Jak skuteczniej oddzielać jony z wody?

Wysoka selektywność nie zawsze oznacza skuteczne oczyszczanie wody lub odzysk cennego surowca. Międzynarodowy zespół z udziałem naukowców Politechniki Wrocławskiej zaproponował nowy sposób oceny procesów selektywnej separacji jonów.

Rozwiązanie opisano w artykule „Comparative analysis of selective ion removal in electrochemical technologies reveals the need for a new data representation framework”, opublikowanym w czasopiśmie „Nature Water”. Politechnikę Wrocławską reprezentują mgr inż. Piotr Śledzik oraz dr hab. inż. Sławomir Porada, prof. uczelni, z Wydziału Chemicznego. Praca powstała we współpracy z naukowcami z Wageningen University & Research, Ben-Gurion University of the Negev oraz Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology.

Jedna liczba nie wystarczy

Selektywna separacja jonów jest potrzebna m.in. przy oczyszczaniu i ponownym wykorzystaniu wody oraz odzyskiwaniu wartościowych składników z roztworów. Celem może być zarówno usunięcie niepożądanego jonu z wody, jak i odzyskanie cennego składnika obecnego w mieszaninie.

– Do oceny takich procesów często wykorzystuje się współczynnik selektywności, czyli separation factor. Problem w tym, że wysoka selektywność nie musi oznaczać dobrego efektu separacji – mówi prof. Sławomir Porada.

Dobrym przykładem jest usuwanie toksycznego jonu z wody zawierającej również inne, nieszkodliwe jony. Proces może wykazywać bardzo wysoką selektywność względem usuwanego składnika, a jednocześnie usuwać tylko niewielką jego część. Dlatego sam współczynnik selektywności nie wystarcza do oceny, czy oczyszczanie wody jest rzeczywiście skuteczne.

– Zaproponowaliśmy sposób przedstawiania wyników oparty na zmianach stężenia poszczególnych jonów. Pozwala on jednocześnie ocenić, ile danego składnika rzeczywiście usunięto lub odzyskano, a także wyznaczyć m.in. selektywność, czystość produktu czy odzysk wody. Dzięki temu można łatwiej i bardziej rzetelnie porównywać różne technologie separacji – wyjaśnia prof. Porada.

To, które parametry są najważniejsze, zależy przy tym od celu procesu. Przy oczyszczaniu wody liczą się przede wszystkim stopień usunięcia zanieczyszczenia, odzysk wody i produktywność. Jeśli celem jest odzyskanie cennego składnika, większe znaczenie mają jego odzysk, czystość i selektywność.

Dwie technologie, różne możliwości

Nowe podejście wykorzystano do porównania dwóch procesów elektrochemicznych: elektrodializy (ED) i membranowej dejonizacji pojemnościowej (MCDI). Oba wykorzystują membrany jonowymienne i energię elektryczną, ale sposób ich działania jest inny. ED pracuje w sposób ciągły, natomiast MCDI jest procesem cyklicznym, w którym elektrody są naprzemiennie ładowane i rozładowywane. Podczas ładowania jony są adsorbowane w elektrodach, a następnie uwalniane podczas rozładowania. Ta cykliczność daje dodatkową możliwość sterowania procesem.

– Poszczególne jony mogą być adsorbowane i uwalniane z elektrod w różnym tempie. Odpowiedni wybór momentu przełączenia odbieranego strumienia pozwala więc zwiększyć udział jednego jonu i ograniczyć obecność drugiego – tłumaczy prof. Porada.

Oznacza to, że poprawę selektywności można w niektórych przypadkach uzyskać nie tylko przez zmianę membrany lub materiału elektrody, ale także przez odpowiednie sterowanie czasem pracy urządzenia.

– Przed zastosowaniem takiego rozwiązania w skali przemysłowej trzeba jednak zapewnić odpowiednią stabilność elektrod i powtarzalność procesu w czasie. Kluczowe będzie również lepsze zrozumienie mechanizmów transportu jonów oraz znalezienie kompromisu pomiędzy selektywnością, odzyskiem, produktywnością i zużyciem energii – wymienia prof. Porada.

Skąd „nieskończona selektywność”?

W publikacji pojawia się również pojęcie „nieskończonej selektywności”. Nie oznacza ono jednak nieskończonej wydajności procesu.

– Matematycznie taki przypadek występuje wtedy, gdy usuwamy tylko interesujący nas jon, natomiast zmiana stężenia drugiego jonu wynosi zero. Wtedy współczynnik selektywności dąży do nieskończoności – wyjaśnia naukowiec.

Autorzy pokazali, że w procesie cyklicznym MCDI taki efekt można uzyskać poprzez odpowiedni dobór momentów rozpoczęcia i zakończenia odbierania poszczególnych strumieni.

W przypadku jonów o wyraźnie różnych szybkościach transportu, takich jak sód i wapń, można wykorzystać różnice w ich kinetyce. Gdy jony zachowują się podobnie, jak sód i potas, pomocne mogą być również selektywne materiały.

Czystsza woda i odzysk surowców

Precyzyjne rozdzielanie jonów może mieć znaczenie m.in. w uzdatnianiu i ponownym wykorzystaniu wody, ochronie środowiska oraz odzyskiwaniu cennych składników ze ścieków, solanek i innych strumieni przemysłowych. Proponowany w publikacji sposób analizy ma ułatwić rzetelne porównywanie różnych technologii separacji.

– Zamiast sprowadzać ocenę procesu do jednego współczynnika, możemy jednocześnie zobaczyć, ile wybranego składnika rzeczywiście usunęliśmy lub odzyskaliśmy i jaki produkt otrzymaliśmy. To pozwala znacznie lepiej ocenić, czy dana technologia rzeczywiście odpowiada potrzebom konkretnego zastosowania – podsumowuje prof. Porada.

Źródło: Politechnika Wrocławska

Czytaj także: Na PWr powstaje unikalne laboratorium