اخبار صنایع آب، پساب و محیط زیست

معرفی و بررسی کاربردهای فناوری نانو در سیستم های یون زدایی خازنی (CDI)

فناوری نانو یکی از دست یافت‌های ارزشمند بشری است که ارائه راه‌حل‌های متنوع و نوآورانه را تقریبا برای تمامی معضلات زندگی بشر تحقیق می‌کند. نانوفناوری قابلیت مشاهده و دست‌کاری در مقیاس اتمی و مولکولی مواد است. بر این اساس می توان خصوصیات مطلوب یک ماده را چندیدن برابر نمود و خصوصیات غیرمطلوب را حذف کرد. همچنین بسیاری از ترکیباتی که با نانوفناوری ارائه می‌شوند، خصوصیات بسیار مطلوبی را نمایان می سازند که به نوبه ی خود منحصر بفرد است.

 

  • نمک زدایی آب های نیمه شور

رشد فناوری نمک‌زدایی و کاربرد‌های آن بیش از 50 سال است که مدام توسعه پیدا می‌کند. از سال 1953 به طور تقریبی 225 منطقه مربوط به تاسیسات نمک‌زدایی در کل جهان با ظرفیتی بالغ بر 27 میلیون گالن در روز راه اندازی شد. در حالیکه در حال حاضر در کل جهان ظرفیت تاسیسات نمک‌زدایی به 8560 میلیون گالن در روز بهبود یافته است [1]. هرچند منابع آب دریا بالاترین ظرفیت برای نمک‌زدایی را دارد اما استفاده از تاسیسات نصب شده برای نمک زدایی، بیشتر شامل آب‌های شور و نیمه شور بوده است ( شکل 1 ).

 

شکل 1 :   تصویر سمت چپ ، ظرفیت منابع آب جهت نمک زدایی و شیرین سازی را نشان می‌دهد و تصویر سمت راست، نشان دهنده آن است که بیشتر تاسیسات نمک زدایی موجود، بر روی آب های شور و نیمه شور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

  • سیستم یون زدایی خازنی

سیستم‌های یون زدای خازنی[1] جهت تصفیه آب در دهه 1960 میلادی مورد توجه واقع شد. کلیات عملکرد این سیستم ها بر مبنای جذب کاتیون‌ها و آنیون‌ها بر روی سطح الکترود می‌باشد. به دلیل اشباع شدگی سریع و همچنین ظرفیت کم سیستم‌های یون زدایی، این فناوری تا یک دهه پیش توسعه سریعی نداشته است. یون زداهای خازنی بیشتر جهت نمک‌ زدایی آب‌های شور و نیمه شور مورد توجه می‌باشد. با این حال در جهت رفع آلاینده‌های یونی مانند فلزات سنگین ، نیترات ، آمونیم و … نیز استفاده می‌شود (شکل 2 ). این سیستم ها به ولتاژهای بالا نیاز ندارند و مصرف انرژی در آنها کم می‌باشد  .

شکل 2 : سیستم یون زدای خازنی

 

  • مقایسه سیستم یون زدایی خازنی با سیستم الکترودیالیز[2]

سیستم‌های یون زدایی خازنی و الکترودیالیز، هر دو از یک اساس کلی پیروی می‌کنند که مبنای آن کاهش مقدار شوری آب از طریق ایجاد میدان الکتریکی و مهاجرت الکتریکی یون‌ها می‌باشد. اما این دو سیستم از لحاظ ساختاری و چگونگی کاهش شوری متفاوت هستند. در سیستم‌های الکترودیالیز، آب ورودی به میان غشاهایی وارد می‌شود که این غشاها به دو نوع غشاء گزینش‌پذیر آنیونی و غشاء گزینش‌پذیر کاتیونی تقسیم می‌شوند که به صورت یک در میان قرار گرفته‌اند. اعمال میدان الکتریکی منجربه مهاجرت آنیون‌ها و کاتیون‌ها به سمت قطب مخالف شده و به واسطه غشاهای گزینش پذیر، میان غشاها دو نوع کانال مجزا به صورت یک در میان شکل می‌گیرد. یکی از کانال ها مربوط به آب نمک‌زدایی شده می‌باشد و در دیگر کانال، آب غلیظ و شورتری تشکیل می‌شود (شکل 3) . بزرگترین مشکلی که سیستم‌های الکترودیالیز دارد استفاده از غشاء‌های گزینش پذیر آنیونی و کاتیونی است که هزینه نگه داری و یا تعویض آنها گران است .

شکل 3 : سیستم الکترودیالیز  [2]

 

در سیستم‌های یون زادی خازنی ، آب شور از درون کانالی عبور می‌کند که دارای الکترودهایی با سطح تماس زیاد است. با اعمال ولتاژ، یون‌ها تحت میدان الکتریکی در سطح الکترود جذب می‌شوند ( شکل 4 ). در نتیجه این عمل، میزان شوری آب کاهش یافته و آب شیرین از سمت دیگر سیستم خارج می‌گردد. برای باززایی مجدد الکترود‌ها، با تغییر ولتاژ اعمالی، یونهای جذب شده از سطح الکترود خارج شده و به جریان آب عبوری وارد می‌شوند ( شکل 4 ). این چرخه می‌تواند در سیستم‌های یون زدای خازنی بارها تکرار شود.

 

شکل 4 : سیستم یون زدای خازنی الف) جذب یونها و تولید آب شیرین  ب ) باززایی یون زدای خازنی و دفع یونهای جذب شده با تغییر جریان الکتریکی [2].

 

  • کاربرد فناوری نانو در سیستم یون زدایی خازنی

سیستم‌های یون زدای خازنی در گذشته به دلیل اشباع شدگی سریع و کم بودن ظرفیت جذب یون، مورد توجه نبود. با ورود فناوری نانو در دهه اخیر و تولید ابر خازن ها، استفاده از سیستم های یون زدای خازنی جهت رفع شوری آب مورد توجه واقع شده‌است. در بیشتر موارد سطح الکترود‌ها با ساختارهای نانویی کربن پوشانیده می‌شود؛ چراکه علاوه بر داشتن خاصیت رسانایی، به دلیل متخلخل بودن، ساختارها ظرفیت جذب بالایی خواهند داشت. همچنین در برخی از الکترودهای مورد استفاده در یون زدای خازنی از سطوح ترکیبی کربن با انواع نانو ساختارها استفاده می‌شود تا منجر به افزایش طول عمر سطح و همچنین ایجاد ابر رسانایی سطوح گردد (شکل 5 ) .در درخت (نمودار 1) ذیل برخی از مهمترین دسته بندی الکترود‌ها نشان داده شده‌است.

 

شکل 5 : تاثیر ترکیب ساختار کربنی با نانو ساختار‌های مختلف از ZnO ، جهت نمک زدایی در یون زدای خازنی [3]

نمودار 1 : نمودار مربوط به تقسیم بندی الکترودهای  یون زدای خازنی.

 

 

  • پایلوت یون زدای خازنی

در زیر یک سیستم پایلوت یون زدای خازنی (با ظرفیت نمک زدایی 3785 مترمکعب در روز)، نشان داده شد که هزینه نمک زدایی آب با شوری کم ( کمتر از ppm 2000 (  در اسمز معکوس، 35/0 دلار برای هر مترمکعب می باشد در حالی که در یون زدای خازنی بالغ بر 11/0 دلار (کمتر از یک سوم) برای هر متر مکعب است. همچنین سیستم های یون زدای خازنی در مقایسه با دیگر سیستم‌های نمک زدا، انرژی کمتری مصرف می‌کند به عنوان مثال انرژی مورد نیاز الکترودیالیز KWh/m3  03/2 می باشد که یون زدای خازنی با کاهش 70 درصدی مصرف انرژی آن را به KWh/m3 59/0می‌رساند [4و5].

 

  • یون زداهای خازنی غشایی

 

یکی از مشکلاتی که در یون زداهای خازنی ممکن است به وجود آید، مرحله بازیابی می‌باشد. زمانی که الکترود به حالت اشباع رسید، مرحله خالص سازی متوقف می‌شود تا با تغییر جریان، وارد مرحله باززایی شود. در این حالت، واجذب یون‌ها روی سطح الکترود رخ می‌دهد. در پتانسیل الکتریکی اعمال شده روی الکترود جهت واجذب، هم زمان پدیده جذب یون‌ها با بار مخالف به صورت طبیعی و کنترل نشده صورت می‌گیرد. این اتفاق باعث می‌شود که مدت زمان باززایی الکترود‌ها طولانی گردد. برای رفع این مشکل از یون زدا‌های خازنی غشایی[3] استفاده می‌شود. در این روش روی سطح الکترود از غشاء تبادل‌گرهای یونی ( آنیونی و کاتیونی ) استفاده می‌شود تا در هنگام باززایی الکترود، مانع از جذب یونهای با بارمخالف از محلول آب گردد ( شکل 6 ).

شکل 6 :  سیستم یون زدای خازنی ( شکل بالا ) و تصویر یون زدای خازنی غشایی ( شکل پایین ) [4]

 

 

  • کاربرد یون زداهای خازنی در رودخانه

با استفاده از یون زداهای خازنی میتوان شوری آب رودخانه‌ها و یا روان آب‌ها را کاهش داد. در این روش تعداد زیادی الکترود اصلاح شده با نانو مواد در فواصل معین از هم  قرار‌داده می‌شوند. آب رودخانه از میان الکترود‌ها عبور کرده و از میزان شوری آن کاسته می‌شود. بعد از گذشت مدت چند روز می‌توان الکترود‌های اشباع شده را بیرون کشید و الکترود‌های جدید را جایگزین نمود و همچنین الکترود‌های اشباع شده را دوباره بازیابی کرد ( شکل 7). به دلیل استفاده از فناوری نانو و سطوح کربنی در الکترود‌ها، ظرفیت جذب به شدت بالا خواهد بود و زمان طولانی تری برای تعویض الکترود‌ها نیاز می‌باشد. این الکترودها می‌تواند به شکل‌های متفاوتی باشند؛ بعضی به شکل میله و برخی به صورت صفحه خواهند بود ( شکل 7 و 8 ).  یکی دیگر از مزایای مهم در این روش، عدم نیاز به سیستم‌های بسیار پیچیده است و کار با آن بسیار ساده می‌باشد.

 

شکل 7 : قرار دادن الکترود های  میله ای جاذب با فاصله معین از هم در رودخانه و باززایی دوباره الکترود ها [6]

شکل 8: یک الکترود آئروژل گرافنی صفحه ای شکل [7] .

 

 

  • بازار سیستم یون زدای خازنی

امروزه سیستم‌های یون زدای خازنی به دلیل بازده خوب در نمک زدایی، طول عمر زیاد و هزینه نگهداری پایین‌تر نسبت به سیستم‌های نمک زدای دیگر و همچنین مصرف بسیار کم انرژی، بسیار مورد توجه بازار قرار گرفته است. به دلیل کمبود آب و اجتناب ناپذیر بودن استفاده از آب شور برای مصارف مختلف، این صنعت رشد بسیار سریعی را تجربه خواهد‌کرد. شرکت‌های زیادی هستند که محصولات خود را در مقیاس خانگی و صنعتی وارد بازار کرده‌اند. به نظر می‌رسد افزایش حجم پژوهش‌های صورت گرفته در R&D شرکت‌های فعال در صنعت آب بیانگر این واقعیت باشد ( شکل 9).

شکل 9 : میزان مقلات چاپ شده در زمینه نمک زدایی به کمک یون زدای خازنی

پژوهشگاه انرژی IMDEA و شرکت Energy Institute در اسپانیا در زمینه فناوری‌های کم مصرف فعالیت می کنند، این شرکت‌ها پروژه هایی تحت عنوان  ADECAR IPT-2011-1450-310000 بنا به درخواست اتحادیه اروپا مورد اجرا قرار دادند تا نمک زدایی با انرژی کم صورت گیرد [8و9].  شرکت چینی Estpure یک شرکت موفق در زمینه یون زدای خازنی در چین می‌باشد که توانسته است پروژه‌های متعددی را در این حوزه به اتمام برساند [10] ( شکل 10).

شکل 10 : تاسیسات یون زدای خازنی اجرا شده توسط شرکت Estpure با قابلیت 120000 متر مکعب در روز.

شرکت Wetsus  نیز یکی از شرکت‌های سرمایه گذار در اتحادیه اروپا می‌باشد که در زمینه یون زدای خازنی سرمایه‌گذاری کرده است [11].  از دیگر شرکت های بزرگ  در این زمینه می‌توان به شرکت  Voltea  با محصول تجاری CapDI [12]، شرکت Idropan dell’Orto با محصول تجاری  Plimmer – CDI [13] ( شکل 11 )،اشاره کرد.

شکل 11 : سیستم یون زدای خازنی خانگی تولید شده توسط شرکت Idropan dell’Orto.

 

یکی دیگر از شرکت‌های موفق در تولید سیستم‌های یون زدای خازنی، شرکت Enpar-tech می‌باشد که قابلیت حذف بسیاری از یون‌ها از جمله نیترات، آمونیوم، آرسنیک، فلزات سنگین و عامل سختی آب  را دارد [14] ( شکل 12 ).

 

شکل 12 : شماتیک سیستم یون زدای خازنی تولید شده توسط شرکت enpar-tech با قابلیت حذف بیشتر یونها  [14].

 

شرکت Atlantis Technologies یک  شرکت بسیار موفق در تولید سیستم‌های یون زدای خازنی است که نسل جدیدی از یون زدای خازنی با نام تجاری RDI را وارد بازار صنعت تصفیه آب کرده‌است. سیستم RDI در مقایسه با سیستم اسمز معکوس مخصوص آب شور[4] ، سیستم نمک زدای بخار متراکم[5] (VCD) و سیستم یون زدای خازنی ساخت شرکت Voltea[6]، از عملکرد بسیار بهتر و همچنین هزینه کمتری برخوردار است ( شکل13 ). بازده  نمک زدایی سیستم RDI 80 % بوده در حالی که اسمز معکوس بین 60 تا 85 درصد،  سیستم  نمک زدای بخار متراکم حدود 40 % و یون زداهای معمولی کمی کمتر از 80 % می‌باشد [15].

 

شکل 13 : تفاوت هزینه های ایجاد شده توسط فناوری های مختلف جهت نمک زدایی آب

 

تولید الکترودهای ورقه‌ای قابل تعویض یکی از محصولات مورد نظر در صنعت تصفیه آب خواهد بود. به عنوان مثال الکترود تولید شده توسط   ORNL به عنوان 100 اختراع برتر 2011 شناخته شد [7]. یا شرکت دولتی Lawrence Livermore National Laboratory سرمایه گذاری عظیمی در تولید ابر الکترود‌های سیستم یون زدای خازنی کرده‌است ( شکل 14) [16 و 17]. بسیاری از سازمان‌های دولتی در کشورهای پیشرفته به اهمیت سیستم‌های یون زدای خازنی پی برده اند؛ به عنوان مثال سازمان مدیریت آب سنگاپور، توسعه یون زدای خازنی را مورد توجه  قرار داده است [18].

 

 

شکل 14: ابر الکترود های تعویض پذیر تولید شده توسط شرکت Lawrence Livermore National Laboratory

 

  • سیستم یون زدایی خازنی در بازار ایران

شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر مجری فناوری نانوکویتاسیون و الکترودیالیز معکوس جهت حذف نیترات و تبدیل آن به آمونیاک و گاز نیتروژن می باشد (شکل 15). ظرفیت این پایلوت برابر با 1750 مترمکعب در شبانه ‌روز بوده است. همچنین این شرکت دستگاه حذف آلودگی از آب شرب به روش نانوکویتاسیون را تولید کرده که حباب های نانومتری ایجاد شده  در آن منجربه انفجار می گردد که رادیکال های آزاد به وجود آمده آلودگی ها را ازبین می برد [19]. براورد این است که شرکت فوق قابلیت ارائه سیستم‌های تصفیه آب بر مبنای الکترودیالیز و یا یون زدای خازنی را دارا می‌باشد.

شکل 15: حذف نیترات با استفاده از فناوری نانو توسط شرکت پیام‌آوران نانو فناوری فردانگر .

 

 

  • منابع

 

 

——————————

[1] Capacitive Deionisation

[2] Electrodialysis

[3] Membrane Capacitive Deionisation

[4] Brackish Water Reverse Osmosis

[5] Vacuum-Compression Distillation

[6] Voltea CapDI

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

  • احسان فریدی (کارشناس ارشد شیمی تجزیه)
  • محسن سروری (دکتری شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================

مطالب مرتبط
درباره رسانه نانو و صنعت

ستادویژه‌توسعه‌فناوری‌نانو معاونت علمی وفناوری ریاست جمهوری در راستای تحقق اهداف سند چشم انداز توسعه صنعتی فناوری نانوی ایران، به عنوان بخشی از اقدامات خود، امر ترویج صنعتی و مدیریتی را به منظور معرفی و بکارگیری توان داخلی و با هدف ثروت آفرینی دانش‌بنیان و تولید فناورانه، در دستور کار خود قرار داده است. بر این اساس، پایگاه اینترنتی «رسانه نانو و صنعت» ستاد ویژه توسعه فناوری نانو (رسانه تخصصی فناوری نانو در صنایع و سازمانهای کشور)، به منظور «ارائه الگوهای موفق پیشرفت ملی برای مدیران و متخصصان برتر در سازمان‌های اثرگذار، پژوهشی، تولیدی و صنعتی کشور»، «تبیین توانمندیها و دستاوردهای صنعتی نانوفناوران ایران»، و «معرفی خدمات کارگروه های صنعت، بازار، توسعه فناوری، سرمایه های انسانی، بین‌الملل و مؤسسه خدمات فناوری تا بازار»، در دسترس هموطنان گرامی قرار گرفته است.

تازه‌ترین اخبار نانو و صنعت
RSS آخرین اخبار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
مطالب پیشنهادی نانو و صنعت