غشاء تبادل الأيونات Ion-exchange membrane
غشاء تبادل الأيونات (ion-exchange membrane)، هو غشاء شبه منفذ ينقل أيونات مذابة معينة، بينما يحجب أيونات أخرى أو جزيئات محايدة.[1]
لذلك، تُعدّ أغشية تبادل الأيونات موصلة كهربياً. وتُستخدم غالباً في تطبيقات تحلية المياه والاستعادة الكيميائية، حيث تنقل الأيونات من محلول إلى آخر مع مرور قليل للماء.[2]
تتضمن أبرز أمثلة أغشية تبادل الأيونات أغشية تبادل الپروتونات، التي تنقل كاتيونات الهيدروجين، وأغشية تبادل الأنيونات المستخدمة في بعض خلايا الوقود القلوية لنقل أنيونات الهيدروكسيل.
البناء والتركيب
يتكون غشاء تبادل الأيونات عادةً من پوليمر عضوي أو غير عضوي ذي مجموعات جانبية مشحونة (أيونية)، مثل راتنجات تبادل الأيونات. يحتوي غشاء تبادل الأنيونات على مجموعات كاتيونية ثابتة مع أنيونات متحركة في الغالب؛ ولأن الأنيونات هي الأنواع الأكثر شيوعاً، فإن معظم الموصلية تعود إلى نقل الأنيونات. والعكس صحيح بالنسبة لغشاء تبادل الكاتيونات.
تتميز أغشية تبادل الأيونات غير المتجانسة بتكلفة منخفضة وتركيبة أكثر سمكاً ومقاومة أعلى وسطح خشن قابل للتراكم. أما الأغشية المتجانسة فهي أغلى ثمناً، لكنها ذات تركيبة أرق ومقاومة أقل وسطح أملس، وأقل عرضة للتراكم. يمكن تعديل أسطح الأغشية المتجانسة لتغيير انتقائية الغشاء للپروتونات والأيونات أحادية التكافؤ وثنائية التكافؤ.[3]
الانتقائية
إن انتقائية غشاء التبادل الأيونات ترجع إلى توازن گيبس-دونان وليس إلى الحجب الفيزيائي أو الاستبعاد الكهروستاتيكي للأنواع المشحونة المحددة. تسمى الانتقائية لنقل الأيونات ذات الشحنات المعاكسة بالانتقائية النفاذية.[3]
التطبيقات
تُستخدم أغشية تبادل الأيونيات تقليدياً في التحليل الكهربائي أو التحليل الانتشاري، وذلك باستخدام جهد كهربائي أو تدرج تركيز، على التوالي، لنقل الأنواع الأنيونية والكاتيونية بشكل انتقائي. عند استخدامها في عملية تحلية المياه بالتحليل الكهربائي، تُرتَّب أغشية التبادل الأنيوني والكاتيوني عادةً بنمط متناوب بين قطبين كهربائيين (مصعد ومهبط) داخل مدخنة التحليل الكهربائي. يُزوَّد القطبان بجهد گلڤاني.[3]
تتكون مدخنة التحليل الكهربائي الصناعية النموذجية من حجرتين: حجرة المنتج-الماء، وحجرة المركز-الرفض. أثناء تشغيل المدخنة، تنتقل الأملاح من المنتج إلى المركز. ونتيجةً لذلك، يتم تركيز تيار الرفض لأعلى بينما تتم إزالة الأملاح من تيار المنتج.[3]
تشمل التطبيقات النموذجية لأغشية تبادل الأيونات المستخدمة في التحليل الكهربائي وEDR تحلية مياه البحر، ومعالجة مياه الصرف الصناعي للمياه عالية التراكم، وإنتاج الأغذية والمشروبات، ومياه الصرف الصناعي الأخرى.[3]
انظر أيضاً
المصادر
- ^ Tanaka, Yoshinobu (January 2015). Ion exchange membranes: fundamentals and applications. Japan: Elsevier. p. 47. ISBN 978-0-444-63319-4.
- ^ Strathmann, Heiner (2004). Membrane Science and Technology Series, 9: Ion Exchange Membrane Separation Processes (First ed.). San Diego, Ca, USA: Elsevier. pp. 90–206. ISBN 0-444-50236-X.
- ^ أ ب ت ث ج Davis, T. S. (1990). "Electrodialysis", in Handbook of Industrial Membrane Technology (First ed.). New Jersey, USA: Noyes Publication. pp. 40–102. ISBN 9780815512059.