इलेक्ट्रोडायलिसिस

वैद्युतअपोहन (ईडी) का उपयोग उपयोजित विद्युत संभावित अंतर के प्रभाव के अंतर्गत लवण आयनों को आयन विनिमय झिल्ली के माध्यम से एक समाधान (रसायन विज्ञान) से दूसरे समाधान में ले जाने के लिए किया जाता है। यह एक विन्यास में किया जाता है जिसे वैद्युतअपोहन सेल कहा जाता है। सेल में एक निवेशांक (तनु) कक्ष और एक सांद्रण (लवणीन) कक्ष होता है जो एक आयन-विनिमय झिल्ली और दो विद्युतद्वार के मध्य स्थित एक धनायन विनिमय झिल्ली द्वारा निर्मित होता है। सभी व्यावहारिक वैद्युतअपोहन प्रक्रियाओं में, कई वैद्युतअपोहन कोशिकाओं को एक विन्यास में व्यवस्थित किया जाता है जिसे वैद्युतअपोहन स्टैक कहा जाता है, जिसमें वैकल्पिक आयन और धनायन विनिमय झिल्ली के साथ कई वैद्युतअपोहन कोशिकाओं का निर्माण करते हैं। वैद्युतअपोहन प्रक्रियाएं आसवन तकनीकों और अन्य झिल्ली आधारित प्रक्रियाओं (जैसे विपरीत परासरण (आरओ)) से भिन्न होती 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, वैद्युतअपोहन कई अनुप्रयोगों में बहुत अधिक निवेशांक पुनर्प्राप्ति का व्यावहारिक लाभ प्रदान करता है।

विधि
वैद्युतअपोहन स्टैक में, तनु (डी) प्रभरण धारा, लवणजल 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 पलायन करती हैं और ऋणात्मक रूप से आवेशित धनायन विनिमय झिल्ली से पारित होते है। ये धनायन C धारा में भी रहते हैं, धनात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों-विनिमय झिल्ली द्वारा कैथोड की ओर आगे प्रवास को रोका 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। वैद्युतअपोहन प्रक्रिया का समग्र परिणाम तनु विलयन प्रभरण धारा में आयनों की कमी के साथ ध्यान केंद्रित धारा में आयन एकाग्रता 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 समाधान 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 समाधान 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:
 * $$\xi=\frac{zFQ_f (C_{inlet}^d - C_{outlet}^d)}{N I}$$

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 एकाग्रता का एक कार्य है।

वैद्युतअपोहन तनूकृत चैनलों से लवण आयनों को केंद्रित चैनलों तक ले जाने के द्वारा काम करता है, निवेशांक लवण की एकाग्रता 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 वैद्युतअपोहन की तुलना में उत्क्रम परासरण द्वारा अधिक ऊर्जा कुशल होती है। हालांकि, कम लवण सांद्रता वाली जल धाराओं के लिए वैद्युतअपोहन सबसे अधिक ऊर्जा कुशल 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 वैद्युतअपोहन 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 करता है।

अनुप्रयोग
आवेदन में, वैद्युतअपोहन 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 ध्यान केंद्रित गुणवत्ता प्राप्त होने तक तनु और/या सांद्रण धाराओं को वैद्युतअपोहन प्रणाली के माध्यम से प्रसारित किया जाता है।

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

वैद्युतअपोहन 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) रहा 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 वैद्युतअपोहन अधिक लागत प्रभावी है।
 * 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 समाधान, 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)

वैद्युतअपोहन 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 वैद्युतअपोहन स्टैक के सांद्रण 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 सकता 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।

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

चयनात्मक वैद्युतअपोहन
चयनात्मक वैद्युतअपोहन केवल कुछ आयनों को केंद्रित करने के लिए आयन चयनात्मक विनिमय झिल्ली का उपयोग करता है, जबकि अन्य प्रजातियां तनूकृत चैनल में रहती हैं। चयनात्मक वैद्युतअपोहन 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, SO4-2) पौधों के लिए लाभकारी पोषक तत्व होते हैं। इसलिए, एकार्थक चयनात्मक वैद्युतअपोहन कृषि के लिए एक आदर्श संरचना के साथ पानी प्रदान कर सकता है, जिससे खनिज निषेचन की आवश्यकता कम हो जाती है।

सीमाएं
वैद्युतअपोहन 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, वैद्युतअपोहन 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 जाता है और विद्युत धारा उपयोग दक्षता सामान्यतः कम हो जाती है क्योंकि निवेशांक लवण एकाग्रता कम हो जाती है, और विद्युत धारा ले जाने के लिए समाधान में कम आयनों के साथ, आयन परिवहन और ऊर्जा दक्षता दोनों में अत्यन्त गिरावट आती है। परिणामस्वरूप, कम सांद्रता (और कम प्रवाहकीय) निवेशांक समाधानों के लिए क्षमता आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए तुलनात्मक रूप से बड़े झिल्ली क्षेत्रों की आवश्यकता होती है। वैद्युतअपोहन (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, वैद्युतअपोहन 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 करते हैं, या अन्यथा "अशुद्ध" करते हैं। यह दूषण वैद्युतअपोहन 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, वैद्युतअपोहन उत्क्रम परासरण की तुलना में उन फाउलेंट्स की उच्च सांद्रता का समर्थन कर सकता है। इसके अलावा, वैद्युतअपोहन 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, वैद्युतअपोहन उत्क्रमण प्रणाली समय-समय पर विद्युतद्वार के तनु और ध्यान केंद्रित करने और ध्रुवीयता के प्रवाह को उत्क्रमण कर प्रवर्धन को कम करने का प्रयास करते हैं।

यह भी देखें

 * लवणता प्रवणता शक्ति
 * जल अलवणीकरण
 * वैद्युतअपोहन उत्क्रमण
 * विद्युत रासायनिक अभियांत्रिकी
 * विपरीत परासरण
 * प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली

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

Dialyse (Chemie)