أغشية التبادل الأيوني هي في الأساس فئة من الأغشية البوليمرية التي تحتوي على مجموعات وظيفية قادرة على تبادل الأيونات. يمكن تقسيم بنيتها الأساسية إلى ثلاثة أجزاء: هيكل بوليمري، ومجموعات أيونية ثابتة، وأيونات معاكسة متحركة. تُختار أنظمة مواد مختلفة تمامًا لتطبيقات مختلفة. تؤدي أغشية التبادل الأيوني وظيفة أساسية واحدة: فهي تسمح فقط بمرور أيونات مشحونة محددة، بينما تمنع مرور الأيونات أو الجزيئات الأخرى. (كُتب هذا المقال بواسطة شركة دونغشنغ لإعادة تدوير المعادن الثمينة ).
محتويات المقال
كيفية اختيار غشاء التبادل الأيوني؟
ما هي الأنواع المختلفة لأغشية التبادل الأيوني؟
المواد المستخدمة في أغشية التبادل الأيوني المختلفة وتطبيقاتها
معلومات تفصيلية عن مصنعي أغشية التبادل الأيوني
أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك (أغشية تبادل البروتونات)
قطاع الأغشية ثنائية القطب/التحليل الكهربائي
لا يقتصر اختيار غشاء التبادل الأيوني على اختيار أعلى قيمة من ورقة المواصفات، بل يتعلق بمطابقة الغشاء مع تركيبة محلول التغذية وظروف التشغيل. أولًا، تأكد مما إذا كان محلول التغذية يحتوي على الكلور الحر، أو عوامل مؤكسدة قوية، أو مذيبات عضوية، لأن هذه العوامل الثلاثة تحدد بشكل مباشر ما إذا كان يجب استخدام أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك أو يمكن اختيار أغشية الهيدروكربون الأقل تكلفة. ثانيًا، ضع في اعتبارك درجة الحرارة: فالتشغيل طويل الأمد لأغشية الهيدروكربون في درجات حرارة تتجاوز 40 درجة مئوية يُسرّع من انفصال مجموعات حمض السلفونيك وانتفاخ مصفوفة الغشاء. في مثل هذه الحالات، يجب الترقية إلى أغشية مشبعة بالفلور أو أغشية مُدعمة بمادة PTFE. تحدد متطلبات كثافة التيار نطاق اختيار مقاومة سطح الغشاء. لتحلية المياه بالتحليل الكهربائي بهدف خفض استهلاك الطاقة، اختر منتجات ذات مقاومة سطحية تتراوح بين 2 و4 أوم.سم². إذا كان تركيز الملح مُركزًا إلى 150 غ/لتر أو أعلى، فأعطِ الأولوية لما إذا كان من الممكن الحفاظ على الانتقائية عند 90% أو أعلى. يجب أن تخضع أغشية التبادل الأيوني لاختبار الغمر الثابت مع محلول التغذية الفعلي، وخاصة بالنسبة لعمليات إنتاج الأحماض والقلويات ذات الأغشية ثنائية القطب، لقياس انخفاض تدفق تلوث أيونات الحديد على مدار 24 ساعة.
هناك خمسة أنواع من أغشية التبادل الأيوني: أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك، وأغشية التبادل الأنيوني المتجانسة للهيدروكربون، وأغشية التبادل الكاتيوني المتجانسة للهيدروكربون، والأغشية غير المتجانسة، والأغشية ثنائية القطب.
تُعدّ أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك أكثر أغشية التبادل الأيوني استقرارًا كيميائيًا من بين جميع الأنواع. فهي قادرة على تحمّل التعرّض طويل الأمد لتركيزات الكلور الحر التي تصل إلى 0.5 ملغم/لتر دون أن تتدهور. يتراوح سمكها عادةً بين 25 و180 ميكرومترًا، ويمكن أن تتجاوز موصليتها البروتونية 0.1 سيمنز/سم عند 80 درجة مئوية في ظروف التبلل الكامل. كما أنها تحافظ على استقرارها عبر نطاق الأس الهيدروجيني الكامل من 0 إلى 14.
تستخدم أغشية التبادل الكاتيوني المتجانسة للهيدروكربونات مادة الستايرين-ديفينيل بنزين المُسلفنة أو بولي إيثر إيثر كيتون المُسلفن كمادة أساسية. تتراوح سعة التبادل الأيوني لهذه الأغشية بين 1.6 و2.4 ملي مكافئ/غرام، وتتراوح مقاومتها السطحية بين 1.5 و5 أوم.سم²، وهي تتحمل عادةً نطاقًا من الرقم الهيدروجيني يتراوح بين 1 و13. لا تتجاوز درجة حرارة التشغيل المستمر 40 درجة مئوية، وتتجاوز نفاذيتها الانتقائية في نظام كلوريد الصوديوم القياسي 93%.
تستخدم أغشية التبادل الأيوني المتجانسة للهيدروكربونات مجموعات الأمونيوم الرباعية المثبتة على هيكل من البوليسترين أو البولي سلفون. يبلغ معامل هجرة الأنيونات عادةً 0.95 أو أعلى؛ ومع ذلك، تختلف مقاومة القلويات اختلافًا كبيرًا بين العلامات التجارية. في الأغشية ذات الجودة القياسية، تخضع مجموعات الأمونيوم الرباعية لتفاعل هوفمان للإزالة والتحلل عندما يتجاوز الرقم الهيدروجيني 12، بينما يمكن للأنواع المعدلة المقاومة للقلويات تحمل هيدروكسيد الصوديوم بنسبة 5% عند 40 درجة مئوية لفترات قصيرة.
تُصنع الأغشية غير المتجانسة عن طريق دحرجة مسحوق راتنج التبادل الأيوني (200-400 مش) مع مادة رابطة من البولي إيثيلين أو البولي بروبيلين. تتراوح مقاومة الغشاء عادةً بين 5 و15 أوم.سم²، وقوة تحمله للضغط تتراوح بين 0.2 و0.4 ميجا باسكال فقط؛ ومع ذلك، قد تكون تكلفتها ثلث إلى خُمس تكلفة الأغشية المتجانسة، مما يجعلها مناسبة لتحلية المياه قليلة الملوحة الأولية والتطبيقات التي لا تتطلب انتقائية عالية.
تُصنع الأغشية ثنائية القطب عن طريق الضغط الحراري لطبقة غشائية كاتيونية، وطبقة غشائية أنيونية، وطبقة محفزة وسيطة. يتراوح جهد تفكك الماء فيها بين 1.0 و1.2 فولت، ويمكن أن تصل كفاءة التيار فيها إلى 95% إلى 98% عند 800 أمبير/م². وهي أغشية التبادل الأيوني الوحيدة القادرة على توليد أيونات الهيدروجين (H⁺) وأيونات الهيدروكسيل (OH⁻) في الموقع تحت تأثير مجال كهربائي.
تُصنع أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك عن طريق بلمرة رباعي فلورو الإيثيلين مع إيثر بيرفلوروسلفونيل فلورو الإيثيلين لتكوين راتنج حمض البيرفلوروسلفونيك، والذي يُبثق بعد ذلك من حالة مصهورة أو يُصب من محلول لتشكيل الغشاء. أما النسخ المُدعمة فتُصنع عن طريق تشريب شبكة دقيقة المسام من مادة ePTFE براتنج بيرفلورين. يستخدم مصنّعو أغشية التبادل الأيوني هذه الأغشية في التحليل الكهربائي للكلور والقلويات لإنتاج صودا كاوية بنسبة 32%، وفي التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء تبادل البروتونات لإنتاج الهيدروجين الأخضر، وفي خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات لتوليد الطاقة، وفي بطاريات تدفق الفاناديوم بالكامل لعزل إلكتروليتات الأنود والكاثود. تُصنع أغشية الأنود المتجانسة من الكربون والهيدروجين عن طريق إذابة كوبوليمر بوليسترين-ديفينيل بنزين المُسلفن أو بولي إيثر إيثر كيتون المُسلفن في ثنائي ميثيل فورماميد أو N-ميثيل بيروليدون وصبّ المحلول، مع تقوية داخلية بشبكة من البوليستر. تُستخدم هذه الأغشية في التحليل الكهربائي لتحلية المياه قليلة الملوحة، وتركيز مياه البحر مسبقًا إلى 180 غ/ل من إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) لإنتاج الأملاح، وتحويل أملاح الأحماض العضوية إلى أحماض عضوية، وتحلية مزارع تخمير الأحماض الأمينية. تُصنع أغشية التبادل الأيوني المتجانسة للهيدروكربونات عن طريق كلوروميثلة بوليسترين-ديفينيل بنزين ثم إضافة مجموعة رباعية إليه باستخدام ثلاثي ميثيل أمين. وتعمل هذه الأغشية كحواجز انتقائية للأنيونات في غسيل الكلى الانتشارى لاستخلاص الأحماض الحرة من سائل نفايات تخليل الصلب، وفي تركيز مياه الصرف الناتجة عن التحليل الكهربائي عالية الملوحة لتطبيقات الصرف الصفري. أما الأغشية غير المتجانسة، فتُصنع عن طريق مزج وتشكيل مساحيق راتنجات التبادل الكاتيونية والأنيونية الجاهزة مع البولي إيثيلين. وتُستخدم هذه الأغشية في التطبيقات ذات متطلبات أداء الأغشية الأقل صرامة، مثل التحلية الأولية لمياه الشرب واستعادة المياه العادمة من مياه التبريد. أما الأغشية ثنائية القطب، فهي عبارة عن هياكل مركبة تتكون من طبقات تبادل أيوني من الهيدروكربونات (أنيونات وكاتيونات) تفصل بينها طبقة محفزة بينية من البولي إيثيلين إيمين أو ثاني أكسيد التيتانيوم. وتُستخدم هذه الأغشية لإعادة توليد حمض الكبريتيك وهيدروكسيد الصوديوم مباشرةً من مياه الصرف الصحي المحتوية على كبريتات الصوديوم، بالإضافة إلى تحويل غلوكونات الصوديوم إلى حمض غلوكونيك عالي النقاء باستخدام التحليل الكهربائي.
كيمورز (الولايات المتحدة) - نافيون™
المعيار الذهبي في هذه الصناعة : المخترع والرائد بلا منازع في مجال أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك، حيث يقدم مجموعة منتجات شاملة تغطي كل شيء من الكلور القلوي إلى خلايا الوقود وبطاريات التدفق.
استقرار كيميائي لا مثيل له : عقود من الاعتماد الصناعي؛ مقاومة للأحماض القوية والقلويات القوية وعوامل الأكسدة القوية؛ عمر المنتج وموثوقيته بمثابة معايير للمنافسين.
العيوب : مكلف؛ تشوه كبير في حالتي الجفاف والرطوبة (الأنواع غير المقواة)؛ يتأثر التوريد أحيانًا بضوابط التصدير
الخصائص : أداء عالٍ، ولكن أيضاً أعلى تكلفة.
غور (الولايات المتحدة) - غور-سيليكت®
الرائد والقائد في مجال الأغشية المركبة المقواة : من خلال تشريب أغشية ePTFE المسامية الدقيقة براتنج حمض البيرفلوروسلفونيك، يتم حل مشكلة التشوه الجاف والرطب الكبير في الأغشية النقية.
حصة سوقية عالية للغاية في خلايا وقود السيارات : مورد مفضل منذ فترة طويلة لمركبات الهيدروجين المنتجة بكميات كبيرة مثل تويوتا ميراي وهيونداي نيكسو.
رقيقة للغاية وذات موصلية عالية : قادرة على إنتاج أغشية رقيقة للغاية (عشرات الميكرومترات)، مع موصلية بروتونية ممتازة وقوة ميكانيكية عالية.
تحديد الموقع : لا تبيع الشركة أغشية نقية، بل تبيع "أغشية مركبة معززة"، مما يرسخ استراتيجية تنافسية متميزة عن شركة Chemours.
أساهي كاسي (اليابان) — Aciplex™
إحدى الشركتين العالميتين اللتين تحتكران سوق أغشية الكلور القلوي (إلى جانب شركة Chemours)، ولديها عقود من الخبرة في إنتاج الصودا الكاوية عن طريق التحليل الكهربائي للمحلول الملحي
تتمتع بمزايا فريدة في مجال الأغشية المستخدمة في تحلية مياه البحر وتركيزها؛ وتستخدم جميع عمليات إنتاج الملح تقريبًا في اليابان، والتي تعتمد على التحليل الكهربائي، تقنية Aciplex.
تشمل منتجات غشاء تبادل البروتونات أيضًا خلايا الوقود، حيث توفر أداءً قويًا وتحتل مكانة رئيسية في سلسلة التوريد المحلية في اليابان.
الميزات: مجموعة تقنية شاملة، تتراوح من أغشية الكلور القلوي إلى أغشية خلايا الوقود إلى أغشية التحليل الكهربائي.
شركة AGC Asahi Glass (اليابان) - Selemion™ / Forblue™
شركة يابانية عملاقة أخرى في مجال الأغشية المشبعة بالفلور، تشكل احتكارًا ثنائيًا في السوق المحلية إلى جانب شركة أساهي كاساي.
تتمتع أغشية الكلور القلوي (سلسلة فليميون) بتاريخ طويل، مما يجعلها واحدة من الموردين الرائدين لصناعة الكلور القلوي.
تتميز سلسلة أغشية التحليل الكهربائي Selemion بمقاومة فائقة للأحماض والقلويات والمذيبات العضوية، مع تطبيقات فريدة في فصل المواد.
الميزات: قدرات بحث وتطوير قوية للمواد، تغطي أغشية التحليل الكهربائي المصنوعة من البيرفلورين والهيدروكربون، مع خط إنتاج واسع
سولفاي (بلجيكا) - أكويفيون®
المورد الرئيسي الوحيد لأغشية حمض البيرفلوروسلفونيك قصيرة السلسلة (جميع الموردين الآخرين يستخدمون أغشية طويلة السلسلة)
مزايا طبيعية في ظروف درجات الحرارة العالية والرطوبة المنخفضة: تتميز الأغشية ذات السلاسل القصيرة بدرجات حرارة انتقال زجاجي عالية وبلورية عالية، مما يحافظ على توصيل جيد للبروتونات حتى في ظل ظروف الرطوبة المنخفضة ودرجات الحرارة العالية.
تطبيقات متخصصة: مناسبة لخلايا وقود PEM ذات درجة الحرارة العالية، والإلكتروليتات المتخصصة، وغيرها من السيناريوهات ذات ظروف التشغيل الصعبة
الخصائص: التمايز التنافسي من خلال نهج تكنولوجي مميز
أستوم (اليابان) - نيوسيبتا®
المعيار الذهبي لأغشية التحليل الكهربائي: تمتلك أعلى حصة سوقية عالمية في قطاع التحليل الكهربائي، وتقدم مجموعة منتجات شاملة للغاية.
تغطية شاملة: أغشية التبادل الأيوني القياسية (الأنيونية والكاتيونية)، والأغشية الانتقائية أحادية التكافؤ، والأغشية المقاومة للأحماض والقلويات، والأغشية ثنائية القطب، وأغشية غسيل الكلى الانتشارية - جميعها متوفرة
استقرار ممتاز: عمر تشغيلي طويل في البيئات الصناعية مع تدهور بطيء في الأداء؛ يُعتبر "الخيار الآمن" لمشاريع التحليل الكهربائي.
العيوب: ارتفاع السعر، وطول فترة التسليم، وعدم استقرار الإمدادات إلى السوق الصينية في بعض الأحيان
الخصائص: بالنسبة لتطبيقات التحليل الكهربائي التي تعطي الأولوية للموثوقية والأداء، فإن ASTOM هي الخيار الأمثل
فوماتيك (ألمانيا) - فوماسيب®
علامة تجارية ألمانية راقية متخصصة في الأغشية غير المفلورة، وتحديداً الأغشية المتجانسة وثنائية القطب.
مقاومة عالية استثنائية للأحماض: يُعدّ الاستقرار وطول العمر في بيئات الأحماض المركزة من أهم نقاط البيع.
خط إنتاج أغشية ثنائية القطب ناضج، مع توفر نماذج تتراوح من المختبرية إلى الصناعية
الميزات: تركز على الحلول المتطورة والمخصصة للتطبيقات المتخصصة ذات متطلبات الأداء الصارمة
تُوفر شركة Chemours مجموعة كاملة من أغشية تبادل البروتونات Nafion. يتميز غشاء Nafion XL المُحسّن بمعامل شد يزيد عن 300 ميجا باسكال عند محتوى رطوبة 100%. ووفقًا لعروض الأسعار المتاحة للجمهور على منصات مثل Membranes International، يتراوح سعر المتر المربع لأغشية Nafion 117 ذات السماكة القياسية بين 800 و1200 دولار أمريكي.
تم تركيب غشاء Gore-Select المركب المقوى من شركة Gore في أكثر من 40,000 وحدة في سيارات خلايا الوقود المنتجة بكميات كبيرة، مثل تويوتا ميراي وهيونداي نيكسو. يمكن تقليل سمك الغشاء إلى 12 ميكرومترًا مع الحفاظ على كثافة تيار نفاذية هيدروجين منخفضة للغاية . تعمل أغشية Aciplex الكلورية القلوية من شركة Asahi Kasei في أجهزة التحليل الكهربائي ذات القطبية الصفرية بجهد خلية مضبوط على أقل من 3.0 فولت لأكثر من أربع سنوات دون الحاجة إلى استبدالها. يقدم مصنعو أغشية التبادل الأيوني تركيبتين - منخفضة الجهد وعالية القوة - لتناسب ظروف التشغيل المختلفة.
يحقق غشاء الكاثود Neosepta ACS وغشاء الأنود CMX من ASTOM كفاءة تيار تتجاوز 92% في عمليات التحليل الكهربائي الصناعية، مما يجعلهما منتجين مرجعيين لمشاريع تحلية المياه وتركيزها. يتميز غشاء BP-1E ثنائي القطب بثبات جهد تفكك الماء عند أقل من 1.1 فولت، بينما يتمتع غشاء الأنود الانتقائي أحادي التكافؤ CIMS بمعامل انتقائية للأيونات أحادية التكافؤ يتجاوز 100.
تتميز أغشية التبادل الأيوني من سلسلة Fumasep FAS من شركة Fumatech بمعدلات تسرب منخفضة لحمض السلفونيك في البيئات شديدة الحموضة ذات مستويات الأس الهيدروجيني من 0 إلى 2. وعند استخدامها مع أغشية التبادل الأيوني المانعة للأحماض، يمكن لأغشية FBM ثنائية القطب الحد من هجرة الأحماض الشائبة إلى أقل من 0.2% في إنتاج الأحماض العضوية. وقد اجتاز غشاء التبادل البروتوني DF988 من شركة Dongyue Future Hydrogen Energy، والذي يتوافق مع مواصفات سمك غشاء Nafion 211، اختبارات المتانة لأكثر من 6000 ساعة في ظروف تشغيل خلايا الوقود.
يتحكم غشاء بطارية التدفق Nepem-1200 من شركة Suzhou Kerun في نفاذية أيون الفاناديوم إلى أقل من 5×10⁻⁷ سم²/دقيقة في محلول إلكتروليتي من الفاناديوم بتركيز 1.6 مول/لتر.
تحافظ أغشية التبادل الأيوني المتجانسة JCM-15 وJAM-15 من شركة بكين تينغرون على استقرار انخفاض الضغط عبر مجموعة الأغشية في مشاريع تركيز التحليل الكهربائي الصناعية. ويبلغ سعر التوريد بالجملة للغشاء ثنائي القطب JBM-1 ما بين 1800 و2500 دولار أمريكي للمتر المربع، أي أقل بنسبة 30% إلى 40% من سعر الأغشية المستوردة ذات المواصفات نفسها.
عرض الصفحات ذات الصلة
دليل لأفضل 10 شركات مصنعة لأجهزة التحليل الكهربائي بتقنية PEM
الدليل الشامل لشراء وإعادة تدوير أجهزة التحليل الكهربائي PEM
إعادة تدوير أحواض الطلاء الكهربائي لصناعة الطلاء الكهربائي
إعادة تدوير أجزاء محلل الماء الكهربائي بتقنية الأغشية الغشائية الأيونية (AEM)
نظرة عامة شاملة على خط إنتاج محلل الهيدروجين الكهربائي من شركة NEL حتى عام 2026
لغة
