Wysoka selektywność nie zawsze oznacza skuteczne oczyszczanie wody lub odzysk cennego surowca. Międzynarodowy zespół z udziałem naukowców Politechniki Wrocławskiej zaproponował nowy sposób oceny procesów selektywnej separacji jonów.

Rozwiązanie opisano w artykule „Comparative analysis of selective ion removal in electrochemical technologies reveals the need for a new data representation framework”, opublikowanym w czasopiśmie „Nature Water”.

Politechnikę Wrocławską reprezentują w zespole mgr inż. Piotr Śledzik oraz dr hab. inż. Sławomir Porada, prof. uczelni z Wydziału Chemicznego. Praca powstała we współpracy z naukowcami z Wageningen University & Research, Ben-Gurion University of the Negev oraz Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology.

Jedna liczba nie wystarczy

Selektywna separacja jonów jest potrzebna m.in. przy oczyszczaniu i ponownym wykorzystaniu wody oraz odzyskiwaniu wartościowych składników z roztworów. Celem może być zarówno usunięcie niepożądanego jonu z wody, jak i odzyskanie cennego składnika obecnego w mieszaninie.

Okrągłe osadniki w oczyszczalni ścieków. Fot. Adobe Stock.

– Do oceny takich procesów często wykorzystuje się współczynnik selektywności, czyli „separation factor”. Problem w tym, że wysoka selektywność nie musi oznaczać dobrego efektu separacji – mówi prof. Sławomir Porada.

Dobrym przykładem jest usuwanie toksycznego jonu z wody zawierającej również inne, nieszkodliwe jony. Proces może wykazywać bardzo wysoką selektywność względem usuwanego składnika, a jednocześnie usuwać tylko niewielką jego część. Dlatego sam współczynnik selektywności nie wystarcza do oceny, czy oczyszczanie wody jest rzeczywiście skuteczne.

– Dlatego zaproponowaliśmy sposób przedstawiania wyników oparty na zmianach stężenia poszczególnych jonów. Pozwala on jednocześnie ocenić, ile danego składnika rzeczywiście usunięto lub odzyskano, a także wyznaczyć m.in. selektywność, czystość produktu czy odzysk wody. Dzięki temu można łatwiej i bardziej rzetelnie porównywać różne technologie separacji – wyjaśnia prof. Porada.

To, które parametry są najważniejsze, zależy przy tym od celu procesu. Przy oczyszczaniu wody liczą się przede wszystkim stopień usunięcia zanieczyszczenia, odzysk wody i produktywność. Jeśli celem jest odzyskanie cennego składnika, większe znaczenie mają jego odzysk, czystość i selektywność.

Dwie technologie, różne możliwości

Nowe podejście wykorzystano do porównania dwóch procesów elektrochemicznych: elektrodializy (ED) i membranowej dejonizacji pojemnościowej (MCDI).

Oba procesy wykorzystują membrany jonowymienne i energię elektryczną, ale sposób ich działania jest inny. Elektrodializa pracuje w sposób ciągły, natomiast MCDI jest procesem cyklicznym, w którym elektrody są naprzemiennie ładowane i rozładowywane. Podczas ładowania jony są adsorbowane w elektrodach, a następnie uwalniane podczas rozładowania.

Ta cykliczność daje dodatkową możliwość sterowania procesem.

– Poszczególne jony mogą być adsorbowane i uwalniane z elektrod w różnym tempie. Odpowiedni wybór momentu przełączenia odbieranego strumienia pozwala więc zwiększyć udział jednego jonu i ograniczyć obecność drugiego – tłumaczy prof. Porada.

Oznacza to, że poprawę selektywności można w niektórych przypadkach uzyskać nie tylko przez zmianę membrany lub materiału elektrody, ale także przez odpowiednie sterowanie czasem pracy urządzenia.

– Przed zastosowaniem takiego rozwiązania w skali przemysłowej trzeba jednak zapewnić odpowiednią stabilność elektrod i powtarzalność procesu w czasie – zaznacza prof. Porada. – Kluczowe będzie również lepsze zrozumienie mechanizmów transportu jonów oraz znalezienie kompromisu pomiędzy selektywnością, odzyskiem, produktywnością i zużyciem energii.

Skąd „nieskończona selektywność”?

W publikacji pojawia się również pojęcie „nieskończonej selektywności”. Nie oznacza ono jednak nieskończonej wydajności procesu.

– Matematycznie taki przypadek występuje wtedy, gdy usuwamy tylko interesujący nas jon, natomiast zmiana stężenia drugiego jonu wynosi zero. Wtedy współczynnik selektywności dąży do nieskończoności – wyjaśnia naukowiec.

Autorzy pokazali, że w procesie cyklicznym MCDI taki efekt można uzyskać poprzez odpowiedni dobór momentów rozpoczęcia i zakończenia odbierania poszczególnych strumieni.

W przypadku jonów o wyraźnie różnych szybkościach transportu, takich jak sód i wapń, można wykorzystać różnice w ich kinetyce. Gdy jony zachowują się podobnie, jak sód i potas, pomocne mogą być również selektywne materiały.

Czystsza woda i odzysk surowców

Precyzyjne rozdzielanie jonów może mieć znaczenie m.in. w uzdatnianiu i ponownym wykorzystaniu wody, ochronie środowiska oraz odzyskiwaniu cennych składników ze ścieków, solanek i innych strumieni przemysłowych.

Oczyszczalnia ścieków widziana z lotu ptaka. Fot. Adobe Stock.

Proponowany w publikacji sposób analizy ma ułatwić rzetelne porównywanie różnych technologii separacji.

– Zamiast sprowadzać ocenę procesu do jednego współczynnika, możemy jednocześnie zobaczyć, ile wybranego składnika rzeczywiście usunęliśmy lub odzyskaliśmy i jaki produkt otrzymaliśmy. To pozwala znacznie lepiej ocenić, czy dana technologia rzeczywiście odpowiada potrzebom konkretnego zastosowania – podsumowuje prof. Porada.

Li K., Shocron A. N., Śledzik P., Rijnaarts H. H. M., Porada S. Dykstra J. E. "Comparative analysis of selective ion removal in electrochemical technologies reveals the need for a new data representation framework". Nature Water. 2026.