Wysoka selektywność nie zawsze oznacza skuteczne oczyszczanie wody lub odzysk cennego surowca. Międzynarodowy zespół z udziałem naukowców z Wydziału Chemicznego 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”.

Wydział Chemiczny PWr reprezentują mgr inż. Piotr Śledzik oraz dr hab. inż. Sławomir Porada, prof. uczelni. W badaniach uczestniczyli również naukowcy z Wageningen University & Research, Ben-Gurion University of the Negev oraz Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology.

Jedna liczba nie mówi wszystkiego

Selektywna separacja jonów odgrywa ważną rolę w oczyszczaniu i ponownym wykorzystaniu wody, a także w odzyskiwaniu wartościowych składników z roztworów. W zależności od zastosowania celem może być usunięcie niepożądanego jonu z wody, albo odzyskanie cennego składnika obecnego w mieszaninie. 

Do oceny skuteczności takich procesów często wykorzystuje się współczynnik selektywności (separation factor). Jak wskazują autorzy publikacji, wysoka wartość tego parametru nie musi jednak oznaczać, że proces rzeczywiście dobrze spełnia swoje zadanie.

– 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.

Wyobraźmy sobie proces, którego zadaniem jest usunięcie 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.

Dlatego naukowcy proponują przedstawianie wyników na podstawie zmian stężenia poszczególnych jonów. Takie podejście pozwala jednocześnie analizować rzeczywistą ilość usuniętego lub odzyskanego składnika oraz oceniać inne istotne parametry, m.in. selektywność, czystość produktu i 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 kluczowe mogą być stopień usunięcia zanieczyszczeń, odzysk wody i produktywność. W przypadku odzyskiwania surowców większe znaczenie mają natomiast ilość odzyskanego składnika, czystość produktu i selektywność.

Elektrodializa i MCDI – dwa sposoby na rozdzielanie jonów

Nowe podejście wykorzystano do porównania dwóch procesów elektrochemicznych: elektrodializy (ED) i membranowej dejonizacji pojemnościowej (MCDI).

Oba procesy wykorzystują membrany jonowymienne i energię elektryczną, ale różnią się sposobem działania. Elektrodializa umożliwia prowadzenie procesu w sposób ciągły. 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.

Przeniesienie takich rozwiązań do zastosowań przemysłowych wymaga jednak dalszych badań. Ważne będzie zapewnienie stabilności elektrod i powtarzalności procesu, a także lepsze poznanie mechanizmów transportu jonów. Naukowcy zwracają również uwagę na konieczność znalezienia kompromisu między selektywnością, odzyskiem, produktywnością i zużyciem energii.

Co oznacza „nieskończona selektywność”?

Jednym z zagadnień poruszonych w publikacji jest tzw. nieskończona selektywność. Brzmi imponująco, ale nie oznacza 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 cyklicznym procesie MCDI taki efekt można uzyskać poprzez odpowiedni dobór momentów rozpoczęcia i zakończenia odbierania poszczególnych strumieni.

W praktyce można wykorzystać różnice w szybkości transportu jonów. Przykładowo sód i wapń przemieszczają się w odmiennym tempie, co stwarza możliwości ich rozdzielania na podstawie kinetyki procesu. W przypadku jonów o bardziej zbliżonym zachowaniu, takich jak sód i potas, pomocne mogą być również odpowiednio dobrane materiały selektywne.

Czystsza woda i odzysk surowców

Precyzyjna separacja jonów może wspierać rozwój technologii uzdatniania i ponownego wykorzystania wody, ochronę środowiska oraz odzyskiwanie cennych składników z różnych 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.