電気透析

電気透析( ED ) は、印加電位差の影響下で、塩イオンをある溶液からイオン交換膜を通して別の溶液へ輸送するために使用されます。これは 、電気透析セルと呼ばれる構成で行われます。セルは、 2 つの電極の間に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜によって形成された供給 (希釈) コンパートメントと濃縮 (塩水) コンパートメントで構成されます。ほとんどすべての実際の電気透析プロセスでは、複数の電気透析セルが電気透析スタックと呼ばれる構成に配置され、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜が交互に配置されて複数の電気透析セルが形成されます。電気透析プロセスは、溶解した種が供給ストリームから除去されるのに対し、他のプロセスでは水が残りの物質から除去されるという点で、蒸留技術やその他の膜ベースのプロセス (逆浸透 (RO) など) とは異なります。供給ストリーム内の溶解した種の量は流体の量よりはるかに少ないため、電気透析は多くの用途で供給回収率が大幅に高くなるという実用的な利点があります。^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]}

電気透析スタックでは、希釈（D）供給ストリーム、塩水または濃縮（C）ストリーム、および電極（E）ストリームが、イオン交換膜によって形成された適切なセルコンパートメントを通過できます。電位差の影響を受けて、希釈ストリーム内の負に帯電したイオン（例：塩化物）は、正に帯電した陽極に向かって移動します。これらのイオンは、正に帯電した陰イオン交換膜を通過しますが、負に帯電した陽イオン交換膜によって陽極へのそれ以上の移動が防止されるため、陰イオンが濃縮されたCストリームに留まります。Dストリーム内の正に帯電した種（例：ナトリウム）は、負に帯電した陰極に向かって移動し、負に帯電した陽イオン交換膜を通過します。これらの陽イオンもCストリームに留まり、正に帯電した陰イオン交換膜によって陰極へのそれ以上の移動が防止されます。^[8]陰イオンと陽イオンの移動の結果、陰極と陽極の間に電流が流れます。 D ストリームから C ストリームに転送される陰イオンと陽イオンの電荷当量は同数だけなので、各ストリームの電荷バランスは維持されます。電気透析プロセスの全体的な結果は、濃縮ストリームのイオン濃度が増加し、希薄溶液供給ストリームのイオンが減少することです。

E ストリームは、スタック内の各電極を通過する電極ストリームです。このストリームは、供給ストリームと同じ組成 (例:塩化ナトリウム) で構成される場合もあれば、異なる種 (例:硫酸ナトリウム)を含む別の溶液である場合もあります。^[5] E ストリームは通常、供給から電極プレートへの塩イオンの還元および/または酸化を防ぐために使用されます。スタックの構成に応じて、電極ストリームからのアニオンとカチオンが C ストリームに輸送される場合もあれば、D ストリームからのアニオンとカチオンが E ストリームに輸送される場合もあります。いずれの場合も、この輸送はスタック全体に電流を運び、電気的に中性のスタック溶液を維持するために必要です。

反応は各電極で起こる。陰極では、^[3]

2e ⁻ + 2 H ₂ O → H ₂ (g) + 2 OH ⁻

陽極では、^[3]

H ₂ O → 2 H ⁺ + ⁠1/2⁠ O ₂ (g) + 2e ⁻ または 2 Cl ⁻ → Cl ₂ (g) + 2e ⁻

少量の水素 ガスがカソードで生成され、少量の酸素または塩素ガス（E ストリームの組成とイオン交換膜の最終配置に応じて）がアノードで生成されます。これらのガスは通常、各電極コンパートメントからの E ストリーム流出物が中性pH を維持するために結合され、別の E タンクに排出または再循環されるときに消散します。ただし、エネルギー生産に使用するために水素ガスを収集することを提案している人もいます（例）。

電流効率は、与えられた電流に対してイオン交換膜を横切ってイオンがどれだけ効率的に輸送されるかの尺度です。通常、商業用スタックでは、エネルギー運用コストを最小限に抑えるために、80% を超える電流効率が望まれます。電流効率が低い場合は、希釈液または濃縮液ストリームでの水分解、電極間のシャント電流、または濃縮液から希釈液へのイオンの逆拡散が発生している可能性があります。

電流効率は次のように計算される: ^[9]

${\displaystyle \xi ={\frac {zFQ_{f}(C_{入口}^{d}-C_{出口}^{d})}{NI}}}$

どこ

${\displaystyle \xi}$= 電流利用効率

${\displaystyle z}$=イオンの電荷

${\displaystyle F}$=ファラデー定数、96,485 Amp -s/ mol

${\displaystyle Q_{f}}$= 希釈流量、L /s

${\displaystyle C_{inlet}^{d}}$= 希薄EDセル入口濃度、mol/L

${\displaystyle C_{outlet}^{d}}$= 希釈EDセル出口濃度、mol/L

${\displaystyle N}$= セルペアの数

${\displaystyle I}$= 電流、アンペア。

電流効率は一般的に供給濃度の関数である。^[10]

電気透析は、塩分イオンを希釈チャネルから濃縮チャネルに輸送することで機能するため、供給塩分濃度が増加するとエネルギー消費が大幅に増加します。海水淡水化では、通常、電気透析よりも逆浸透の方がエネルギー効率が高くなります。 ^[要出典]ただし、塩分濃度の低い水流の場合、電気透析が最もエネルギー効率の高いプロセスである可能性があります。さらに、逆浸透では分離できない非常に高い塩分濃度の水流は、電気透析によって飽和に近い濃度まで濃縮できます。これはゼロ液体排出処理に非常に役立ち、蒸発に比べてエネルギー消費を削減できます。

実際の用途では、電気透析システムは連続生産またはバッチ生産プロセスとして操作できます。連続プロセスでは、供給物は直列に配置された十分な数のスタックを通過し、最終的に望ましい製品品質が生産されます。バッチプロセスでは、希釈液および/または濃縮液ストリームは、最終製品または濃縮液の品質が達成されるまで、電気透析システムを通じて再循環されます。

電気透析は通常、水溶液の脱イオン化に使用されます。しかし、導電性の低い有機水溶液や有機溶液の脱塩も可能です。電気透析の用途には以下のものがあります。^{[2] [4] [5]}

• 大規模な汽水および海水の 淡水化と塩の生産。
• 小規模および中規模の飲料水生産（例：町や村、建設および軍事キャンプ、硝酸塩削減、ホテルおよび病院）
• 水の再利用（例：淡水化 塩水処理、産業用洗濯廃水、石油/ガス生産からの生産水、冷却塔の補給水とブローダウン、金属産業の流体、洗浄ラックの水）
• 前脱塩（例：ボイラーの補給と前処理、超純水の前処理、プロセス水の淡水化、発電、半導体、化学製造、食品および飲料）
• 食品加工
• 農業用水（例：温室、水耕栽培、灌漑、家畜用の水）
• グリコール脱塩（例：不凍液/エンジン冷却液、コンデンサー 電解液、石油・ガス脱水、調整・処理液、工業用熱伝達液、暖房、換気、空調（HVAC）からの二次冷却液）
• グリセリンの精製^{[疑わしい–議論]}
• 塩からの酸と塩基の再生^[11]
• 廃水からの有用な溶解物質の回収^[12]
• ゼロ液体排出（ZLD）^[13]

電気透析の主な用途は、歴史的には飲料水製造用のROの代替として汽水または海水の淡水化、および塩製造用の海水濃縮（主に日本）でした。^[4]高い回収率を必要としない通常の飲料水製造では、総溶解固形物（TDS）が3,000 ppm以上の場合は逆浸透の方が費用対効果が高いと一般的に考えられていますが、TDS供給濃度が3,000 ppm未満の場合、または供給物の高い回収率が必要な場合は電気透析の方が費用対効果が高いと考えられています。^[要出典]

電気透析のもう一つの重要な用途は、電気脱イオン化(EDI)による純水と超純水の製造です。EDI では、電気透析スタックの精製室、場合によっては濃縮室にイオン交換樹脂が充填されます。低 TDS 供給物 (例: RO で精製された供給物) が供給されると、製品は非常に高い純度レベル (例: 18 M Ω -cm)に達することがあります。イオン交換樹脂はイオンを保持する働きをし、イオンがイオン交換膜を通過して移動できるようにします。EDI システムの主な用途は、電子機器、製薬、発電、冷却塔の用途です。

電気透析は断続的なエネルギー入力や電圧変動に適応できるため、再生可能電源と簡単に組み合わせることができます^[14]

選択的電気透析では、イオン選択交換膜を使用して一部のイオンのみを濃縮し、他の種は希釈されたチャネルに残ります。選択的電気透析は通常、一価陰イオン交換膜および/または陽イオン交換膜を使用して行われ、それぞれ一価陰イオンまたは陽イオンの移動のみを許可します。これは、一価イオンのみを分離する必要がある場合に役立ち、電力消費と脱塩時間を削減します。^[15]たとえば、これは灌漑用水に便利です。一価陽イオンは通常、特に（Na ⁺、Cl ^-）作物に有害ですが、ほとんどの二価イオン（Ca ⁺²、Mg ⁺²、SO ^4- ₂）は植物に有益な栄養素です。したがって、一価選択電気透析は、農業に理想的な組成の水を提供し、ミネラル肥料の必要性を減らすことができます。^[16]

電気透析には固有の限界があり、供給流から低分子量のイオン成分を除去するのに最も効果的です。非荷電、高分子量、移動性の低いイオン種は通常、大幅に除去されません。また、ROとは対照的に、製品中の塩濃度が非常に低く、導電性の低い供給物の場合、電気透析は経済的ではありません。供給塩濃度が低くなると、電流密度が制限され、電流利用効率は通常低下し、電流を運ぶ溶液中のイオンが少なくなると、イオン輸送とエネルギー効率の両方が大幅に低下します。その結果、低濃度（および導電性の低い）供給溶液の容量要件を満たすには、比較的大きな膜面積が必要になります。電気透析（およびRO）の固有の限界を克服する革新的なシステムが利用可能であり、これらの統合システムは相乗的に機能し、各サブシステムが最適な範囲で動作し、特定のアプリケーションで全体的な運用コストと資本コストを最小限に抑えます。^[17]

RO と同様に、電気透析システムでは、イオン交換膜の表面をコーティング、沈殿、またはその他の方法で「汚れ」させる物質を除去するために、供給前処理が必要になる場合があります。この汚れは、電気透析システムの効率を低下させます。問題となる物質には、カルシウムおよびマグネシウム 硬度、浮遊物質、シリカ、および有機化合物が含まれます。 軟水化は硬度の除去に使用でき、マイクロメートルまたは多媒体ろ過は浮遊物質の除去に使用できます。特に硬度は、膜にスケールが蓄積する可能性があるため、問題となります。ただし、電気透析は、逆浸透よりも高濃度のこれらの汚れに対応できます。さらに、電気透析膜は長方形であるため、スタックから取り外して洗浄できますが、逆浸透膜はらせん形状のため、その方法で洗浄できません。さまざまな化学薬品も、スケールの防止に役立ちます。また、電気透析逆転システムは、希釈液と濃縮液の流れと電極の 極性を定期的に逆転させることで、スケールを最小限に抑えようとします。

• 塩分勾配パワー
• 水の淡水化
• 電気透析の逆転
• 電気化学工学
• 逆浸透
• プロトン交換膜

• イナムディン (2017-06-01)。廃水処理における吸着およびイオン交換クロマトグラフィーの応用。Materials Research Forum LLC。ISBN 9781945291333。

• AA Zagorodni、イオン交換材料：特性と応用、Elsevier、アムステルダム、（2006）第17章 - 電気透析の簡単な紹介とさまざまな電気膜プロセスの説明