आयन विनिमय झिल्ली मूलतः बहुलक झिल्लियों का एक वर्ग है जिनमें आयनों का आदान-प्रदान करने में सक्षम कार्यात्मक समूह होते हैं। इनकी मूल संरचना को तीन भागों में विभाजित किया जा सकता है: बहुलक आधार, स्थिर आयनिक समूह और गतिशील प्रतिआयन। विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए पूरी तरह से भिन्न सामग्री प्रणालियों का चयन किया जाता है। आयन-विनिमय झिल्लियों का एक ही मुख्य कार्य होता है: वे केवल विशिष्ट आवेशित आयनों को ही गुजरने देती हैं जबकि अन्य आयनों या अणुओं को रोकती हैं। (यह लेख डोंगशेंग प्रेशियस मेटल्स रीसाइक्लिंग कंपनी द्वारा लिखा गया है।)
लेख की विषयवस्तु
आयन एक्सचेंज मेम्ब्रेन का चयन कैसे करें?
आयन विनिमय झिल्लियों के विभिन्न प्रकार क्या हैं?
विभिन्न आयन विनिमय झिल्लियों में प्रयुक्त सामग्री और उनके अनुप्रयोग
आयन एक्सचेंज मेम्ब्रेन निर्माताओं के बारे में विस्तृत जानकारी
परफ्लोरोसल्फोनीक अम्ल झिल्ली (प्रोटॉन विनिमय झिल्ली)
इलेक्ट्रोडायलिसिस/द्विध्रुवीय झिल्ली क्षेत्र
आयन एक्सचेंज मेम्ब्रेन का चयन किसी स्पेसिफिकेशन शीट से उच्चतम मान चुनने के बारे में नहीं है, बल्कि फीड सॉल्यूशन की संरचना और परिचालन स्थितियों के अनुरूप मेम्ब्रेन का चयन करने के बारे में है। सबसे पहले, पुष्टि करें कि फीड सॉल्यूशन में मुक्त क्लोरीन, प्रबल ऑक्सीकारक एजेंट या कार्बनिक विलायक मौजूद हैं या नहीं, क्योंकि ये तीनों कारक सीधे तौर पर निर्धारित करते हैं कि आपको परफ्लोरोसल्फोनिक एसिड मेम्ब्रेन का उपयोग करना चाहिए या आप अधिक लागत प्रभावी हाइड्रोकार्बन मेम्ब्रेन का विकल्प चुन सकते हैं। इसके बाद, तापमान पर विचार करें: 40°C से अधिक तापमान पर हाइड्रोकार्बन मेम्ब्रेन के दीर्घकालिक संचालन से सल्फोनिक एसिड समूहों का विखंडन और मेम्ब्रेन मैट्रिक्स का फूलना तेज हो जाता है। ऐसे मामलों में, आपको परफ्लोरीनेटेड मेम्ब्रेन या PTFE-प्रबलित मेम्ब्रेन में अपग्रेड करना होगा। वर्तमान घनत्व आवश्यकताएं मेम्ब्रेन सतह प्रतिरोध के चयन की सीमा निर्धारित करती हैं। कम ऊर्जा खपत के उद्देश्य से इलेक्ट्रोडायलाइसिस विलवणीकरण के लिए, 2 और 4 Ω•cm² के बीच सतह प्रतिरोध वाले उत्पादों का चयन करें। यदि नमक की सांद्रता 150 g/L या उससे अधिक है, तो प्राथमिकता दें कि क्या चयनात्मकता अभी भी 90% या उससे अधिक बनी रह सकती है। आयन एक्सचेंज झिल्लियों को वास्तविक फ़ीड घोल के साथ स्थिर विसर्जन परीक्षण से गुजरना चाहिए, विशेष रूप से द्विध्रुवीय झिल्ली अम्ल और क्षार उत्पादन कार्यों के लिए, ताकि 24 घंटों में लौह आयन संदूषण प्रवाह में होने वाली कमी को मापा जा सके।
आयन विनिमय झिल्लियों के पाँच प्रकार होते हैं: परफ्लोरोसल्फोनीक अम्ल झिल्ली, समरूप हाइड्रोकार्बन आयन विनिमय झिल्ली, समरूप हाइड्रोकार्बन धनायन विनिमय झिल्ली, विषम झिल्ली और द्विध्रुवीय झिल्ली।
परफ्लोरोसल्फोनीक अम्ल झिल्ली सभी प्रकार की आयन विनिमय झिल्लियों में सबसे अधिक रासायनिक रूप से स्थिर होती हैं। ये 0.5 मिलीग्राम/लीटर तक की उच्च मुक्त क्लोरीन सांद्रता के दीर्घकालिक संपर्क को बिना किसी क्षरण के सहन कर सकती हैं। इनकी मोटाई आमतौर पर 25 से 180 माइक्रोमीटर तक होती है, और पूरी तरह से गीली अवस्था में 80°C पर प्रोटॉन चालकता 0.1 S/cm से अधिक हो सकती है। ये 0 से 14 तक के संपूर्ण pH मान में स्थिर रहती हैं।
समरूप हाइड्रोकार्बन धनायन विनिमय झिल्लियाँ सल्फोनेटेड स्टाइरीन-डिविनाइलबेंजीन या सल्फोनेटेड पॉलीईथरईथरकेटोन को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करती हैं। इनकी आयन विनिमय क्षमता 1.6 से 2.4 meq/g तक होती है, और इनका सतही प्रतिरोध 1.5 से 5 Ω• cm² तक होता है, तथा ये आमतौर पर 1 से 13 तक के pH मान को सहन कर सकती हैं। इनका निरंतर परिचालन तापमान 40°C से अधिक नहीं होता है, और मानक सोडियम क्लोराइड प्रणाली में इनकी चयनात्मक पारगम्यता 93% से अधिक होती है।
समरूप हाइड्रोकार्बन आयन विनिमय झिल्लियों में पॉलीस्टाइरीन या पॉलीसल्फोन बैकबोन पर स्थिर चतुर्धातुक अमोनियम समूह का उपयोग किया जाता है। आयन प्रवासन संख्या सामान्यतः 0.95 या उससे अधिक होती है; हालाँकि, क्षार प्रतिरोध विभिन्न ब्रांडों में काफी भिन्न होता है। मानक श्रेणी की झिल्लियों में, pH 12 से अधिक होने पर चतुर्धातुक अमोनियम समूह हॉफमैन विलोपन और अपघटन से गुजरते हैं, जबकि क्षार-प्रतिरोधी संशोधित संस्करण 40°C पर थोड़े समय के लिए 5% सोडियम हाइड्रॉक्साइड का सामना कर सकते हैं।
विषम झिल्लियों का निर्माण आयन एक्सचेंज रेज़िन पाउडर (200-400 मेश) को पॉलीइथिलीन या पॉलीप्रोपाइलीन बाइंडर के साथ कैलेन्डरिंग करके किया जाता है। झिल्ली का प्रतिरोध आमतौर पर 5 से 15 Ω•cm² होता है, और इसकी फटने की क्षमता केवल 0.2 से 0.4 MPa होती है; हालांकि, इनकी लागत समरूप झिल्लियों की तुलना में एक तिहाई से एक पांचवां हिस्सा हो सकती है, जिससे ये प्राथमिक खारे पानी के विलवणीकरण और उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होती हैं जिनमें उच्च चयनात्मकता की आवश्यकता नहीं होती है।
द्विध्रुवीय झिल्लियों का निर्माण धनायनिक झिल्ली परत, ऋणायनिक झिल्ली परत और मध्यवर्ती उत्प्रेरक परत को एक साथ गर्म दबाव विधि से दबाकर किया जाता है। इनका जल वियोजन वोल्टेज 1.0 से 1.2 वोल्ट तक होता है और 800 A/m² पर इनकी धारा दक्षता 95% से 98% तक पहुँच सकती है। ये एकमात्र आयन-विनिमय झिल्लियाँ हैं जो विद्युत क्षेत्र के अंतर्गत H⁺ और OH⁻ को यथास्थान उत्पन्न करने में सक्षम हैं।
परफ्लोरोसल्फोनीक अम्ल झिल्लियों का निर्माण टेट्राफ्लोरोएथिलीन और परफ्लोरोसल्फोनीलफ्लोरोएथिलीन ईथर के सह-पॉलिमरीकरण द्वारा परफ्लोरोसल्फोनीक अम्ल राल बनाकर किया जाता है, जिसे बाद में पिघले हुए पदार्थ से निकाला जाता है या घोल से ढाला जाता है; प्रबलित संस्करणों का निर्माण ईपीटीएफई सूक्ष्म छिद्रयुक्त जाल को परफ्लोरीनयुक्त राल से संतृप्त करके किया जाता है। आयन विनिमय झिल्ली निर्माता इन झिल्लियों का उपयोग क्लोर-क्षार विद्युत अपघटन में 32% कास्टिक सोडा के उत्पादन के लिए, पीईएम जल विद्युत अपघटन में हरित हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए, प्रोटॉन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल में विद्युत उत्पादन के लिए, और सभी-वैनेडियम प्रवाह बैटरियों में एनोड और कैथोड इलेक्ट्रोलाइट्स को पृथक करने के लिए करते हैं। समरूप कार्बन-हाइड्रोजन एनोड झिल्लियों का निर्माण सल्फोनेटेड पॉलीस्टाइरीन-डिविनाइलबेंजीन सह-पॉलिमर या सल्फोनेटेड पॉलीईथरईथरकेटोन को डीएमएफ या एनएमपी में घोलकर और घोल को ढालकर किया जाता है; इसमें आंतरिक पॉलिएस्टर जाल सुदृढ़ीकरण होता है। इनका उपयोग खारे पानी के विलवणीकरण के लिए इलेक्ट्रोडायलाइसिस में, नमक उत्पादन के लिए समुद्री जल को 180 ग्राम/लीटर कुल घुलित ठोस (टीडीएस) तक पूर्व-सांद्रित करने में, कार्बनिक अम्ल लवणों को कार्बनिक अम्लों में परिवर्तित करने में और अमीनो अम्ल किण्वन घोल के विलवणीकरण में किया जाता है। समरूप हाइड्रोकार्बन आयन विनिमय झिल्लियाँ पॉलीस्टाइरीन-डिविनाइलबेंजीन के क्लोरोमेथिलीकरण और फिर ट्राइमेथाइलामाइन के साथ चतुर्भुजीकरण द्वारा निर्मित की जाती हैं। ये इस्पात पिकलिंग अपशिष्ट तरल से मुक्त अम्लों की पुनर्प्राप्ति के लिए विसरण डायलिसिस में आयन-चयनात्मक अवरोधक के रूप में और शून्य-निर्वहन अनुप्रयोगों के लिए उच्च-लवणता वाले इलेक्ट्रोडायलाइसिस अपशिष्ट जल के सांद्रण में कार्य करती हैं। विषम झिल्लियाँ तैयार धनायनिक और ऋणायनिक विनिमय राल पाउडर को पॉलीइथिलीन के साथ मिश्रित और कैलेंडरिंग करके निर्मित की जाती हैं। इनका उपयोग कम कठोर झिल्ली प्रदर्शन आवश्यकताओं वाले अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे नगरपालिका जल का प्राथमिक विलवणीकरण और शीतलन परिसंचरण जल से अपशिष्ट जल की पुनर्प्राप्ति। दूसरी ओर, द्विध्रुवीय झिल्लियाँ मिश्रित संरचनाएँ होती हैं जिनमें हाइड्रोकार्बन आयन और धनायन विनिमय परतें होती हैं, जिनके बीच में पॉलीइथिलीनइमाइन या टाइटेनियम डाइऑक्साइड की एक अंतरास्थि उत्प्रेरक परत होती है। इनका उपयोग सोडियम सल्फेट अपशिष्ट जल से सल्फ्यूरिक अम्ल और सोडियम हाइड्रॉक्साइड के प्रत्यक्ष पुनर्जनन के साथ-साथ सोडियम ग्लूकोनेट को उच्च-शुद्धता वाले ग्लूकोनिक अम्ल में इलेक्ट्रोडायलाइटिक रूपांतरण के लिए किया जाता है।
केमर्स (यूएस) — नैफियन™
उद्योग का "सर्वोत्तम मानक" : परफ्लोरोसल्फोनीक एसिड मेम्ब्रेन का आविष्कारक और निर्विवाद अग्रणी, जो क्लोर-अल्कली से लेकर फ्यूल सेल और फ्लो बैटरी तक, सबसे व्यापक उत्पाद श्रृंखला पेश करता है।
अद्वितीय रासायनिक स्थिरता : दशकों से औद्योगिक स्तर पर प्रमाणित; प्रबल अम्लों, प्रबल क्षारों और प्रबल ऑक्सीकरण एजेंटों के प्रति प्रतिरोधी; इसका जीवनकाल और विश्वसनीयता प्रतिस्पर्धियों के लिए मानक के रूप में कार्य करती है।
कमियां : महंगा; शुष्क और गीले दोनों स्थितियों में काफी विरूपण (गैर-प्रबलित प्रकारों में); निर्यात नियंत्रणों के कारण आपूर्ति कभी-कभी प्रभावित होती है।
विशेषताएं : उच्च प्रदर्शन, लेकिन साथ ही सबसे अधिक लागत भी।
गोर (अमेरिका) — गोर-सेलेक्ट®
प्रबलित मिश्रित झिल्लियों में अग्रणी और नेता : ईपीटीएफई सूक्ष्म छिद्रयुक्त झिल्लियों को परफ्लोरोसल्फोनीक एसिड राल से संसेचित करके, यह शुद्ध झिल्लियों में महत्वपूर्ण शुष्क और गीली विकृति की समस्या का समाधान करता है।
ऑटोमोटिव फ्यूल सेल में बेहद उच्च बाजार हिस्सेदारी : टोयोटा मिराई और हुंडई नेक्सो जैसे बड़े पैमाने पर उत्पादित हाइड्रोजन वाहनों के लिए लंबे समय से पसंदीदा आपूर्तिकर्ता।
अति पतली और उच्च चालकता : उत्कृष्ट प्रोटॉन चालकता और उच्च यांत्रिक शक्ति के साथ, अत्यंत पतली झिल्लियाँ (दसियों माइक्रोमीटर) बनाने में सक्षम।
स्थिति निर्धारण : कंपनी शुद्ध झिल्ली नहीं बेचती है, बल्कि "प्रबलित मिश्रित झिल्ली" बेचती है, जिससे वह केमर्स से अलग एक विशिष्ट प्रतिस्पर्धी रणनीति स्थापित करती है।
असाही कासेई (जापान) - एसिप्लेक्स™
क्लोरो-क्षार झिल्ली के क्षेत्र में दो वैश्विक द्वैतवादियों में से एक (केमर्स के साथ), जिनके पास खारे पानी के विद्युत अपघटन के माध्यम से कास्टिक सोडा के उत्पादन में दशकों की विशेषज्ञता है।
समुद्री जल के विलवणीकरण और सांद्रण के लिए झिल्लियों में इसके अद्वितीय लाभ हैं; जापान में लगभग सभी इलेक्ट्रोडायलाइसिस-आधारित नमक उत्पादन में एसीप्लेक्स का उपयोग किया जाता है।
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन उत्पाद ईंधन सेल को भी कवर करते हैं, जो मजबूत प्रदर्शन प्रदान करते हैं और जापान की घरेलू आपूर्ति श्रृंखला में एक महत्वपूर्ण स्थान रखते हैं।
विशेषताएं: व्यापक प्रौद्योगिकी पोर्टफोलियो, जिसमें क्लोर-क्षार झिल्ली से लेकर ईंधन सेल झिल्ली और इलेक्ट्रोडायलिसिस झिल्ली तक शामिल हैं।
एजीसी असाही ग्लास (जापान) — सेलेमियन™ / फोरब्लू™
परफ्लोरीनेटेड मेम्ब्रेन के क्षेत्र में एक और जापानी दिग्गज कंपनी, असाही कासेई के साथ मिलकर घरेलू बाजार में एकाधिकार स्थापित कर रही है।
इसके क्लोर-क्षार झिल्ली (फ्लेमियन श्रृंखला) का लंबा इतिहास है, जो इसे क्लोर-क्षार उद्योग के अग्रणी आपूर्तिकर्ताओं में से एक बनाता है।
सेलेमियन श्रृंखला की इलेक्ट्रोडायलाइसिस झिल्लियां अम्लों, क्षारों और कार्बनिक विलायकों के प्रति उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदान करती हैं, और पदार्थ पृथक्करण में इनका अनूठा अनुप्रयोग है।
विशेषताएं: परफ्लोरीनयुक्त और हाइड्रोकार्बन इलेक्ट्रोडायलाइसिस झिल्ली दोनों को कवर करते हुए, मजबूत सामग्री अनुसंधान एवं विकास क्षमताएं, व्यापक उत्पाद श्रृंखला के साथ।
सोलवे (बेल्जियम) — एक्विवियन®
लघु-श्रृंखला परफ्लोरोसल्फोनीक अम्ल झिल्लियों का एकमात्र प्रमुख आपूर्तिकर्ता (अन्य सभी दीर्घ-श्रृंखला झिल्लियों का उपयोग करते हैं)
उच्च तापमान और कम आर्द्रता की स्थितियों में प्राकृतिक लाभ: लघु-श्रृंखला झिल्लियों में उच्च कांच संक्रमण तापमान और उच्च क्रिस्टलीयता होती है, जिससे कम आर्द्रता/उच्च तापमान की स्थितियों में भी अच्छी प्रोटॉन चालकता बनी रहती है।
विशिष्ट अनुप्रयोग: उच्च तापमान वाले पीईएम ईंधन सेल, विशेष इलेक्ट्रोलाइट और अन्य चुनौतीपूर्ण परिचालन स्थितियों के लिए उपयुक्त।
विशेषताएं: विशिष्ट तकनीकी दृष्टिकोण के माध्यम से प्रतिस्पर्धी भिन्नता
एस्टॉम (जापान) — नियोसेप्टा®
इलेक्ट्रोडायलाइसिस मेम्ब्रेन के लिए "गोल्ड स्टैंडर्ड": इलेक्ट्रोडायलाइसिस क्षेत्र में वैश्विक बाजार में सबसे बड़ी हिस्सेदारी रखता है और सबसे व्यापक उत्पाद श्रृंखला प्रदान करता है।
व्यापक कवरेज: मानक आयन और धनायन विनिमय झिल्ली, एकल-संयोजक चयनात्मक झिल्ली, अम्ल और क्षार प्रतिरोधी झिल्ली, द्विध्रुवीय झिल्ली और विसरण डायलिसिस झिल्ली—सभी उपलब्ध हैं।
उत्कृष्ट स्थिरता: औद्योगिक परिवेश में लंबे परिचालन जीवनकाल के साथ प्रदर्शन में धीमी गिरावट; इलेक्ट्रोडायलाइसिस परियोजनाओं के लिए इसे "सुरक्षित विकल्प" माना जाता है।
कमियां: उच्च कीमत, लंबी डिलीवरी अवधि और कभी-कभी चीनी बाजार में आपूर्ति की अस्थिरता
विशेषताएं: विश्वसनीयता और प्रदर्शन को प्राथमिकता देने वाले इलेक्ट्रोडायलाइसिस अनुप्रयोगों के लिए, ASTOM सर्वोत्तम विकल्प है।
फ्यूमाटेक (जर्मनी) — फ्यूमासेप®
एक उच्चस्तरीय, जर्मन निर्मित गैर-फ्लोरीनयुक्त झिल्ली ब्रांड जो समरूप और द्विध्रुवीय झिल्लियों में विशेषज्ञता रखता है।
असाधारण रूप से उच्च अम्ल प्रतिरोध: सांद्रित अम्ल वातावरण में स्थिरता और दीर्घायु इसकी प्रमुख खूबियाँ हैं।
प्रयोगशाला से लेकर औद्योगिक स्तर तक के मॉडल उपलब्ध कराने वाली परिपक्व द्विध्रुवी झिल्ली उत्पाद श्रृंखला।
विशेषताएं: उच्च स्तरीय, अनुकूलित समाधानों पर केंद्रित, जो कठोर प्रदर्शन आवश्यकताओं वाले विशेष अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं।
केमर्स, नैफियन प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन की पूरी श्रृंखला की आपूर्ति करता है। उन्नत नैफियन एक्सएल 100% नमी की मात्रा पर 300 एमपीए से अधिक
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