इलेक्ट्रोडायलिसिस

इलेक्ट्रोडायलिसिस (ईडी) का उपयोग आयन एक्सचेंज झिल्ली के माध्यम से एक समाधान (रसायन विज्ञान) से नमक आयनों को एक लागू विद्युत संभावित अंतर के प्रभाव में दूसरे समाधान में ले जाने के लिए किया जाता है। यह एक विन्यास में किया जाता है जिसे इलेक्ट्रोडायलिसिस सेल कहा जाता है। सेल में एक फ़ीड (पतला) कम्पार्टमेंट और एक आयन आयन-विनिमय झिल्ली द्वारा गठित एक कॉन्संट्रेट (नमकीन) कम्पार्टमेंट होता है और दो इलेक्ट्रोड के बीच एक कटियन एक्सचेंज मेम्ब्रेन होता है। लगभग सभी व्यावहारिक इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रक्रियाओं में, कई इलेक्ट्रोडायलिसिस कोशिकाओं को एक कॉन्फ़िगरेशन में व्यवस्थित किया जाता है जिसे इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक कहा जाता है, जिसमें वैकल्पिक आयनों और कटियन-विनिमय झिल्ली के साथ कई इलेक्ट्रोडायलिसिस कोशिकाएं बनती हैं। इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रक्रियाएं आसवन तकनीकों और अन्य झिल्ली आधारित प्रक्रियाओं (जैसे विपरीत परासरण (आरओ)) से भिन्न होती हैं, जिसमें विघटित प्रजातियों को फ़ीड स्ट्रीम से दूर ले जाया जाता है, जबकि अन्य प्रक्रियाएं पानी को शेष पदार्थों से दूर ले जाती हैं। क्योंकि फ़ीड धारा में घुलित प्रजातियों की मात्रा द्रव की तुलना में बहुत कम है, इलेक्ट्रोडायलिसिस कई अनुप्रयोगों में बहुत अधिक फ़ीड रिकवरी का व्यावहारिक लाभ प्रदान करता है।

विधि
एक इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक में, तनु (डी) फीड स्ट्रीम, ब्राइन या कॉन्संट्रेट (सी) स्ट्रीम, और इलेक्ट्रोड (ई) स्ट्रीम को आयन-एक्सचेंज झिल्ली द्वारा गठित उपयुक्त सेल डिब्बों के माध्यम से प्रवाहित करने की अनुमति है। एक विद्युत संभावित अंतर के प्रभाव में, तनु प्रवाह में नकारात्मक रूप से आवेशित आयन (जैसे, क्लोराइड) धनात्मक रूप से आवेशित एनोड की ओर पलायन करते हैं। ये आयन धनात्मक रूप से आवेशित ऋणायन-विनिमय झिल्ली से होकर गुजरते हैं, लेकिन ऋणात्मक रूप से आवेशित धनायन-विनिमय झिल्ली द्वारा एनोड की ओर आगे बढ़ने से रोका जाता है और इसलिए सी धारा में रहता है, जो आयनों के साथ केंद्रित हो जाता है। डी धारा में सकारात्मक रूप से आवेशित प्रजातियां (जैसे, सोडियम) नकारात्मक रूप से आवेशित कैथोड की ओर पलायन करती हैं और ऋणात्मक रूप से आवेशित कटियन-विनिमय झिल्ली से गुजरती हैं। ये धनायन C धारा में भी रहते हैं, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों-विनिमय झिल्ली द्वारा कैथोड की ओर आगे बढ़ने से रोका जाता है। ऋणायन और धनायन प्रवासन के परिणामस्वरूप, कैथोड और एनोड के बीच विद्युत धारा प्रवाहित होती है। केवल समान संख्या में आयनों और कटियन चार्ज समकक्षों को डी स्ट्रीम से सी स्ट्रीम में स्थानांतरित किया जाता है और इसलिए प्रत्येक स्ट्रीम में चार्ज बैलेंस बनाए रखा जाता है। इलेक्ट्रोडायलिसिस प्रक्रिया का समग्र परिणाम पतला समाधान फ़ीड स्ट्रीम में आयनों की कमी के साथ ध्यान केंद्रित धारा में आयन एकाग्रता में वृद्धि है।

ई स्ट्रीम इलेक्ट्रोड स्ट्रीम है जो स्टैक में प्रत्येक इलेक्ट्रोड से बहती है। इस स्ट्रीम में फ़ीड स्ट्रीम (जैसे, सोडियम क्लोराइड) के समान संरचना हो सकती है या एक अलग प्रजाति (जैसे, सोडियम सल्फेट) युक्त एक अलग समाधान हो सकता है। ई धारा का उपयोग आमतौर पर फ़ीड से इलेक्ट्रोड प्लेटों में नमक आयनों की कमी और/या ऑक्सीकरण को रोकने के लिए किया जाता है। स्टैक कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर, इलेक्ट्रोड स्ट्रीम से आयनों और उद्धरणों को सी स्ट्रीम में ले जाया जा सकता है, या डी स्ट्रीम से आयनों और उद्धरणों को ई स्ट्रीम में ले जाया जा सकता है। प्रत्येक मामले में, यह परिवहन स्टैक के पार करंट ले जाने और विद्युत रूप से तटस्थ स्टैक समाधान बनाए रखने के लिए आवश्यक है।

एनोड और कैथोड प्रतिक्रियाएँ
प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर रासायनिक अभिक्रियाएँ होती हैं। कैथोड पर,


 * ए- + 2 एच2ओ → एच2 (जी) + 2 ओएच -

जबकि एनोड पर,


 * एच2ओ → 2 एच+ + ½ ओ2 (जी) + 2 ई- या 2 सीएल − → सीएल2 (जी) + 2 ई -

कैथोड पर हाइड्रोजन गैस की थोड़ी मात्रा और एनोड पर ऑक्सीजन या क्लोरीन गैस की थोड़ी मात्रा (ई धारा की संरचना और अंत आयन-विनिमय झिल्ली व्यवस्था के आधार पर) उत्पन्न होती है। इन गैसों को आम तौर पर बाद में नष्ट कर दिया जाता है क्योंकि प्रत्येक इलेक्ट्रोड डिब्बे से ई स्ट्रीम के प्रवाह को एक तटस्थ पीएच बनाए रखने के लिए जोड़ा जाता है और एक अलग ई टैंक में डिस्चार्ज या फिर से परिचालित किया जाता है। हालांकि, कुछ (जैसे,) ने ऊर्जा में उपयोग के लिए हाइड्रोजन गैस का संग्रह प्रस्तावित किया है उत्पादन।

दक्षता
वर्तमान दक्षता इस बात का माप है कि किसी दिए गए लागू वर्तमान के लिए आयन-विनिमय झिल्लियों में कितने प्रभावी आयनों का परिवहन किया जाता है। ऊर्जा परिचालन लागत को कम करने के लिए आम तौर पर वाणिज्यिक स्टैक में वर्तमान दक्षता >80% वांछनीय है। कम वर्तमान क्षमताएँ तनु या संकेंद्रित धाराओं में पानी के विभाजन का संकेत देती हैं, इलेक्ट्रोड के बीच शंट (विद्युत) धाराएँ, या ध्यान केंद्रित से तनुकरण तक आयनों का प्रसार हो सकता है।

वर्तमान दक्षता की गणना इसके अनुसार की जाती है:
 * $$\xi=\frac{zFQ_f (C_{inlet}^d - C_{outlet}^d)}{N I}$$

कहाँ


 * $$\xi$$ = वर्तमान उपयोगिता दक्षता


 * $$z$$ = आयन का आयन


 * $$F$$ = फैराडे स्थिरांक, 96,485 एम्पेयर -एस/मोल (इकाई)


 * $$Q_f$$ = पतला प्रवाह दर, लीटर/एस


 * $$C_{inlet}^d$$ = तनु ED सेल इनलेट सांद्रता, mol/L


 * $$C_{outlet}^d$$ = तनु ED सेल आउटलेट सांद्रता, mol/L


 * $$N$$ = सेल जोड़े की संख्या


 * $$I$$ = करंट, एम्प्स।

वर्तमान दक्षता आम तौर पर फ़ीड एकाग्रता का एक कार्य है। जैसा कि इलेक्ट्रोडायलिसिस नमक आयनों को पतला चैनलों से केंद्रित चैनलों तक ले जाने के द्वारा काम करता है, फ़ीड नमक की एकाग्रता में वृद्धि के रूप में ऊर्जा की खपत बहुत बढ़ जाती है। समुद्री जल के अलवणीकरण की तुलना में समुद्री जल नमक की सघनता आमतौर पर इलेक्ट्रोडायलिसिस की तुलना में रिवर्स ऑस्मोसिस द्वारा अधिक ऊर्जा कुशल होती है। हालांकि, कम नमक सांद्रता वाली जल धाराओं के लिए इलेक्ट्रोडायलिसिस सबसे अधिक ऊर्जा कुशल प्रक्रिया हो सकती है। इसके अतिरिक्त, बहुत अधिक नमक सांद्रता वाले जल प्रवाह, जिन्हें रिवर्स ऑस्मोसिस द्वारा अलग नहीं किया जा सकता है, को संतृप्ति के निकट सांद्रता तक इलेक्ट्रोडायलिसिस द्वारा केंद्रित किया जा सकता है। यह शून्य तरल निर्वहन  उपचार के लिए बहुत उपयोगी है, जिससे वाष्पीकरण की तुलना में ऊर्जा की खपत में कमी आती है।

अनुप्रयोग
आवेदन में, इलेक्ट्रोडायलिसिस सिस्टम को निरंतर उत्पादन या बैच उत्पादन प्रक्रियाओं के रूप में संचालित किया जा सकता है। एक सतत प्रक्रिया में, अंतिम वांछित उत्पाद की गुणवत्ता का उत्पादन करने के लिए श्रृंखला में पर्याप्त संख्या में ढेर के माध्यम से फ़ीड को पारित किया जाता है। बैच प्रक्रियाओं में, अंतिम उत्पाद या ध्यान केंद्रित गुणवत्ता प्राप्त होने तक इलेक्ट्रोडायलिसिस सिस्टम के माध्यम से पतला और / या केंद्रित धाराएं फिर से परिचालित होती हैं।

इलेक्ट्रोडायलिसिस आमतौर पर जलीय समाधानों के विआयनीकरण के लिए लागू होता है। हालांकि, विरल रूप से प्रवाहकीय जलीय कार्बनिक यौगिक और कार्बनिक समाधानों का विलवणीकरण भी संभव है। इलेक्ट्रोडायलिसिस के कुछ अनुप्रयोगों में शामिल हैं:

इलेक्ट्रोडायलिसिस 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 नमक उत्पादन के लिए समुद्री जल की सघनता (मुख्य रूप से जापान में) रहा है। उच्च रिकवरी की आवश्यकता के बिना सामान्य पीने योग्य पानी के उत्पादन में, रिवर्स ऑस्मोसिस को आम तौर पर अधिक लागत प्रभावी माना जाता है जब कुल घुलित ठोस (टीडीएस) 3,000 भाग प्रति मिलियन (पीपीएम) या अधिक होता है, जबकि टीडीएस के लिए इलेक्ट्रोडायलिसिस अधिक लागत प्रभावी होता है। फ़ीड सांद्रता 3,000 पीपीएम से कम या जब फ़ीड की उच्च वसूली की आवश्यकता होती है।
 * बड़े पैमाने पर खारा और समुद्री जल जल विलवणीकरण और नमक 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 (उदाहरण के लिए, अलवणीकरण नमकीन उपचार, औद्योगिक कपड़े धोने का अपशिष्ट जल, तेल/गैस उत्पादन से उत्पादित पानी, शीतलन टॉवर मेकअप और ब्लोडाउन, धातु उद्योग तरल पदार्थ, वॉश-रैक पानी)
 * पूर्व-खनिजीकरण (उदाहरण के लिए, बायलर  मेकअप और प्रीट्रीटमेंट, अल्ट्राप्योर वाटर प्रीट्रीटमेंट, प्रोसेस  जल अलवणीकरण, बिजली उत्पादन,  अर्धचालक , रासायनिक निर्माण, भोजन और पेय)
 * खाद्य प्रसंस्करण
 * कृषि जल (उदाहरण के लिए, ग्रीनहाउस, हीड्रोपोनिक्स, सिंचाई, पशुधन के लिए पानी)
 * ग्लाइकोल डिसाल्टिंग (जैसे, एंटीफ्ऱीज़र / इंजन-कूलेंट, संधारित्र  इलेक्ट्रोलाइट तरल पदार्थ, तेल और गैस निर्जलीकरण, कंडीशनिंग और प्रसंस्करण समाधान, औद्योगिक शीतलक, हीटिंग, वेंटिंग और एयर कंडीशनिंग (HVAC) से द्वितीयक शीतलक)
 * ग्लिसरीन शुद्धि
 * लवण से अम्ल और क्षार पुनर्जनन
 * अपशिष्ट जल से बहुमूल्य घुले हुए पदार्थों की पुनःप्राप्ति
 * जीरो लिक्विड डिस्चार्ज (ZLD)

इलेक्ट्रोडायलिसिस के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण अनुप्रयोग विद्युतीकरण (ईडीआई) द्वारा शुद्ध पानी और अल्ट्राप्योर पानी का उत्पादन है। ईडीआई में, शुद्ध करने वाले डिब्बे और कभी-कभी इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक के ध्यान केंद्रित करने वाले डिब्बे आयन-एक्सचेंज राल से भरे होते हैं। जब कम टीडीएस फ़ीड (जैसे, आरओ द्वारा शुद्ध फ़ीड) के साथ खिलाया जाता है, तो उत्पाद बहुत उच्च शुद्धता स्तर (जैसे, 18 मोहम|Ω-सेमी) 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 सिस्टम का मुख्य उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स, फार्मास्युटिकल, बिजली उत्पादन और कूलिंग टॉवर अनुप्रयोगों में होता है।

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

चयनात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस
चयनात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस केवल कुछ आयनों को केंद्रित करने के लिए आयन चयनात्मक विनिमय झिल्ली का उपयोग करता है, जबकि अन्य प्रजातियां पतला चैनल में रहती हैं। चयनात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस आमतौर पर मोनोवैलेंट एनियन और/या कटियन एक्सचेंज मेम्ब्रेन को नियोजित करके किया जाता है, जो क्रमशः मोनोवैलेंट एनियन या केशन के प्रवास की अनुमति देता है। यह तब उपयोगी होता है जब बिजली की खपत और अलवणीकरण समय को कम करने के लिए केवल मोनोवालेंट आयनों को अलग करने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, यह सिंचाई के पानी के लिए उपयोगी है। मोनोवालेंट केशन आमतौर पर विशेष रूप से होते हैं (Na+, सीएल-) फसलों के लिए हानिकारक है, जबकि अधिकांश द्विसंयोजी आयन (Ca+2, एमजी+2, एसओ4-2) पौधों के लिए लाभकारी पोषक तत्व हैं। इसलिए, मोनोवैलेंट चयनात्मक इलेक्ट्रोडायलिसिस कृषि के लिए एक आदर्श संरचना के साथ पानी प्रदान कर सकता है, जिससे खनिजों के निषेचन की आवश्यकता कम हो जाती है।

सीमाएं
इलेक्ट्रोडायलिसिस की अंतर्निहित सीमाएं हैं, जो फीड स्ट्रीम से कम आणविक भार आयनिक घटकों को हटाने में सबसे अच्छा काम करता है। गैर-चार्ज, उच्च आणविक भार और कम मोबाइल आयनिक प्रजातियों को आमतौर पर महत्वपूर्ण रूप से हटाया नहीं जाएगा। इसके अलावा, आरओ के विपरीत, इलेक्ट्रोडायलिसिस कम किफायती हो जाता है जब उत्पाद में बेहद कम नमक सांद्रता की आवश्यकता होती है और कम प्रवाहकीय फ़ीड के साथ: वर्तमान घनत्व सीमित हो जाता है और वर्तमान उपयोग दक्षता आमतौर पर कम हो जाती है क्योंकि फ़ीड नमक एकाग्रता कम हो जाती है, और कम आयनों के साथ वर्तमान ले जाने के लिए समाधान, आयन परिवहन और ऊर्जा दक्षता दोनों में बहुत गिरावट आती है। नतीजतन, अपेक्षाकृत बड़े झिल्ली क्षेत्रों को कम सांद्रता (और कम प्रवाहकीय) फ़ीड समाधानों के लिए क्षमता आवश्यकताओं को पूरा करने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोडायलिसिस (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, एक विशेष अनुप्रयोग के लिए कम से कम समग्र परिचालन और पूंजीगत लागत प्रदान करती है। आरओ के साथ, इलेक्ट्रोडायलिसिस सिस्टम को आयन-एक्सचेंज झिल्ली की सतह को कोट करने, अवक्षेपित करने, या अन्यथा खराब करने वाली प्रजातियों को हटाने के लिए फीड प्रीट्रीटमेंट की आवश्यकता हो सकती है। यह दूषण इलेक्ट्रोडायलिसिस सिस्टम की दक्षता को कम करता है। चिंता की प्रजातियों में कैल्शियम और मैगनीशियम  कठोर पानी, निलंबित ठोस, सिलिकेट और कार्बनिक यौगिक शामिल 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 मल्टीमीडिया निस्पंदन का उपयोग किया जा सकता है। कठोरता विशेष रूप से एक चिंता का विषय है क्योंकि स्केलिंग झिल्लियों पर बन सकती है। हालांकि, रिवर्स ऑस्मोसिस की तुलना में इलेक्ट्रोडायलिसिस उन फाउलेंट्स की उच्च सांद्रता का समर्थन कर सकता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोडायलिसिस झिल्ली, क्योंकि उनके पास आयताकार आकार होता है, उन्हें ढेर से हटाया जा सकता है और साफ किया जा सकता है, जबकि रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली को उनके सर्पिल ज्यामिति के कारण साफ नहीं किया जा सकता है। स्केलिंग को रोकने में मदद के लिए विभिन्न रसायन भी उपलब्ध हैं। इसके अलावा,  इलेक्ट्रोडायलिसिस उलटा  सिस्टम समय-समय पर पतला और ध्यान केंद्रित करने और इलेक्ट्रोड के इलेक्ट्रिक ध्रुवीयता के प्रवाह को उलट कर स्केलिंग को कम करना चाहते हैं।

यह भी देखें

 * लवणता ढाल शक्ति
 * जल अलवणीकरण
 * इलेक्ट्रोडायलिसिस उलटा
 * इलेक्ट्रोकेमिकल इंजीनियरिंग
 * विपरीत परासरण
 * प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली

बाहरी संबंध

 * A. A. Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, (2006) Chapter 17 - a simple introduction to electrodialysis and description of different electromembrane processes

Dialyse (Chemie)