Kapacitiv deionisering - Capacitive deionization

En illustration af kapacitiv deioniseringsanordning.

Kapacitiv deionisering ( CDI ) er en teknologi til at afionisere vand ved at anvende en elektrisk potentialforskel over to elektroder, som ofte er lavet af porøst kulstof. Med andre ord er CDI en elektro-sorptionsmetode, der bruger en kombination af et sorptionsmedie og et elektrisk felt til at adskille ioner og ladede partikler. Anioner, ioner med negativ ladning, fjernes fra vandet og opbevares i den positivt polariserede elektrode. Ligeledes opbevares kationer (positiv ladning) i katoden, som er den negativt polariserede elektrode.

I dag anvendes CDI hovedsageligt til afsaltning af brakvand , hvilket er vand med en lav eller moderat saltkoncentration (under 10 g / L). Andre teknologier til deionisering af vand er blandt andet destillation , omvendt osmose og elektrodialyse . Sammenlignet med omvendt osmose og destillation anses CDI for at være en energieffektiv teknologi til afsaltning af brakvand. Dette skyldes hovedsageligt, at CDI fjerner saltionerne fra vandet, mens de andre teknologier ekstraherer vandet fra saltopløsningen.

Historisk er CDI blevet omtalt som elektrokemisk demineralisering, "elektrosorb-proces til afsaltning af vand" eller elektrosorption af saltioner. Det går også under navnene på kapacitiv afsaltning, eller i den kommercielle litteratur som "CapDI".

Historie

I 1960 blev begrebet elektrokemisk demineralisering af vand rapporteret af Blair og Murphy. I den undersøgelse blev det antaget, at ioner blev fjernet ved elektrokemiske reaktioner med specifikke kemiske grupper på kulpartiklerne i elektroderne. I 1968 blev den kommercielle relevans og langvarige drift af CDI demonstreret af Reid. I 1971 introducerede Johnson og Newman teori for iontransport i porøse kulelektroder til CDI og ionlagring i henhold til en kondensatormekanisme. Fra og med 1990 tiltrak CDI mere opmærksomhed på grund af udviklingen af ​​nye elektrodematerialer, såsom carbon aerogels og carbon nanorørelektroder. I 1996 beskrev Farmer et al. introducerede også udtrykket kapacitiv deionisering og brugte den nu almindeligt forkortede "CDI" for første gang. I 2004 blev membrankapacitiv deionisering introduceret i et patent fra Andelman.

Behandle

Adsorptions- og desorptionscyklusser

Driften af ​​et konventionelt CDI-system går gennem to faser: en adsorptionsfase, hvor vand afsaltes, og en desorptionsfase, hvor elektroderne regenereres. I adsorptionsfasen påføres en potentiel forskel over to elektroder, og ioner adsorberes fra vandet. I tilfælde af CDI med porøse kulelektroder transporteres ionerne gennem interpartikelporerne i den porøse kulelektrode til de intrapartikelporer, hvor ionerne er elektrosorberet i de såkaldte elektriske dobbeltlag (EDL'er). Efter at elektroderne er mættet med ioner, frigøres de adsorberede ioner til regenerering af elektroderne. Den potentielle forskel mellem elektroderne vendes eller reduceres til nul. På denne måde forlader ioner elektrodeporerne og kan skylles ud af CDI-cellen, hvilket resulterer i en effluentstrøm med en høj saltkoncentration, den såkaldte saltopløsning eller koncentrat. En del af det energiinput, der kræves i adsorptionsfasen, kan gendannes under dette desorptionstrin.

Adsorption af ioner fra brakvand for at afsalte det

Desorption af ioner fra brakkvand for at regenerere elektroderne

Ionadsorption i elektriske dobbeltlag

Ethvert gebyrbeløb skal altid kompenseres med det samme modbeløb. For eksempel er koncentrationen af ​​anionerne i en vandig opløsning lig med koncentrationen af ​​kationer. Imidlertid er der i EDL'erne dannet i intrapartikelporerne i en carbonbaseret elektrode et overskud af en type ion over den anden mulig, men det skal kompenseres med elektrisk ladning i kulstofmatricen. I en første tilnærmelse kan denne EDL beskrives ved hjælp af Gouy-Chapman-Stern-modellen, der skelner mellem tre forskellige lag:

• Den porøse kulstofmatrix, som indeholder den elektriske ladning i kulstofstrukturen.
• Et akterlag er placeret mellem kulstofmatrixen og det diffuse lag. Stern-laget er et dielektrisk lag, dvs. det adskiller to lag med ladning, men det bærer ikke nogen ladning selv.
• Det diffuse lag, hvor ionerne kompenserer den elektriske ladning af kulstofmatricen. Ionerne fordeles diffust i dette lag. Bredden på det diffuse lag kan ofte tilnærmes ved hjælp af Debye-længden, hvilket karakteriserer afstanden for koncentration af modioner for at falde med faktoren 1 / e. For at illustrere dette er Debye-længden ca. 3,1 nm ved 20 ° C og for en 10 mM NaCl-opløsning. Dette indebærer, at mere end 95% af den elektriske ladning i kulstofmatricen kompenseres i et diffust lag med en bredde på ca. 9 nm.

Når kulstofmatricen oplades, skal ladningen kompenseres med ionisk ladning i det diffuse lag. Dette kan gøres ved enten adsorption af modioner eller desorption af co-ioner (ioner med et lige ladetegn som det i kulstofmatricen).

Elektrisk dobbeltlag (model ifølge Gouy-Chapman-Stern-teorien)

Udover adsorptionen af ​​ioniske arter på grund af dannelsen af ​​EDL'er i de intrapartikelporer, kan ioner også danne en kemisk binding med overfladearealet af carbonpartiklerne. Dette kaldes specifik adsorption, mens adsorption af ioner i EDL'erne omtales som ikke-specifik adsorption.

Fordele ved kapacitiv deionisering

Skalerbar og enkel at betjene

CDI har lave investerings- og infrastrukturomkostninger, da processen diskuteret ovenfor ikke kræver høje tryk eller temperaturer i modsætning til membran- eller termiske processer.

Lave energiomkostninger til behandling af brakvand

I CDI skalerer energiomkostningen pr. Volumen behandlet vand omtrent med mængden af ​​fjernet salt, mens i andre teknologier såsom omvendt osmose skalerer afsaltningsenergi omtrent med volumen behandlet vand. Dette gør CDI til en levedygtig løsning til afsaltning af vandstrømme med lavt saltindhold eller mere specifikt brakvand.

Membrankapacitiv deionisering

Ved at indsætte to ionbyttermembraner opnås en modificeret form for CDI, nemlig membrankapacitiv deionisering. Denne ændring forbedrer CDI-cellen på flere måder:

• Co-ioner forlader ikke elektroderne under adsorptionsfasen som beskrevet ovenfor (se ionadsorption i elektriske dobbeltlag for forklaring). I stedet for, på grund af inklusionen af ​​ionbyttermembranerne, vil disse co-ioner blive opbevaret i elektrodernes interpartikelporer, hvilket forbedrer saltadsorptionseffektiviteten.
• Da disse ko-ioner ikke kan forlade elektroderne, og fordi den elektriske neutralitetsbetingelse gælder for interpartikelporer, skal ekstra modioner passere gennem ionbyttermembranerne, hvilket også giver anledning til en højere saltadsorption.
• Drift af MCDI ved konstant strømtilstand kan producere ferskvand med en stabil spildevandskoncentration (se konstant spænding vs. konstant strøm for mere information).
• Den krævede energiindgang for MCDI er lavere end for CDI.

Kapacitiv deionisering under adsorptionscyklussen

Membrankapacitiv deionisering under adsorptionscyklussen

Konstant spænding versus konstant strømtilstand

En CDI-celle kan betjenes i enten konstant spænding eller konstant strømtilstand.

Konstant spændingsdrift

Under adsorptionsfasen af ​​CDI ved konstant spænding falder saltudløbssaltkoncentrationen, men efter et stykke tid stiger udløbssaltkoncentrationen igen. Dette kan forklares ved, at EDL'erne (i tilfælde af et carbonbaseret CDI-system) er afladet i begyndelsen af ​​et adsorptionstrin, hvilket resulterer i en høj potentialforskel (elektrisk drivkraft på ionerne) over de to elektroder . Når flere ioner adsorberes i EDL'erne, øges EDL-potentialet, og den resterende potentialforskel mellem elektroderne, som driver iontransporten, aftager. På grund af den faldende ionfjernelseshastighed stiger spildevandskoncentrationen igen.

Konstant strømdrift

Da den ioniske ladning, der transporteres ind i elektroderne, er lig med den påførte elektriske strøm, tillader anvendelse af en konstant strøm en bedre kontrol af spildevandssaltkoncentrationen sammenlignet med konstant spændingsdrift. For et stabilt spildevand skal koncentrationsmembraner imidlertid indarbejdes i celledesignet (MCDI), da den elektriske strøm ikke kun inducerer modionadsorption, men også co-ionudtømning (se Membran kapacitiv deionisering vs. kapacitiv deionisering for en forklaring).

Cellegeometrier

Flow-by-tilstand

Elektroderne placeres i en stak med et tyndt afstandsstykkeområde imellem, gennem hvilket vandet strømmer. Dette er langt den mest almindeligt anvendte driftsform og elektroder, som fremstilles på en lignende måde som til elektriske dobbeltlagskondensatorer med en høj kulstofmassebelastning.

Gennemstrømningstilstand

I denne tilstand strømmer tilførselsvandet lige gennem elektroderne, dvs. vandet strømmer direkte gennem de porøse carbonelektroders interpartikelporer. Denne tilgang har fordelen ved, at ioner migrerer direkte gennem disse porer, og derved mindsker transportbegrænsninger, der opstår i flow-by-tilstand.

En illustration af strømningselektrodekapacitiv deioniseringsanordning

Flow-elektrode kapacitiv deionisering

Dette geometriske design kan sammenlignes med flow-by mode med inklusionen af ​​membraner foran begge elektroder, men i stedet for at have faste elektroder flyder en carbonsuspension (gylle) mellem membranerne og strømopsamleren. En potentiel forskel anvendes mellem begge kanaler med flydende kulstofopslæmninger, de såkaldte strømningselektroder, og vand afsaltes. Da kulopslæmningerne flyder, mættes ikke elektroderne, og derfor kan dette celledesign også bruges til afsaltning af vand med høje saltkoncentrationer (f.eks. Havvand med saltkoncentrationer på ca. 30 g / L). Et afladningstrin er ikke nødvendigt; efter at have forladt cellen blandes carbonopslæmningerne sammen, og carbonopslæmningen kan separeres fra en koncentreret saltvandstrøm.

Kapacitiv deionisering med ledninger

Ferskvandsstrømmen kan bringes til at strømme kontinuerligt i en modificeret CDI-konfiguration, hvor anode- og katodeelektrodeparene ikke er fastgjort i rummet, men fået til at bevæge sig cyklisk fra en strøm, hvor cellespændingen påføres og salt adsorberes, til en anden strøm, hvor cellespændingen reduceres og salt frigives.

Gennemstrømning af CDI-celle under adsorptionscyklussen

Flow-elektrode CDI-celle under adsorptionscyklussen

Elektrodematerialer

For en høj ydelse af CDI-cellen er elektrodematerialer af høj kvalitet af største betydning. I de fleste tilfælde er kulstof valget som porøst elektrodemateriale. Med hensyn til strukturen af ​​kulstofmaterialet er der flere overvejelser. Da en høj saltelektrosorptionskapacitet er vigtig, bør det specifikke overfladeareal og porestørrelsesfordelingen af ​​det carbon, der er tilgængeligt for ioner, være stort. Desuden skal det anvendte materiale være stabilt, og der bør ikke forekomme kemisk nedbrydning af elektroden (nedbrydning) i det spændingsvindue, der anvendes til CDI. Ionerne skal kunne bevæge sig hurtigt gennem kulens porenetværk, og kulstofets ledningsevne skal være høj. Endelig er omkostningerne ved elektrodematerialerne vigtige at tage i betragtning.

I dag er aktivt kul (AC) det almindeligt anvendte materiale, da det er den mest omkostningseffektive løsning, og det har et højt specifikt overfladeareal. Det kan fremstilles af naturlige eller syntetiske kilder. Andre kulstofmaterialer, der anvendes i CDI-forskning, er for eksempel ordnet mesoporøst kulstof, carbon-aerogeler, carbid-afledte carbonatomer , carbon-nanorør , grafen og carbon black . Nyere arbejde hævder, at mikroporer, især porer <1,1 nm, er de mest effektive til saltadsorption i CDI. For at mindske ulemperne forbundet med masseoverførsel og elektrisk dobbeltlags overlapning og samtidig udnytte fordelene ved højere overfladeareal og højere elektriske felter, der kommer med mikroporøs struktur, har innovative igangværende bestræbelser forsøgt at integrere fordelene ved mikroporer og mesoporer ved at fremstille hierarkiske porøse carbonatomer (HPC'er), der har flere niveauer af porøsiteter.

Aktivt kul, dog kun 4 USD / kg for råstofkulstof og 15 US $ / kg for stærkt oprenset, specielt valgt superkapacitorkulstof, forbliver dog meget billigere end alternativerne, der koster US $ 50 / kg eller mere. Større aktiverede kulelektroder er meget billigere end relativt små eksotiske kulelektroder og kan fjerne lige så meget salt for en given strøm. Ydelsesforøgelsen fra nye kulstoffer er utilstrækkelig til at motivere deres anvendelse på dette tidspunkt, især da stort set alle CDI-applikationer under seriøs nærtidsovervejelse er stationære applikationer, hvor enhedsstørrelse er en relativt mindre overvejelse.

I dag undersøges elektrodematerialer baseret på redox-kemi mere og mere, såsom natriummanganoxid (NMO) og preussiske blå analoger (PBA).

Energikrav

Da det ioniske indhold af vand blandes under en CDI-adsorptionscyklus, falder systemets entropi, og der kræves en ekstern energiindgang. Den teoretiske energiindgang for CDI kan beregnes som følger:

${\ displaystyle \ Delta G = R * T * \ Phi _ {v, frisk} * (C_ {feed} -C_ {frisk}) \ venstre [{\ frac {ln \ alpha} {1- \ alpha}} - {\ frac {ln \ beta} {1- \ alpha}} \ højre]}$

hvor R er gaskonstanten (8.314 J mol ⁻¹ K ⁻¹ ), T temperaturen (K), Φ _{v, frisk} , strømningshastigheden af ​​ferskvandsudstrømningen (m ³ / s), C _tilfører koncentrationen af ​​ioner i foderet vand (mol / m ³ ) og C _frisk ionkoncentrationen i ferskvand udstrømning (mol / m ³ ) af CDI celle. α er defineret C _feed / C _frisk og β som C _feed / C _conc , med C _conc koncentrationen af ​​ionerne i den koncentrerede udstrømning.

I praksis vil energibehovene være væsentligt højere (20 gange eller højere) end det teoretiske energiinput. Vigtige energikrav, som ikke er inkluderet i de teoretiske energikrav, er pumpning og tab i CDI-cellen på grund af interne modstande. Hvis MCDI og CDI sammenlignes for den krævede energi pr. Fjernet ion, har MCDI et lavere energibehov end CDI.

Sammenligning CDI med omvendt osmose vand med saltkoncentrationer lavere end 20 mM, laboratorieskala forskning viser, at energiforbruget i kWh pr m ³ ferskvand fremstilles, kan være lavere for MCDI end for omvendt osmose.

Store CDI-faciliteter

I 2007 blev et 10.000 ton CDI-anlæg i fuld skala bygget i Kina til forbedring af ESTPUREs genvundne vandkvalitet . Dette projekt muliggør reduktion af samlede opløste faste stoffer fra 1.000 mg / L til 250 mg / L og uklarhed fra 10 NTU til 1 NTU, en enhed, der indikerer en væskes uklarhed. Vandgenvindingen kan nå 75%. Det elektriske energiforbrug er 1 kWh / m ³ , og omkostningerne til vandbehandling er 0,22 dollars / m ³ . Nogle andre store projekter kan ses fra nedenstående tabel.

Referencer

eksterne links

• FCDI Research Laboratory , Dr. Dong Kook Kims gruppe ved Korea Institute of Energy Research, Republikken Korea