سامانه‌ی هیبریدی قطبش غلظتی یونی و الکترودیالیز متاتز برای نمک زدایی آب دریا و بهره برداری از شورابه
محورهای موضوعی : زبان اصلی مجله انگلیسی می باشد! ( ترجمه عنوان: رهیافت های نوین در محیط زیست و اکولوژی کاربردی)رضا بازرگان لاری 1 , آیلار قره محمدزاده قشقایی 2 *
1 - استادیار، گروه مهندسی علوم مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد مرودشت، ایران
2 - دانشگاه شیراز
کلید واژه: مدیریت شورابه, آب آشامیدنی, الکترودیالیز متاتز, قطبش غلظتی یونی, نمک‌زدایی آب دریا,
چکیده مقاله :
در این پژوهش، یک سامانه‌ی هیبریدی نمک زدایی در مقیاس آزمایشگاهی معرفی می‌شود که فرآیند دو مرحله ای قطبش غلظتی یونی (2ICP) را با الکترودیالیز متاتز (EDM) تک مرحله‌ای تلفیق می‌کند تا از آب دریا آب قابل شرب تولید کرده و هم زمان شورابه را به نمک‌های بسیار محلول تبدیل نماید. در دو مرحله ICP، بخش عمده‌ای از نمک‌های محلول و ناخالصی‌های معلق با استفاده از ناحیه‌ی کاهش یونی ناشی از قطبش حذف می‌شوند، در حالی که در مرحله EDM یون‌های رسوبزا مانند کلسیم (Ca²⁺) و منیزیم (Mg²⁺) با یون‌های سدیم (Na⁺) و کلرید (Cl⁻) جایگزین می‌گردند تا از رسوب‌گیری غشاء جلوگیری شود. این ترکیب متوالی، علاوه بر دستیابی به حذف بالای نمک و برآورده سازی استانداردهای آب آشامیدنی، راندمان جریان را افزایش داده و رسوب گیری غشاء را به حداقل می‌رساند. از سوی دیگر، با تبدیل نمک‌های کم محلولی نظیر سولفات کلسیم (CaSO₄) و کربنات کلسیم (CaCO₃) به محلول‌های غلیظ کلرید سدیم (NaCl) و سولفات سدیم (Na₂SO₄)، بازیابی آب افزایش یافته و شورابه‌ای با غلظتی دو تا سه برابر روش‌های متداول تولید می‌شود، در حالی که حجم پسماند نیز کاهش می‌یابد. مصرف انرژی این سامانه در سطحی رقابتی با فناوری‌های رایج نمک زدایی باقی می‌ماند. مقایسه با سامانه‌ی ICP/ED نشان می‌دهد که ICP/EDM علاوه بر دوام بیشتر و نیاز کمتر به نگهداری، از نظر اقتصادی نیز با تولید محصولات جانبی نمک قابل فروش، مزیت‌های چشمگیری دارد. این ویژگی‌ها سامانه‌ی 2ICP/EDM را به راهکاری نوآورانه و پایدار برای نمک زدایی با بازیابی بالا و مدیریت کارآمد شورابه تبدیل می‌سازد.
We present a hybrid bench-scale desalination system that integrates two-stage Ion Concentration Polarization (2ICP) with single-stage Electrodialysis Metathesis (EDM) to produce potable water from seawater while converting brine into highly soluble salts. The 2ICP stage removes most dissolved salts and suspended impurities via polarization-induced ion depletion, while the EDM stage exchanges remaining scaling-prone ions (e.g., Ca²⁺, Mg²⁺) with Na⁺ and Cl⁻ to prevent membrane scaling. This sequential setup achieves high salt removal, meets drinking water standards, enhances current efficiency, and reduces membrane fouling. By converting sparingly soluble salts (e.g., CaSO₄, CaCO₃) into concentrated NaCl and Na₂SO₄ solutions, the system increases water recovery—producing brine salinities two to three times higher than conventional methods—while minimizing waste volume. Energy consumption remains competitive with traditional desalination. Compared to a 2ICP-electrodialysis (2ICP/ED) setup, the 2ICP/EDM system offers improved durability, lower maintenance, and economic benefits through the generation of marketable salt by-products. These advantages position 2ICP/EDM as a promising, sustainable solution for high-recovery desalination and efficient brine management
1.
Jamil, F. and H.M. Ali, Sustainable desalination using portable devices: a concise review. Solar Energy, 2019. 194: p. 815-839. 10.1016/j.solener.2019.10.085. 2.
Shah, K.M., et al., Drivers, challenges, and emerging technologies for desalination of high-salinity brines: A critical review. Desalination, 2022. 538: p. 115827. 10.1016/j.desal.2022.115827. 3. Philibert, M., et al., Fouling and scaling in reverse osmosis desalination plants: a critical review of membrane autopsies, feedwater quality guidelines and assessment methods. Desalination, 2024: p. 118188.https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118188. 4. Bond, R., et al., Zero liquid discharge desalination of brackish water with an innovative form of electrodialysis: electrodialysis metathesis. Fla. Water Resour. J, 2011. 63(7). 5. Roberts, D.A., E.L. Johnston, and N.A. Knott, Impacts of desalination plant discharges on the marine environment: A critical review of published studies. Water research, 2010. 44(18): p. 5117-5128.10.1016/j.watres.2010.04.036. 6. Bazargan, A., A multidisciplinary introduction to desalination. 2018: Stylus Publishing, LLC.https://doi.org/10.1201/9781003336914. 7. Tsai, J.-H., et al., Membrane-based zero liquid discharge: Myth or reality? Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2017. 80: p. 192-202. 8. Kim, B., et al., Purification of high salinity brine by multi-stage ion concentration polarization desalination. Scientific reports, 2016. 6(1): p. 1-12.https://doi.org/10.1038/srep31850. 9. Kumar, V. and S. Dwivedi, A review on accessible techniques for removal of hexavalent Chromium and divalent Nickel from industrial wastewater: Recent research and future outlook. Journal of Cleaner Production, 2021. 295: p. 126229.https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126229. 10. Camacho, L.M., J.A. Fox, and J.O. Ajedegba, Optimization of electrodialysis metathesis (EDM) desalination using factorial design methodology. Desalination, 2017. 403: p. 136-143.doi:10.1016/j.desal.2016.07.028. 11. Yoon, J., M.T. Flavin, and J. Han, Current efficiency and selectivity reduction caused by co-ion leakage in electromembrane processes. Water Research, 2021. 201: p. 117351.https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117351. 12. Kim, S.J., et al., Direct seawater desalination by ion concentration polarization. Nature nanotechnology, 2010. 5(4): p. 297-301.https://doi.org/10.1038/nnano.2010.34. 13. Kim, B., et al., Partial desalination of hypersaline brine by lab-scale ion concentration polarization device. Desalination, 2017. 412: p. 20-31.https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.02.018. 14. Kwak, R., et al., Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination. Scientific reports, 2016. 6(1): p. 1-11.https://doi.org/10.1038/srep25349. 15. Yoon, J., et al., Portable Seawater Desalination System for Generating Drinkable Water in Remote Locations. Environmental Science & Technology, 2022. 56(10): p. 6733-6743.https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08466. 16. Chen, Q.-B., et al., Conversion and pre-concentration of SWRO reject brine into high solubility liquid salts (HSLS) by using electrodialysis metathesis. Separation and Purification Technology, 2019. 213: p. 587-598.https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.12.018. 17.
Yoon, J., et al., Return flow ion concentration polarization desalination: A new way to enhance electromembrane desalination. Water research, 2019. 159: p. 501-510.https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.042. 18. Tong, T., et al., Mineral scaling in membrane desalination: Mechanisms, mitigation strategies, and feasibility of scaling-resistant membranes. Journal of membrane science, 2019. 579: p. 52-69.https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.02.049. 19.
Kwon, H.J., et al., A multiscale-pore ion exchange membrane for better energy efficiency. Journal of Materials Chemistry A, 2018. 6(17): p. 7714-7723.https://doi.org/10.1039/C7TA10570C.