"قلب" عملية التحلل الكهربائي: كيف تعمل مجموعة الأغشية؟

في التحليل الكهربائي في نظام التحلية الكهربائية، يوجد مكون أساسي يُعرف باسم "القلب" - وهو مجموعة الأغشية. إذا كانت الأقطاب الكهربائية هي "مصدر الطاقة" وأغشية التبادل الأيوني هي "وحدات الفصل"، فإن مجموعة الأغشية هي وحدة العمل الأساسية التي تتحد فيها جميع هذه المكونات بشكل متكامل. ويحدد أداء هذه المجموعة بشكل مباشر كفاءة التحلية، واستهلاك الطاقة، واستقرار تشغيل نظام التحلية الكهربائية بأكمله. فكيف يبدو هذا "القلب" تحديدًا؟

1.ما هي مجموعة الأغشية؟

1.1 التعريف

كما يوحي الاسم، فإنّ مكدس الأغشية عبارة عن بنية متعددة الطبقات تتكون من تكديس أغشية التبادل الأيوني، والفواصل، والأقطاب الكهربائية بالتناوب وفق ترتيب محدد، ويتم تثبيتها بواسطة جهاز تثبيت. وهو الكيان المادي الأساسي لنظام الفصل الكهربائي، الذي يقوم بالمهمة الفعلية لفصل الأيونات.

1.2 تكوين الرزمة

تتكون مجموعة الأغشية الكاملة من المكونات التالية:

غشاء التبادل الكاتيوني (CEM): يسمح بمرور الكاتيونات مع منع الأنيونات.

غشاء التبادل الأنيوني (AEM): يسمح بمرور الأنيونات مع منع مرور الكاتيونات.

الفواصل: تشكل قنوات تدفق المياه، وتحافظ على المسافة بين الأغشية، وتعزز الاضطراب.

الأقطاب الكهربائية: يتم تطبيق المجال الكهربائي لدفع هجرة الأيونات.

جهاز التثبيت: يضغط مكونات المجموعة لمنع التسرب.

حجرات الأقطاب الكهربائية: تحتوي على الأقطاب الكهربائية ومحلول الأقطاب الكهربائية.

2.ترتيب طبقات الأغشية

2.1 الوحدة الأساسية: زوج الخلايا

الوحدة الأساسية المتكررة في المكدس هي زوج الخلايا، والذي يتكون من التسلسل التالي:

CEM → فاصل (حجرة التخفيف) → AEM → فاصل (حجرة التركيز)

يشكل هذا التركيب - الذي يتألف من غشاء تبادل كاتيونات، وحجرة تخفيف، وغشاء تبادل أنيوني، وحجرة تركيز - زوجًا خلويًا كاملًا. وهو يحقق "استخلاص" و"إثراء" الأيونات.

2.2 بنية المكدس الكاملة

يتم بناء مجموعة أغشية كاملة عن طريق تكرار أزواج متعددة من الخلايا، مع إضافة حجرات الأقطاب الكهربائية وأجهزة التثبيت في كلا الطرفين:

حجرة الأنود ← [زوج من الخلايا] × N ← حجرة الكاثود

2.3 ثلاث غرف رئيسية

أثناء التشغيل، تتشكل ثلاثة أنواع من الحجرات ذات وظائف مختلفة داخل المكدس:

حجرة التخفيف: تقع بين غشاء التبادل الكاتيوني (CEM) وغشاء التبادل الأنيوني (AEM). يدخل الماء الخام إلى هنا، وتهاجر الأيونات إلى الخارج، ويتم إنتاج الماء المحلى (الماء العذب).

حجرة التركيز: تقع بين غشاء التبادل الأنيوني (AEM) وغشاء التبادل الكاتيوني (CEM). تستقبل الأيونات المهاجرة، مما ينتج محلولاً ملحياً مركزاً.

حجرة الأقطاب الكهربائية: تقع في نهايات المجموعة، وتحتوي على الأقطاب الكهربائية ومحلول الأقطاب الكهربائية حيث تحدث تفاعلات الأقطاب الكهربائية.

3.مبدأ العمل: كيف "تتحرك" الأيونات؟

3.1 مسار هجرة الأيونات

على سبيل المثال، عند تطبيق جهد تيار مستمر عبر الأقطاب الكهربائية في محلول كلوريد الصوديوم (NaCl):

في حجرة التخفيف:

Na+ (كاتيون): ينجذب إلى الكاثود، ويمر عبر غشاء التبادل الكاتيوني إلى حجرة التركيز.

Cl- (أنيون): ينجذب إلى المصعد، ويمر عبر غشاء التبادل الأنيوني إلى حجرة التركيز.

النتيجة: ينخفض ​​تركيز كلوريد الصوديوم في حجرة التخفيف باستمرار، مما يحقق عملية تحلية المياه.

في حجرة التركيز:

Na+: يدخل من حجرة التخفيف المجاورة عبر غشاء التبادل الكاتيوني.

Cl-: يدخل من حجرة التخفيف المجاورة الأخرى عبر غشاء التبادل الأنيوني.

النتيجة: يزداد تركيز كلوريد الصوديوم في حجرة المحلول المركز باستمرار، مما يؤدي إلى تحقيق التركيز المطلوب.

3.2 تفاعلات الأقطاب الكهربائية

في حجرات الأقطاب الكهربائية، تخضع جزيئات الماء للتحليل الكهربائي:

تفاعل الأنود: 2H2O→O2↑+ 4H+ + 4e-

تفاعل الكاثود: 2H2O + 2e-→H2↑ + 2OH-

4.المعايير التصميمية الرئيسية للمجموعة

4.1 عدد أزواج الخلايا

يحدد عدد أزواج الخلايا في المكدس ما يلي:

القدرة على المعالجة: كلما زاد عدد أزواج الخلايا، زاد إنتاج الماء لكل وحدة زمنية.

كفاءة تحلية المياه: كلما زاد عدد أزواج الخلايا، زاد معدل تحلية المياه في المرور الواحد.

متطلبات الجهد: كلما زاد عدد أزواج الخلايا، زاد الجهد المطلوب.

4.2 المساحة الفعالة

تحدد المساحة الفعالة لغشاء واحد (المساحة المشاركة في تبادل الأيونات):

إنتاج المياه: كلما زادت المساحة، زاد حجم المحلول المعالج لكل وحدة زمنية.

كثافة التيار: بالنسبة لنفس التيار، تؤدي المساحة الأكبر إلى كثافة تيار أقل، مما يقلل من خطر الاستقطاب التركيزي.

4.3 سُمك الفاصل

يحدد سمك الفاصل عرض قناة التدفق لحجرات التخفيف والتركيز:

الفواصل الرقيقة: مقاومة كهربائية أقل واستهلاك أقل للطاقة، ولكنها عرضة للانسداد (مما يتطلب معايير معالجة مسبقة أعلى).

الفواصل السميكة: قدرة أقوى على منع الانسداد، ولكن مقاومة أعلى واستهلاك طاقة أعلى قليلاً.

5.خاتمة

تُعدّ مجموعة الأغشية بمثابة "قلب" نظام التحليل الكهربائي؛ إذ يُحدّد تصميمها وتجميعها وحالتها التشغيلية نجاح النظام بأكمله أو فشله. بالنسبة لمصممي ومشغلي وفنيي صيانة أنظمة التحليل الكهربائي، يُعدّ فهم البنية الداخلية ومبدأ عمل المجموعة أساسًا لإتقان هذه التقنية. فالمجموعة ليست مجرد مُكوّن من مُكوّنات الجهاز، بل هي جوهر تقنية التحليل الكهربائي، إذ تُكثّف مبادئ من الكهروستاتيكا، وفصل الأغشية، وديناميكا الموائع، والكيمياء الكهربائية في وحدة مُدمجة لتحقيق الفصل الدقيق بين "الملح" و"الماء".

التعليمات:

1. من نحن؟
يقع مقرنا في آنهوي، الصين، وقد بدأنا العمل منذ عام 2011، ونبيع منتجاتنا إلى جنوب شرق آسيا وأمريكا الشمالية وأوروبا الشرقية وجنوب آسيا.

2. هل يمكنك تخصيص القدرة أو الجهد المقدر؟
نعم، تخصيص المنتجات أمر مقبول.

3. هل يمكن لشركتكم توفير النظام الكامل (خلايا الوقود، إنتاج الهيدروجين، تخزين الهيدروجين، نظام إمداد الهيدروجين)؟
نعم، يمكننا توفير الملحقات اللازمة وفقًا لذلك.