stringtranslate.com

Емкостная деионизация

емкостная деионизация
Иллюстрация емкостного деионизационного устройства. [1]

Емкостная деионизация ( CDI ) — это технология деионизации воды путем приложения разности электрических потенциалов к двум электродам, которые часто изготавливаются из пористого углерода. [2] Другими словами, CDI — это метод электросорбции, использующий комбинацию сорбционной среды и электрического поля для разделения ионов и заряженных частиц. [3] Анионы, ионы с отрицательным зарядом, удаляются из воды и сохраняются в положительно поляризованном электроде. Аналогично, катионы (положительный заряд) сохраняются в катоде, который является отрицательно поляризованным электродом.

Сегодня CDI в основном используется для опреснения солоноватой воды , которая представляет собой воду с низкой или умеренной концентрацией соли (ниже 10 г/л). [4] [5] [6] [7] Другими технологиями деионизации воды являются, среди прочего, дистилляция , обратный осмос и электродиализ . По сравнению с обратным осмосом и дистилляцией, CDI считается энергоэффективной технологией опреснения солоноватой воды. [7] Это в основном потому, что CDI удаляет ионы соли из воды, в то время как другие технологии извлекают воду из солевого раствора. [6] [8]

Исторически CDI называли электрохимической деминерализацией, «электросорбционным процессом для опреснения воды» или электросорбцией ионов соли. Также он известен под названиями емкостного опреснения или в коммерческой литературе как «CapDI».

История

В 1960 году концепция электрохимической деминерализации воды была представлена ​​Блэром и Мерфи. [9] В этом исследовании предполагалось, что ионы удаляются посредством электрохимических реакций с определенными химическими группами на углеродных частицах в электродах. В 1968 году коммерческая значимость и долгосрочная эксплуатация CDI были продемонстрированы Ридом. [10] В 1971 году Джонсон и Ньюман представили теорию переноса ионов в пористых углеродных электродах для CDI и хранения ионов в соответствии с конденсаторным механизмом. [11] С 1990 года CDI привлекала больше внимания из-за разработки новых электродных материалов, таких как углеродные аэрогели и электроды из углеродных нанотрубок. [12] В 1996 году Фармер и др. также ввели термин емкостная деионизация и впервые использовали теперь общепринятую аббревиатуру «CDI». [2] В 2004 году мембранная емкостная деионизация была представлена ​​в патенте Андельмана. [13]

Процесс

Циклы адсорбции и десорбции

Работа обычной системы CDI циклически проходит через две фазы: фазу адсорбции, где вода опресняется, и фазу десорбции, где электроды регенерируются. Во время фазы адсорбции подается разность потенциалов между двумя электродами, и ионы адсорбируются из воды. В случае CDI с пористыми углеродными электродами ионы транспортируются через межчастичные поры пористого углеродного электрода к внутричастичным порам, где ионы электросорбируются в так называемых двойных электрических слоях (EDL). После насыщения электродов ионами адсорбированные ионы высвобождаются для регенерации электродов. Разность потенциалов между электродами меняет знак или уменьшается до нуля. Таким образом, ионы покидают поры электродов и могут быть вымыты из ячейки CDI, в результате чего получается поток сточных вод с высокой концентрацией соли, так называемый поток рассола или концентрат. Часть потребляемой энергии, требуемой во время фазы адсорбции, может быть восстановлена ​​во время этого этапа десорбции.

Адсорбция ионов в двойных электрических слоях

Любое количество заряда всегда должно компенсироваться таким же количеством противозаряда. Например, в водном растворе концентрация анионов равна концентрации катионов. Однако в EDL, образованных в порах внутри частиц в электроде на основе углерода, возможен избыток одного типа ионов над другим, но он должен быть компенсирован электрическим зарядом в углеродной матрице. В первом приближении этот EDL можно описать с помощью модели Гуи-Чепмена-Штерна, которая различает три различных слоя: [14] [15] [16]

Поскольку углеродная матрица заряжена, заряд должен быть компенсирован ионным зарядом в диффузном слое. Это может быть сделано либо путем адсорбции противоионов, либо путем десорбции коионов (ионов с таким же знаком заряда, как и в углеродной матрице).

Двойной электрический слой (модель по теории Гуи-Чепмена-Штерна)

Помимо адсорбции ионных видов из-за образования EDL в порах внутри частиц, ионы могут также образовывать химическую связь с поверхностью частиц углерода. Это называется специфической адсорбцией, в то время как адсорбция ионов в EDL называется неспецифической адсорбцией. [17]

Преимущества емкостной деионизации

Масштабируемость и простота эксплуатации

CDI требует низких инвестиций и затрат на инфраструктуру, поскольку описанный выше процесс не требует высоких давлений или температур, в отличие от мембранных или термических процессов.

Низкие затраты энергии на очистку солоноватой воды

В CDI стоимость энергии на объем очищенной воды примерно пропорциональна количеству удаленной соли, тогда как в других технологиях, таких как обратный осмос, энергия опреснения примерно пропорциональна объему очищенной воды. Это делает CDI жизнеспособным решением для опреснения потоков с низким содержанием соли или, более конкретно, солоноватой воды.

Мембранная емкостная деионизация

Вставляя две ионообменные мембраны, получаем модифицированную форму CDI, а именно мембранную емкостную деионизацию. [13] Эта модификация улучшает ячейку CDI несколькими способами:

Режим работы постоянного напряжения и постоянного тока

Ячейка CDI может работать как в режиме постоянного напряжения, так и в режиме постоянного тока.

Работа при постоянном напряжении

Во время фазы адсорбции CDI с использованием работы при постоянном напряжении концентрация соли в сточных водах уменьшается, но через некоторое время концентрация соли в сточных водах снова увеличивается. Это можно объяснить тем фактом, что EDL (в случае системы CDI на основе углерода) не заряжены в начале этапа адсорбции, что приводит к высокой разности потенциалов (электрической движущей силе на ионах) на двух электродах. Когда больше ионов адсорбируется в EDL, потенциал EDL увеличивается, а оставшаяся разность потенциалов между электродами, которая управляет переносом ионов, уменьшается. Из-за снижения скорости удаления ионов концентрация сточных вод снова увеличивается. [22] [23]

Работа при постоянном токе

Поскольку ионный заряд, переносимый в электроды, равен приложенному электрическому току, применение постоянного тока позволяет лучше контролировать концентрацию соли в эффлюенте по сравнению с режимом работы с постоянным напряжением. Однако для стабильной концентрации соли в эффлюенте мембраны должны быть включены в конструкцию ячейки (MCDI), поскольку электрический ток вызывает не только адсорбцию противоионов, но и истощение коионов (см. раздел Мембранная емкостная деионизация против емкостной деионизации для объяснения). [22]

Геометрия ячеек

Режим потока

Электроды помещаются в стопку с тонкой прокладкой между ними, через которую протекает вода. Это, безусловно, наиболее часто используемый режим работы и электроды, которые готовятся таким же образом, как и для электрических двухслойных конденсаторов с высокой загрузкой массы углерода.

Проточный режим

В этом режиме питательная вода течет прямо через электроды, т.е. вода течет напрямую через межчастичные поры пористых углеродных электродов. Этот подход имеет преимущество в том, что ионы напрямую мигрируют через эти поры, тем самым смягчая транспортные ограничения, возникающие в режиме протока. [24]

Иллюстрация устройства емкостной деионизации с проточным электродом [1]

Емкостная деионизация с проточным электродом

Эта геометрическая конструкция сопоставима с режимом протока с включением мембран перед обоими электродами, но вместо твердых электродов между мембранами и токосъемником течет углеродная суспензия (шлам). Между обоими каналами текущих углеродных суспензий, так называемыми проточными электродами, применяется разность потенциалов, и вода опресняется. Поскольку углеродные суспензии текут, электроды не насыщаются, и поэтому эта конструкция ячейки может использоваться для опреснения воды с высокой концентрацией соли (например, морской воды с концентрацией соли около 30 г/л). Шаг разрядки не нужен; углеродные суспензии после выхода из ячейки смешиваются, и углеродную суспензию можно отделить от концентрированного потока соленой воды. [25] [26] [27] [28]

Емкостная деионизация с проводами

Поток пресной воды можно заставить течь непрерывно в модифицированной конфигурации CDI, где пары электродов анод и катод не зафиксированы в пространстве, а циклически перемещаются из одного потока, в котором приложено напряжение ячейки и адсорбируется соль, в другой поток, где напряжение ячейки снижается и высвобождается соль. [29]

Материалы электродов

Для высокой производительности ячейки CDI высококачественные материалы электродов имеют первостепенное значение. В большинстве случаев в качестве пористого материала электрода выбирают углерод. Что касается структуры углеродного материала, есть несколько соображений. Поскольку важна высокая электросорбционная способность соли, удельная площадь поверхности и распределение размеров пор углерода, доступных для ионов, должны быть большими. Кроме того, используемый материал должен быть стабильным, и не должно происходить никакой химической деградации электрода (деградации) в окне напряжения, применяемом для CDI. Ионы должны иметь возможность быстро перемещаться через сетку пор углерода, а проводимость углерода должна быть высокой. Наконец, важно учитывать стоимость материалов электродов. [30]

В настоящее время активированный уголь (AC) является широко используемым материалом, поскольку он является наиболее экономически эффективным вариантом и имеет высокую удельную площадь поверхности. Он может быть изготовлен из природных или синтетических источников. Другие углеродные материалы, используемые в исследованиях CDI, - это, например, упорядоченный мезопористый углерод, углеродные аэрогели, карбидные углероды , углеродные нанотрубки , графен и технический углерод . [6] Недавние исследования утверждают, что микропоры, особенно поры < 1,1 нм, являются наиболее эффективными для адсорбции соли в CDI. [31] Чтобы смягчить недостатки, связанные с массопереносом и перекрытием двойного электрического слоя, и одновременно использовать преимущества большей площади поверхности и более высоких электрических полей, которые присущи микропористой структуре, инновационные текущие усилия попытались объединить преимущества микропор и мезопор путем изготовления иерархических пористых углей (HPC), которые обладают несколькими уровнями пористости. [32]

Однако активированный уголь, всего 4 долл. США/кг для товарного углерода и 15 долл. США/кг для высокоочищенного, специально отобранного суперконденсаторного углерода, остается намного дешевле альтернатив, которые стоят 50 долл. США/кг или больше. Более крупные электроды из активированного угля намного дешевле относительно небольших экзотических угольных электродов и могут удалять столько же соли для заданного тока. Повышение производительности от новых видов углерода недостаточно, чтобы мотивировать их использование на данном этапе, особенно с учетом того, что практически все приложения CDI, которые серьезно рассматриваются в ближайшей перспективе, являются стационарными приложениями, где размер устройства является относительно незначительным фактором. [5]

В настоящее время все больше изучаются электродные материалы на основе окислительно-восстановительной химии, такие как оксид натрия и марганца (NMO) и аналоги берлинской лазури (PBA).

Потребность в энергии

Поскольку ионное содержание воды расслоено во время цикла адсорбции CDI, энтропия системы уменьшается и требуется внешний энергетический ввод. Теоретический энергетический ввод CDI можно рассчитать следующим образом:

где R — газовая постоянная (8,314 Дж моль −1 К −1 ), T — температура (К), Φ v,fresh расход выходящего потока пресной воды (м 3 /с), C feed — концентрация ионов в выходящем потоке пресной воды (моль/м 3 ) ячейки CDI. α определяется как C feed /C fresh , а β — как C feed /C conc , где C conc — концентрация ионов в концентрированном выходящем потоке.

На практике энергетические потребности будут значительно выше (в 20 раз и выше), чем теоретические энергетические потребности. [33] Важными энергетическими потребностями, которые не включены в теоретические энергетические потребности, являются накачка и потери в ячейке CDI из-за внутренних сопротивлений. Если сравнивать MCDI и CDI по энергии, необходимой для удаления иона, то MCDI имеет меньшие энергетические потребности, чем CDI. [22]

Сравнивая CDI с обратным осмосом воды с концентрацией соли ниже 20 мМ, лабораторные исследования показывают, что потребление энергии в кВт·ч на м³ произведенной пресной воды может быть ниже для MCDI, чем для обратного осмоса. [6] [34]

Крупномасштабные объекты CDI

В 2007 году в Китае была построена полномасштабная установка CDI производительностью 10 000 тонн в день для улучшения качества регенерированной воды компанией ESTPURE. [35] Этот проект позволяет снизить общее содержание растворенных твердых веществ с 1000 мг/л до 250 мг/л и мутность с 10 NTU до 1 NTU, единицы, указывающей на мутность жидкости. Восстановление воды может достигать 75%. Уровень потребления электроэнергии составляет 1 кВт·ч/м 3 , а стоимость очистки воды составляет 0,22 доллара США/м 3 . Некоторые другие крупномасштабные проекты можно увидеть в таблице ниже.

Ссылки

  1. ^ ab Qi, Zhaoxiang; Koenig, Gary M. (июль 2017 г.). «Обзорная статья: Системы проточных батарей с твердыми электроактивными материалами». Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления . 35 (4): 040801. Bibcode : 2017JVSTB..35d0801Q. doi : 10.1116/1.4983210 . ISSN  2166-2746.
  2. ^ аб Бишевель, премьер-министр; Базант, МЗ; Кьюсик, РД; Хаттон, штат Техас; Хатцелл, КБ ; Хатцелл, MC; Лян, П.; Лин, С.; Порада, С.; Сантьяго, JG; Смит, КК; Стадерманн, М.; Су, Х.; Солнце, Х.; Уэйт, Т.Д.; ван дер Валь, А.; Юн, Дж.; Чжао, Р.; Цзоу, Л.; Сасс, Мэн (2017). «Емкостная деионизация - определение класса технологий опреснения [ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП]». arXiv : 1709.05925 [physical.app-ph].
  3. ^ D. Atoufi, Hossein; Hasheminejad, Hasti; Lampert, David J. (2020). «Характеристики биполярных электродов с покрытием из активированного угля по методу емкостной деионизации для снижения солености». Frontiers of Environmental Science & Engineering . 14 (6): 99. doi :10.1007/s11783-020-1278-1. ISSN  2095-221X. S2CID  219590425 – через Springer Nature.
  4. ^ Suss, ME; Porada, S.; Sun, X.; Biesheuvel, PM; Yoon, J.; Presser, V. (2015). «Опреснение воды с помощью емкостной деионизации: что это такое и чего мы можем от него ожидать? [ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП]». Energy Environ. Sci . 8 (8): 2296. doi : 10.1039/C5EE00519A .
  5. ^ ab Weinstein, Lawrence; Dash, R. (2013). «Емкостная деионизация: проблемы и возможности». Опреснение и повторное использование воды .
  6. ^ abcd Porada, S.; Zhao, R.; Wal, A. van der; Presser, V.; Biesheuvel, PM (2013). «Обзор науки и технологии опреснения воды методом емкостной деионизации [ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП]». Progress in Materials Science . 58 (8): 1388–1442. doi : 10.1016/j.pmatsci.2013.03.005 .
  7. ^ ab Anderson, MA; Cudero, AL; Palma, J. (2010). «Емкостная деионизация как электрохимическое средство экономии энергии и доставки чистой воды. Сравнение с существующими методами опреснения: будет ли она конкурировать?». Electrochimica Acta . 55 (12): 3845–3856. doi :10.1016/j.electacta.2010.02.012.
  8. ^ «CDI и электросорбция».
  9. ^ Блэр, Дж. В.; Мерфи, Г. В. (1960). «Электрохимическая деминерализация воды с помощью пористых углеродных электродов с большой площадью поверхности». Успехи в химии . 27. Вашингтон, округ Колумбия: Министерство внутренних дел США.
  10. ^ Рид, Г. В. (1968). «Эксплуатация опытной установки производительностью 20 галлонов в день для электрохимического опреснения солоноватой воды». Отчет о ходе исследований и разработок . 293. Вашингтон, округ Колумбия: Министерство внутренних дел США.
  11. ^ Джонсон, AM; Ньюман, Дж. (1971). «Обессоливание с помощью пористых углеродных электродов». Журнал Электрохимического Общества . 118 (3): 510–517. Bibcode : 1971JElS..118..510J. doi : 10.1149/1.2408094.
  12. ^ Farmer, JC; Fix, DV; Mack, GW; Pekala, RW; Poco, JF (1996). «Емкостная деионизация растворов NaCl и NaNO3 с помощью углеродных аэрогелевых электродов». Журнал электрохимического общества . 143 (1): 159–169. Bibcode : 1996JElS..143..159F. doi : 10.1149/1.1836402.
  13. ^ ab патент США 6709560, Марк Д. Андельман и Грегори Д. Уокер, "Проточный конденсатор с барьером заряда", передан Voltea Ltd. 
  14. ^ Кирби, Б. Дж. "Диффузная структура двойного электрического слоя". Архивировано из оригинала 27-08-2019 . Получено 02-08-2013 .
  15. ^ «Британика — Двойной электрический слой».
  16. ^ "TDA Research - Емкостная деионизация". Архивировано из оригинала 2012-03-05 . Получено 2013-08-02 .
  17. ^ Ибах, Х. (2006). Физика поверхностей и интерфейсов . Springer-Verlag.
  18. ^ abc Li, H.; Gao, Y.; Pan, L.; Zhang, Y.; Chen, Y.; Sun, Z. (2008). «Электросорбционное опреснение с помощью электродов из углеродных нанотрубок и нановолокон и ионообменных мембран». Water Research . 42 (20): 4923–4928. doi :10.1016/j.watres.2008.09.026. PMID  18929385.
  19. ^ abc Kim, Y.; Choi, J. (2010). «Повышенная эффективность опреснения при емкостной деионизации с ион-селективной мембраной». Технология разделения и очистки . 71 (1): 70–75. doi :10.1016/j.seppur.2009.10.026.
  20. ^ abc Чжао, Р.; ван Зостберген, М.; Риджнаартс, ХХМ; ван дер Валь, А.; Базант, МЗ; Бишевель, премьер-министр (2012). «Зависящая от времени ионная селективность при емкостной зарядке пористых электродов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 384 (1): 38–44. Бибкод : 2012JCIS..384...38Z. doi :10.1016/j.jcis.2012.06.022. hdl : 1721.1/101160 . PMID  22819395. S2CID  12916467.
  21. ^ Ли, Дж. Б.; Парк, К.; Юм, Х.; Ли, К. (2006). «Опреснение сточных вод тепловой электростанции методом мембранно-емкостной деионизации». Опреснение . 196 (1): 125–134. doi :10.1016/j.desal.2006.01.011.
  22. ^ abc Zhao, R.; Biesheuvel, PM; van der Wal, A. (2012). «Энергопотребление и работа при постоянном токе при мембранной емкостной деионизации». Energy & Environmental Science . 5 (11): 9520–9527. doi :10.1039/c2ee21737f.
  23. ^ Ким, Т.; Дайкстра, Дж. Э.; Порада, С.; ван дер Валь, А.; Юн, Дж.; Бисхёвель, П. М. (2014). «Повышение энергетической и зарядной эффективности за счет увеличения напряжения разряда при емкостной деионизации». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 446 : 317–326. Bibcode : 2015JCIS..446..317K. doi : 10.1016/j.jcis.2014.08.041. PMID  25278271.
  24. ^ Suss, ME; Baumann, TF; Bourcier, WL; Spadaccini, CM; Rose, KL; Santiago, JG; Stadermann, M. (2012). «Емкостное опреснение с проточными электродами». Energy & Environmental Science . 5 (11): 9511–9519. doi :10.1039/c2ee21498a.[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  25. ^ Jeon, S.; Park, H.; Jeo, Y.; Yang, S.; Cho, CH; Han, MH; Kim, DK (2013). «Опреснение с помощью нового процесса мембранной емкостной деионизации с использованием проточных электродов». Энергетика и наука об окружающей среде . 6 (5): 1471–1475. doi :10.1039/c3ee24443a.
  26. ^ Hatzell, Kelsey ; Iwama, Etsuro; Ferris, Anais; Daffos, Barbara; Urita, Koki; Tzedakis, Theodore; Chauvet, Fabien; Taberna, Pierre-Louis; Gogotsi, Yury; Simon, Patrice (2014). "Концепция емкостной деионизации на основе суспензионных электродов без ионообменных мембран" (PDF) . Electrochemical Communications . 43 (43): 18–21. doi :10.1016/j.elecom.2014.03.003.
  27. ^ Porada, S; Weingarth, D; Hamelers, HVM; Bryjak, M; Presser, V; Biesheuvel, PM (2014). «Углеродные проточные электроды для непрерывной работы емкостной деионизации и емкостной генерации энергии смешивания». Journal of Materials Chemistry A . 2 (24): 9313–9321. doi : 10.1039/c4ta01783h .
  28. ^ Hatzell, Kelsey B .; Hatzell, Marta C.; Cook, Kevin M.; Boota, Muhammad; Housel, Gabrielle; McBride, Alex; Gogotsi, Yury (2015). «Влияние окисления углеродного материала на суспензионные электроды для емкостной деионизации проточным электродом». Environmental Science and Technology . 49 (5): 3040–3047. Bibcode : 2015EnST...49.3040H. doi : 10.1021/es5055989. OSTI  1265345. PMID  25633260.
  29. ^ Porada, S.; Sales, BB; Hamelers, HVM; Biesheuvel, PM (2012). «Опреснение воды с помощью проводов». The Journal of Physical Chemistry Letters . 3 (12): 1613–1618. doi :10.1021/jz3005514. PMID  26285717.
  30. ^ Орен, И. (2008). «Емкостная деионизация (CDI) для опреснения и очистки воды — прошлое, настоящее и будущее (обзор)». Опреснение . 228 (1): 10–29. doi :10.1016/j.desal.2007.08.005.
  31. ^ Porada, S.; Borchardt, L.; Oschatz, M.; Bryjak, M.; Atchison, JS; Keesman, KJ; Kaskel, S.; Biesheuvel, PM; Presser, V. (2013). "Прямое прогнозирование характеристик опреснения пористых углеродных электродов для емкостной деионизации [OPEN ACCESS]". Energy & Environmental Science . 6 (12): 3700. doi : 10.1039/c3ee42209g .
  32. ^ Baroud, Turki N.; Giannelis, Emmanuel P. (ноябрь 2018 г.). «Высокая емкость для соли и высокая скорость удаления емкостной деионизации, обеспечиваемые иерархическими пористыми углеродами». Carbon . 139 : 614–625. doi :10.1016/j.carbon.2018.05.053. ISSN  0008-6223. S2CID  103081318.
  33. ^ Хемматифар, Али; Рамачандран, Эшвин; Лю, Канг; Оярсун, Диего И.; Базант, Мартин З.; Сантьяго, Хуан Г. (2018-08-24). «Термодинамика разделения ионов электросорбцией». Environmental Science & Technology . 52 (17): 10196–10204. arXiv : 1803.11532 . Bibcode : 2018EnST...5210196H. doi : 10.1021/acs.est.8b02959. ISSN  0013-936X. PMID  30141621. S2CID  4683315.
  34. ^ Zhao, R.; Porada, S.; Biesheuvel, PM; van der Wal, A. (декабрь 2013 г.). «Энергопотребление при мембранной емкостной деионизации для различных восстановлений воды и скоростей потока, а также сравнение с обратным осмосом». Опреснение . 330 : 35–41. doi :10.1016/j.desal.2013.08.017. S2CID  94423625.
  35. ^ ab ESPURE. "Проект по повторному использованию и повышению качества химических сточных вод в Шаньси". Архивировано из оригинала 2013-12-03.
  36. ^ ESTPURE. "Проект переработки воды энергетической группы Внутренней Монголии". Архивировано из оригинала 2013-12-03.
  37. ^ ESTPURE. "Проект модернизации завода по переработке воды в Нинбо, Чжэцзян". Архивировано из оригинала 2013-12-02.

Внешние ссылки