dissolvidas na corrente de alimentação é muito inferior à do fluido, a eletrodiálise oferece a vantagem prática de proporcionar uma recuperação de alimentação muito mais elevada em diversas aplicações.Davis, T.A., "Electrodialysis", in Handbook of Industrial Membrane Technology, M.C. Porter, ed., Noyes Publications, New Jersey (1990)Strathmann, H., "Electrodialysis", in Membrane Handbook, W.S.W. Ho and K.K. Sirkar, eds., Van Nostrand Reinhold, New York (1992)Mulder, M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer, Dordrecht (1996)Sata, T., Ion Exchange Membranes: Preparation, Characterization, Modification and Application, Royal Society of Chemistry, London (2004)Strathmann, H., Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, New York (2004)
Método Em uma pilha de eletrodiálise, o fluxo de alimentação diluído (D), o fluxo de salmoura ou concentrado (C) e o fluxo do eletrodo (E) circulam pelos compartimentos da célula formados pelas membranas de troca iônica. Sob a influência de uma diferença de potencial elétrico, os íons carregados negativamente (por exemplo, cloreto) presentes no fluxo diluído migram em direção ao ânodo, que possui carga positiva. Esses íons atravessam a membrana de troca aniônica (carregada positivamente), mas são impedidos de continuar a migração em direção ao ânodo pela membrana de troca catiônica (carregada negativamente), permanecendo, assim, no fluxo C, que se concentra em ânions. As espécies carregadas positivamente (por exemplo, sódio) no fluxo D migram em direção ao cátodo, que possui carga negativa, e atravessam a membrana de troca catiônica (carregada negativamente). Esses cátions também permanecem no fluxo C, impedidos de prosseguir em direção ao cátodo pela membrana de troca aniônica carregada positivamente.AWWA, Electrodialysis and Electrodialysis Reversal, American Water Works Association, Denver (1995) Como resultado da migração de ânions e cátions, uma corrente elétrica flui entre o cátodo e o ânodo. Apenas um número equivalente de cargas aniônicas e catiônicas é transferido do fluxo D para o fluxo C, mantendo-se, assim, o equilíbrio de carga em cada fluxo. O resultado geral do processo de eletrodiálise é o aumento da concentração de íons no fluxo de concentrado, acompanhado pela redução da concentração de íons no fluxo de alimentação diluído.
A corrente E é a corrente de eletrodo que flui passando por cada eletrodo na pilha. Essa corrente pode ter a mesma composição da corrente de alimentação (por exemplo, cloreto de sódio) ou ser uma solução distinta contendo uma espécie diferente (por exemplo, sulfato de sódio).Strathmann, H., Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, New York (2004) A corrente E é geralmente utilizada para evitar a redução e/ou oxidação de íons de sal provenientes da alimentação nas placas dos eletrodos. Dependendo da configuração da pilha, ânions e cátions da corrente de eletrodo podem ser transportados para a corrente C, ou ânions e cátions da corrente D podem ser transportados para a corrente E. Em ambos os casos, esse transporte é necessário para conduzir a corrente elétrica através da pilha e manter a neutralidade elétrica das soluções nela contidas.
Reações anódicas e catódicas Reações ocorrem em cada eletrodo. No cátodo,Mulder, M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer, Dordrecht (1996)
2e− + 2 H2O → H2 (g) + 2 OH−
enquanto no ânodo,
H2O → 2 H+ + O2 (g) + 2e− ou 2 Cl− → Cl2 (g) + 2e−
Pequenas quantidades de gás hidrogênio são geradas no cátodo e pequenas quantidades de gás oxigênio ou cloro (dependendo da composição da corrente E e da configuração final da membrana de troca iônica) são geradas no ânodo. Esses gases são, tipicamente, dissipados posteriormente quando o efluente da corrente E de cada compartimento de eletrodo é combinado para manter um pH neutro e descartado ou recirculado para um tanque E separado. No entanto, alguns especialistas (e.g.,) propuseram a coleta do gás hidrogênio para uso na produção de energia.
Eficiência A eficiência de corrente é uma medida da eficácia com que os íons são transportados através das membranas de troca iônica para uma determinada corrente aplicada. Normalmente, eficiências de corrente >80% são desejáveis em pilhas comerciais para minimizar os custos operacionais de energia. Baixas eficiências de corrente indicam separação da água nas correntes de diluído ou concentrado, correntes shunt entre os eletrodos, ou pode estar ocorrendo a retrodifusão de íons do concentrado para o diluato.
A eficiência de corrente é calculada de acordo com:Shaffer, L., and Mintz, M., "Electrodialysis" in Principles of Desalination, Spiegler, K., and Laird, A., eds., 2nd Ed., Academic Press, New York (1980)
onde
= eficiência de utilização de corrente
= carga do íon
= Constante de Faraday, 96,485 Amp-s/mol
= vazão de diluição, L/s
= concentração de entrada da célula de ED diluída, mol/L
= concentração de saída da célula de ED diluída, mol/L
= número de pares de células
= corrente, Amps.
A eficiência de corrente é, em geral, uma função da concentração da alimentação.Current Utilization Efficiency
Como a eletrodiálise funciona transportando íons de sais dos canais diluídos para os canais concentrados, o consumo de energia aumenta significativamente à medida que a concentração de sais na alimentação aumenta. A dessalinização de água do mar geralmente é mais eficiente em termos de energia por osmose reversa que eletrodiálise.P.A. Sosa-Fernandez, J.W. Post, H. Bruning, F.A.M. Leermakers, H.H.M. Rijnaarts, Electrodialysis-based desalination and reuse of sea and brackish polymer-flooding produced water, Desalination, Volume 447, 2018, Pages 120-132, ISSN 0011-9164, DOI 10.1016/j.desal.2018.09.012Gurreri L, Tamburini A, Cipollina A, Micale G. Electrodialysis Applications in Wastewater Treatment for Environmental Protection and Resources Recovery: A Systematic Review on Progress and Perspectives. Membranes (Basel). 2020 Jul 9;10(7):146. doi: 10.3390/membranes10070146. PMID: 32660014; PMCID: PMC7408617. No entanto, para fluxos de água com menor concentração de sais, a eletrodiálise pode ser o processo mais eficiente em termos energéticos. Além disso, fluxos de água com concentrações de sais muito elevadas, que não podem ser processados por osmose reversa, podem ser concentrados por eletrodiálise até níveis próximos à saturação. Isso é muito útil para tratamentos de Descarga Líquida Zero, proporcionando uma redução no consumo de energia em comparação com a evaporação.
Categoria:Processos químicos Categoria:Processos de separação Categoria:Tratamento de águas
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