Eletrodiálise

A eletrodiálise foi comercialmente introduzida nos anos 60, cerca de 10 anos antes da Osmose Reversa. O desenvolvimento da eletrodiálise forneceu uma forma eficaz no que se refere a custo para dessalinizar a água salobra e incitou um interesse considerável nesta área.

A eletrodiálise depende dos seguintes princípios gerais:

A maioria dos sais dissolvidos na água são iônicos, estando carregados positivamente (catiônico) ou negativamente (aniônico).

Estes íons são atraídos para eletrodos com carga elétrica oposta.

As membranas podem ser construídas para permitir a passagem seletiva tanto de ânions como de cátions.

Os constituintes iônicos desenvolvidos em uma solução salina tais como Na+, Ca2+ e CO32- estão dispersos na água, neutralizando eficazmente suas cargas individuais. Quando são colocados eletrodos ligados a uma fonte externa de corrente continua como

uma bateria e um contêiner de água salgada, a corrente elétrica é transportada através da solução, com os íons tendendo a migrar para o eletrodo de carga oposta.

Para estes fenômenos dessalinizarem a água, as membranas deverão permitir a passagem de cátions ou ânions (mas não de ambas), sendo colocadas entre um par de eletrodos. Estas membranas são arrumadas alternadamente com uma membrana seletiva de ânions seguida de uma membrana seletiva de cátions. Uma chapa espaçadora que permite à água fluir pela face da membrana é colocada entre cada par de membranas.

Um espaçador estabelece um canal que transporta água como produto, enquanto o próximo carrega água salobra. Como os eletrodos estão carregados e a água salina flui ao longo do espaçador em ângulos retos para os eletrodos, os ânions na água são atraídos e desviados na direção dos eletrodos positivos. Isto dilui o conteúdo de sal da água no canal. Os ânions passam através da membrana seletiva de ânions, mas não podem passar além da membrana seletiva de cátions, que bloqueia seu trajeto e prende o ânion na água salgada. De forma semelhante, os cátions sob a influencia do eletrodo negativo movem-se na direção oposta através da membrana seletiva de cátion para o canal de concentrado no outro lado. Aqui os cátions são aprisionados porque a próxima membrana é seletiva de ânions e evita mais movimento na direção do eletrodo.

Através desta combinação, as soluções concentradas e diluídas são criadas nos espaços entre as membranas alternantes. Estes espaços, ligados pelas duas membranas (uma aniônico e outra catiônica) são chamados células. O par de células consiste de duas células, uma na qual os íons migram (a célula diluída com a água produto) e outra na qual os íons se concentram (a célula concentrada com o fluxo de salmoura).

A unidade básica de eletrodiálise consiste de vários pares (centenas) de células juntas a eletrodos na parte externa e é referida como um perfilado de membranas. A água passa simultaneamente em caminhos paralelos através de todas as células para proporcionar um fluxo contínuo de água dessalinizada e água salgada para emergir no perfilado. Dependendo do desenho do sistema, produtos químicos podem ser adicionados aos fluxos no perfilado, para reduzir o potencial de formação crostas.

A água em estado natural deve ser pré-tratada para evitar a existência de materiais que poderiam danificar as membranas ou obstruir os canais estreitos nas células de entrada do perfilado de membrana. A água circula através da parede através de uma bomba de baixa pressão com energia suficiente para se sobrepor (vencer) a resistência da água à

medida que esta passa através de passagens estreitas. Geralmente, é usado um retificador para transformar corrente alternada em corrente contínua nos eletrodos do lado externo dos perfilados de membranas.

O pós-tratamento consiste na estabilização da água e na preparação desta para a distribuição. Este pós-tratamento deverá consistir da remoção de gases tais como sulfeto de hidrogênio e ajuste de pH.

A medida da eficiência do processo é quanto da energia aplicada é usada no transporte dos íons, em oposição à dissipação como calor no retorno da resistividade elétrica interna do sistema, ou seu desperdício em outra forma de expressão eletroquímica. Uma das exigências no desempenho das membranas, é que passem facilmente os íons para minimizar a resistência interna. A segunda é que possuam baixa transferência de água, para assegurar tão alta produção de água dessalinizada quanto possível.

Como qualquer processo, a eletrodiálise também apresenta alguns problemas: impedimentos à passagem de corrente elétrica entre o arranjo das membranas, com as interfaces solução/membrana apresentando resistências, imperfeição das membranas na seletividade dos íons, desperdício de energia provocado pelo aquecimento das próprias membranas e da solução ionizada, e polarização das concentrações de sal. Portanto, os níveis teóricos de energia necessária para a prática da eletrodiálise ficam maiores.

A eficiência total do processo depende da eficiência na utilização da corrente elétrica, das necessidades de voltagem e da polarização da solução. O nível de eficiência de corrente vai depender da quebra da molécula da água com a ionização, formando hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-), e conseqüentemente desvio de corrente: menor seletividade das membranas é função da grande transferência de água e surgimento de corrente alternativa paralela através das pilhas, e uma tendência à formação de incrustações de carbonato e sulfato de cálcio, junto às membranas.

A polarização, além de conseqüências técnicas, apresenta conseqüências econômicas. O uso de bombas de circulação, caracterizadas por altas taxas de escoamento, minimiza a formação de camadas nas divisas e aumentam os espaços dos compartimentos. Os custos de energia de circulação serão adicionados, mas, a redução da polarização vai diminuir a energia total necessária à pilha.

Reações podem ocorrer nos eletrodos, aumentando o consumo de energia além de conseqüências prejudiciais ao processo. O trafego de elétrons que ocorre nos eletrodos

resulta em reações químicas, que devem se acomodadas no projeto da pilha. Para tanto, recomenda-se isolamento hidráulico dos compartimentos dos eletrodos. Reações no catodo provocam aumento da alcalinidade devido à formação de hidroxilas, e neste caso deve-se ajustar o pH. E se houver tendência à concentração de íons cloro (reações no anodo), pode- se usar agentes redutores, tais como bissulfito de sódio.

Do ponto de vista do produto água, é importante considerar:

A alimentação do processo deve ser água livre de ferro, manganês, turbidez, e matéria orgânica para a ótima operação.

Dados sobre a vida útil das membranas e eletrodos são importantes na determinação de custo.

Em geral, 10 a 30% da alimentação são necessários para afastar os sais concentrados e os minerais removidos. Pequenas unidades compactas de eletrodiálise produzem de 0,5 m3 a 1,0 m3 de água por dia, consumindo menos que 60 watts. Em geral são empregados para uso doméstico e pequenas fazendas onde energia elétrica é disponível.

Para tratamento da água do mar não é considerado um processo econômico, devido a alta concentração de sólidos dissolvidos.