Войти
Изображение устройства емкостной деионизации. Емкостная деионизация (CDI ) - это технология для деионизации воды путем приложения разности электрических потенциалов к двум электродам, которые часто сделаны из пористого углерода. Анионы, ионы с отрицательным зарядом, удаляются из воды и сохраняются в положительно поляризованном электроде. Точно так же катионы (положительный заряд) накапливаются на 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). К другим технологиям деионизации воды относятся, среди прочего, дистилляция, обратный осмос и электродиализ. По сравнению с обратным осмосом и дистилляцией, CDI считается энергоэффективной технологией опреснения солоноватой воды. Это в основном связано с тем, что CDI удаляет солевые ионы из воды, в то время как другие технологии извлекают воду из солевого раствора.
Исторически CDI называли электрохимической деминерализацией, «процессом электросорбции для опреснения воды»., или электросорбция солевых ионов. Его также называют емкостным опреснением или в коммерческой литературе «CapDI».
В 1960 году Блэр и Мерфи представили концепцию электрохимической деминерализации воды. В этом исследовании предполагалось, что ионы удаляются электрохимическими реакциями с определенными химическими группами на углеродных частицах в электродах. В 1968 году Рид продемонстрировал коммерческую значимость и долгосрочность работы CDI. В 1971 году Джонсон и Ньюман представили теорию переноса ионов в пористых углеродных электродах для CDI и накопления ионов в соответствии с конденсаторным механизмом. Начиная с 1990 года, CDI привлекала все большее внимание из-за разработки новых электродных материалов, таких как углеродные аэрогели и электроды из углеродных нанотрубок. В 1996 году Фармер и др. также ввел термин емкостная деионизация и впервые использовал теперь общепринятое сокращение «CDI». В 2004 году мембранная емкостная деионизация была представлена в патенте Андельмана.
Работа традиционной системы CDI проходит через две фазы: фаза адсорбции, на которой опресняется вода, и фаза десорбции, на которой электроды регенерируются. Во время фазы адсорбции создается разность потенциалов на двух электродах, и ионы адсорбируются из воды. В случае CDI с пористыми углеродными электродами ионы переносятся через межчастичные поры пористого углеродного электрода во внутричастичные поры, где ионы электросорбируются в так называемых двойных электрических слоях (EDL).. После насыщения электродов ионами адсорбированные ионы высвобождаются для регенерации электродов. Разность потенциалов между электродами инвертируется или уменьшается до нуля. Таким образом, ионы покидают поры электрода и могут быть вымыты из ячейки CDI, что приводит к выходящему потоку с высокой концентрацией соли, так называемому потоку рассола или концентрату. Часть энергии, потребляемой во время фазы адсорбции, может быть восстановлена во время этой стадии десорбции.
 Адсорбция ионов из солоноватой воды для ее опреснения |  Десорбция ионов из солоноватой воды для регенерации электродов |
Всегда необходимо компенсировать любое количество заряда на такую же сумму встречного платежа. Например, в водном растворе концентрация анионов равна концентрации катионов. Однако в EDL, образованных во внутричастичных порах в углеродном электроде, возможен избыток одного типа иона над другим, но он должен быть компенсирован электрическим зарядом в углеродной матрице. В первом приближении этот EDL можно описать с помощью модели Гуи-Чепмена-Стерна, которая различает три разных слоя:
Когда углеродная матрица заряжается, заряд должен компенсироваться ионным зарядом в диффузный слой. Это может происходить либо путем адсорбции противоионов, либо путем десорбции коионов (ионов с таким же знаком заряда, что и в углеродной матрице).
Электрический двойной слой (модель согласно теории Гуи-Чепмена-Стерна) Помимо адсорбции ионных частиц из-за образования EDL во внутричастичных порах, ионы могут образовывать химическую связь с площадью поверхности частицы углерода также. Это называется специфической адсорбцией, а адсорбция ионов в EDL называется неспецифической адсорбцией.
CDI имеет низкие капиталовложения и затраты на инфраструктуру, поскольку описанный выше процесс не требует высоких давлений или температур, в отличие от мембранных или термических процессов.
В CDI стоимость энергии на объем очищенной воды приблизительно зависит от количества удаленной соли, в то время как в других технологиях, таких как обратный осмос, опреснение энергия масштабируется примерно в зависимости от объема очищенной воды. Это делает CDI жизнеспособным решением для опреснения потоков с низким содержанием соли, а точнее, солоноватой воды.
Путем введения двух ионообменных мембран получается модифицированная форма CDI, а именно мембранная емкостная деионизация. Эта модификация улучшает ячейку CDI несколькими способами:
| Емкостная деионизация во время цикла адсорбции |  Мембранная емкостная деионизация во время цикла адсорбции |
Ячейка CDI может работать как в режиме постоянного напряжения, так и в режиме постоянного тока.
Во время фазы адсорбции CDI с использованием режима постоянного напряжения концентрация соли в отходящих потоках уменьшается, но через некоторое время концентрация соли в исходящих потоках снова увеличивается. Это можно объяснить тем фактом, что EDL (в случае системы CDI на основе углерода) не заряжаются в начале стадии адсорбции, что приводит к высокой разности потенциалов (электрическая движущая сила 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 уменьшения скорости удаления ионов концентрация вытекающего потока снова увеличивается.
Поскольку ионный заряд, переносимый в электроды, равен приложенному электрическому току, применение постоянного тока позволяет лучший контроль концентрации соли в сточных водах по сравнению с режимом работы с постоянным напряжением. Однако для стабильной концентрации солей в сточных водах мембраны должны быть включены в конструкцию ячейки (MCDI), поскольку электрический ток не только вызывает адсорбцию противоионов, но также и истощение коионов (см. Емкостная деионизация мембраны и емкостная деионизация).
Электроды помещаются в стопку с тонкой промежуточной областью между ними, через которую течет вода. Это, безусловно, наиболее часто используемый режим работы и электроды, которые готовятся таким же образом, как и для конденсаторов с двойным электрическим слоем с высокой массовой загрузкой углерода.
В этом режиме питающая вода протекает прямо через электроды, то есть вода протекает напрямую через поры между частицами пористых углеродных электродов. Преимущество этого подхода заключается в том, что ионы непосредственно мигрируют через эти поры, что снижает транспортные ограничения, встречающиеся в проточном режиме.
Иллюстрация устройства емкостной деионизации проточного электрода Эта геометрическая конструкция сравнима с проточным режимом с включением мембран перед обоими электродами, но вместо твердых электродов между мембранами и токосъемником течет углеродная суспензия (суспензия). Между обоими каналами проточной углеродной суспензии, так называемыми проточными электродами, прикладывается разность потенциалов, и вода опресняется. Поскольку углеродная суспензия течет, электроды не насыщаются, и поэтому эта конструкция ячейки может использоваться также для опреснения воды с высокой концентрацией соли (например, морской воды с концентрацией соли примерно 30 г / л). Этап разгрузки не требуется; углеродные суспензии после выхода из ячейки смешиваются вместе, и углеродная суспензия может быть отделена от концентрированного потока соленой воды.
Поток пресной воды можно заставить течь непрерывно в модифицированной конфигурации CDI, где пары анодных и катодных электродов не зафиксированы в пространстве, а заставлены циклически перемещаться из одного потока, в котором прикладывается напряжение элемента, а соль адсорбируется, в другой поток, где напряжение элемента уменьшается и высвобождается соль.
 Проточная ячейка CDI во время цикла адсорбции |  Проточная ячейка CDI во время цикла адсорбции |
Для высокой производительности ячейки CDI, высокая качество электродных материалов имеет первостепенное значение. В большинстве случаев в качестве пористого электродного материала выбирают углерод. Что касается структуры углеродного материала, есть несколько соображений. Поскольку важна высокая электросорбционная способность соли, удельная поверхность и распределение пор по размерам углерода, доступного для ионов, должны быть большими. Кроме того, используемый материал должен быть стабильным, и не должно происходить химического разложения электрода (деградации) в окне напряжения, применяемом для CDI. Ионы должны иметь возможность быстро перемещаться через сеть пор углерода, а проводимость углерода должна быть высокой. Наконец, важно учитывать стоимость электродных материалов.
В настоящее время обычно используется активированный уголь (AC), так как это наиболее экономичный вариант и имеет высокую удельную поверхность. Он может быть изготовлен из натуральных или синтетических источников. К другим углеродным материалам, используемым в исследованиях CDI, относятся, например, упорядоченный мезопористый углерод, углеродные аэрогели, карбидные угли, углеродные нанотрубки, графен и технический углерод. Недавняя работа утверждает, что микропоры, особенно поры < 1.1 nm are the most effective for salt adsorption in CDI. In order to mitigate the drawbacks associated with mass transfer and electric double layer overlapping, and simultaneously harness the benefits of higher surface area and higher electric fields that come with microporous structure, innovative ongoing efforts have attempted to integrate the advantages of micropores and mesopores by fabricating hierarchical porous carbons (HPCs) that possess multi levels of porosities.
Однако активированный уголь, стоимость которого составляет всего 4 доллара США / кг для товарного углерода и 15 долларов США / кг для высокоочищенного, специально подобранного суперконденсаторного углерода, остается намного дешевле, чем альтернативы, которые стоит 50 долларов США / кг или больше. Более крупные электроды из активированного угля намного дешевле, чем относительно небольшие экзотические углеродные электроды, и могут удалять столько же соли при заданном токе. Повышение производительности от новых углей недостаточно, чтобы мотивировать их использование на данном этапе, тем более что практически все приложения CDI, которые серьезно рассматриваются в ближайшем будущем, являются стационарными приложениями, где размер блока является относительно второстепенным.
В настоящее время электроды материалы, основанные на окислительно-восстановительной химии, все больше и больше изучаются, например, оксид натрия-марганца (NMO) и аналоги берлинской синей (PBA).
Поскольку ионное содержание воды расслаивается во время цикла адсорбции CDI, энтропия системы уменьшается, и требуется внешний ввод энергии. Теоретическая подача энергии CDI может быть рассчитана следующим образом:
где R - газовая постоянная (8,314 Дж / моль K), T - температура (K), Φ v, свежий, скорость потока исходящей пресной воды (м / с), C подача концентрация ионов в исходной воде (моль / м) и C пресная концентрация ионов в пресной воде отток воды (моль / м) из ячейки CDI. α определяется как C корм / C свежий и β как C корм / C конц, с C конц концентрация ионов в концентрированном оттоке.
На практике потребляемая энергия будет значительно выше (в 20 раз или больше), чем теоретическая потребляемая энергия. Важными требованиями к энергии, которые не включены в теоретические требования к энергии, являются накачка и потери в ячейке CDI из-за внутренних сопротивлений. Если MCDI и CDI сравниваются по энергии, необходимой на один удаленный ион, MCDI имеет более низкую потребность в энергии, чем CDI.
Сравнение CDI с обратным осмосом воды с концентрацией соли ниже 20 мМ, лабораторные исследования показывают, что потребление энергии в кВтч на 1 м произведенной пресной воды может быть ниже для MCDI, чем для обратного осмоса.
В 2007 году полномасштабная установка CDI мощностью 10000 тонн в день была построен в Китае для улучшения качества очищенной воды компанией ESTPURE. Этот проект позволяет снизить общее количество растворенных твердых веществ с 1000 мг / л до 250 мг / л и мутность с 10 NTU до 1 NTU, что является единицей измерения мутности жидкости. Восстановление воды может достигать 75%. Уровень потребления электроэнергии составляет 1 кВтч / м3, стоимость очистки воды - 0,22 доллара США / м3. Некоторые другие масштабные проекты можно увидеть в таблице ниже.
| Источник воды | Масштаб (м / сут) | Степень извлечения воды | Степень удаления солей | Потребление энергии (кВтч / м попутной воды) | Ссылка |
|---|---|---|---|---|---|
| Городские сточные воды, обрабатываемые процессами первого и второго порядка + оборотная вода | 10000 | 75% | 75% | 1,03 | |
| Охлаждающая вода | 120000 | 75% | 85% Cl | 0,75 | |
| Сточные воды | 2400 | 75% | ≥50% | 1,33 |
![{\ displaystyle \ Delta G = R * T * \ Phi _ {v, fresh} * (C_ {feed} -C_ {fresh}) \ left [{\ frac {ln \ alpha} {1- \ alpha} }} - {\ frac {ln \ beta} {1- \ alpha}} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/40cb0a06f121f889fcc541a7858641f5ba26dab8)