Elektrodialisis

Elektrodialisis (ED) digunakan untuk membawa ion garam dari satu larutan melalui membran pertukaran ion dari larutan lainnya di bawah pengaruh perbedaan potensial listrik yang diterapkan.^[1] Hal ini dilakukan dalam suatu konfigurasi yang disebut sebagai suatu sel elektrodialisis. Sel tersebut terdiri dari suatu kompartemen umpan (terlarut) dan suatu kompartemen konsentrat (air garam) yang dibentuk dari membran penukar anion dan membran penukar kation yang ditempatkan di antara dua elektrode.^[2][3] Dalam hampir seluruh praktik proses elektrodialisis, sel elektrodialisis ganda disusun ke dalam konfigurasi yang disebut tumpukan elektrodialisis, dengan anion bolak-balik dan membran pertukaran kation yang membentuk sel-sel elektrodialisis ganda. Proses elektrodialisis berbeda dari teknik distilasi dan proses berbasis membran lainnya (seperti osmosis terbalik (reverse osmosis; RO)) pada spesi yang terlarut dipindahkan jauh dari aliran umpan daripada sebaliknya. Karena jumlah spesi terlarut dalam aliran umpan jauh lebih sedikit daripada cairan, elektrodialisis menawarkan keuntungan praktis dari pemulihan umpan yang jauh lebih tinggi di banyak aplikasi.^[4][5][6]

Dalam tumpukan elektrodialisis, aliran umpan encer (D), aliran air garam atau konsentrat (C), dan arus elektrode (E) dibiarkan mengalir melalui kompartemen sel yang tepat yang dibentuk oleh membran penukar ion. Di bawah pengaruh perbedaan potensial listrik, ion bermuatan negatif (misalnya, klorida) dalam aliran encer bermigrasi ke arah muatan positif anode. Ion-ion ini melewati membran pertukaran anion bermuatan positif, tetapi dicegah dari migrasi lebih lanjut ke arah anode oleh membran pertukaran kation bermuatan negatif dan karena itu tetap di aliran C, yang menjadi terkonsentrasi dengan anion. Spesies bermuatan positif (misalnya natrium) dalam aliran D bermigrasi ke arah katode bermuatan negatif dan melewati membran pertukaran kation bermuatan negatif. Kation ini juga tinggal di aliran C, dicegah dari migrasi lebih lanjut menuju katode oleh membran pertukaran anion bermuatan positif.^[7] Sebagai hasil dari migrasi anion dan kation, arus listrik mengalir antara katode dan anode. Hanya jumlah ekuivalen muatan anion dan kation yang sama yang ditransfer dari aliran D ke aliran C sehingga keseimbangan muatan dipertahankan di setiap aliran. Hasil keseluruhan dari proses elektrodialisis adalah peningkatan konsentrasi ion dalam aliran konsentrat dengan penipisan ion dalam aliran umpan larutan encer

Aliran E adalah aliran elektrode yang mengalir melewati setiap elektrode di dalam tumpukan. Aliran ini dapat terdiri dari komposisi yang sama seperti aliran umpan (mis. Natrium klorida) atau dapat berupa larutan terpisah yang mengandung spesies berbeda (mis. Natrium sulfat).^[5] Tergantung pada konfigurasi tumpukannya, anion dan kation dari arus elektrode dapat dibawa ke dalam aliran C, atau anion dan kation dari aliran D dapat dibawa ke aliran E. Dalam setiap kasus, transportasi ini diperlukan untuk membawa arus melintasi tumpukan dan mempertahankan larutan tumpukan yang memiliki listrik netral.

Reaksi berlangsung di masing-masing elektrode. Di katode reaksi yang berlangsung yaitu:^[3]

2e⁻ + 2 H₂O → H₂ (g) + 2 OH⁻

sementara di anode berlangsung reaksi:^[3]

H₂O → 2 H⁺ + ½ O₂ (g) + 2e⁻ atau 2 Cl⁻ → Cl₂ (g) + 2e⁻

Sejumlah kecil gas hidrogen dihasilkan pada katode dan sejumlah kecil gas oksigen atau klorin (tergantung pada komposisi aliran E dan pengaturan pertukaran ion akhir) di anode. Gas-gas ini biasanya kemudian dihamburkan sebagai efluen aliran E dari masing-masing kompartemen elektrode dikombinasikan untuk mempertahankan pH netral dan dibuang atau disirkulasikan kembali ke tangki E yang terpisah. Namun, beberapa telah mengusulkan pengumpulan gas hidrogen untuk digunakan dalam produksi energi.

Efisiensi arus adalah ukuran seberapa efektif ion dibawa melintasi membran penukar ion untuk arus terapan yang diberikan. Biasanya efisiensi saat ini >80% diinginkan dalam tumpukan komersial untuk meminimalkan biaya operasi energi. Efisiensi arus rendah menunjukkan pembelahan air dalam aliran pengencer atau konsentrat, shunt arus antara elektrode, atau difusi balik ion dari konsentrat ke diluat bisa terjadi.

Efisiensi arus dihitung melalui persamaan:^[8]

${\displaystyle \xi ={\frac {zFQ_{f}(C_{inlet}^{d}-C_{outlet}^{d})}{NI}}}$

di mana:

• ${\displaystyle \xi }$ = efisiensi pemanfaatan arus
• ${\displaystyle z}$ = muatan ion
• ${\displaystyle F}$ = konstanta Faraday, 96,485 Amp-s/mol
• ${\displaystyle Q_{f}}$ = laju alir encer, L/s
• ${\displaystyle C_{inlet}^{d}}$ = konsentrasi inlet sel ED encer, mol/L
• ${\displaystyle C_{outlet}^{d}}$ = konsentrasi outlet sel ED encer, mol/L
• ${\displaystyle N}$ = jumlah pasangan sel
• ${\displaystyle I}$ = arus listrik, Amp.

Efisiensi arus secara umum merupakan suatu fungsi dari konsentrasi umpan.^[9]

Dalam aplikasinya, sistem elektrodialisis dapat dioperasikan sebagai proses produksi berkelanjutan atau produksi batch. Dalam proses yang berkesinambungan, umpan dilewatkan melalui sejumlah tumpukan yang cukup yang ditempatkan secara seri untuk menghasilkan kualitas produk akhir yang diinginkan. Dalam proses batch, aliran pengencer dan/atau konsentrat disirkulasikan ulang melalui sistem elektrodialisis sampai produk akhir atau kualitas konsentrat tercapai.

Elektrodialisis biasanya diterapkan pada deionisasi dari larutan berair. Namun, desalinasi dari larutan berair organik dan larutan organik konduktif juga dimungkinkan. Beberapa aplikasi elektrodialisis meliputi:^{[2][4][5][10]}

• Desalinasi skala besar air payau dan air laut serta produksi garam.
• Produksi skala kecil dan menengah air minum (misalnya, kota & desa, kamp konstruksi & militer, reduksi nitrat, hotel & rumah sakit)
• Penggunaan kembali air (misalnya, cucian industri air limbah, menghasilkan air dari produksi minyak/gas, cairan industri logam, air pencucian)
• Pra-demineralisasi (misalnya, makeup & praperlakuan boiler, praperlakuan air ultra murni, proses desalinasi air, pembangkit listrik, semikonduktor, manufaktur kimia, makanan dan minuman)
• Pengolahan makanan
• Air pertanian (misalnya air untuk rumah kaca, hidroponik, irigasi, ternak)
• Desalinasi glikol (mis. antibeku/pendingin mesin, kapasitor cairan elektrolit, dehidrasi minyak dan gas, pengkondisian dan pemrosesan larutan, industri cairan pemindah panas, pendingin sekunder dari pemanasan, ventilasi, dan pengkondisian udara (HVAC))

• Dialisis
• Desalinasi
• Elektrokimia
• Osmosis terbalik
• Membran penukar proton
• Resin penukar ion
• Kromatografi pertukaran ion

• Inamuddin (1 Juni 2017). Applications of Adsorption and Ion Exchange Chromatography in Waste Water Treatment (dalam bahasa Inggris). Materials Research Forum LLC. ISBN 9781945291333. 

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Elektrodialisis.

• A. A. Zagorodni (2006). "Chapter 17 - a simple introduction to electrodialysis and description of different electromembrane processes". Ion Exchange Materials: Properties and Applications (dalam bahasa Inggris). Amsterdam: Elsevier. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2007-10-24. Diakses tanggal 2021-02-19.