vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-4-444-454vestift-407Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERМетод сокращения времени десалинизации в проточном CDI-опреснителеMethod for reducing the desalination time in a “flow-through” CDI-water clearance equipmentЖданокА. С.ZhdanokA. S.

кандидат физико-математических наук, ведущий инженер, заведующий лабораторией применения углеродных материалов

Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Engineer, Head of the Laboratory of carbon materials application

ЧервякА. Г.ChervjakA. G.

научный сотрудник

Researcher

ШушковС. В.ShushkovS. V.

научный сотрудник

Researcher

chouch@itmo.byАльотаибиЗаид С.AlotaibiZaid S.

доктор философии, директор

Ph. D. (Electrical Engineering), Director

АльхарбиЯсин Г.AlharbiYaseen G.

дипломированный инженер, ведущий менеджер научных проектов

M. Sc. Degree in mechanical engineering, General Manager of research grants

ООО «Перспективные исследования и технологии», МинскAdvanced Research and Technologies LLC, MinskИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси, МинскA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, MinskНациональный центр технологий солнечной энергии, Научно-технологический центр им. Короля Абдулазиза, Эр-РиядNational Center for Solar Energy, King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST), Er-Riyad201812012019634444454Copyright © Жданок А.С., Червяк А.Г., Шушков С.В., Альотаиби З.С., Альхарби Я.Г., 20192019Жданок А.С., Червяк А.Г., Шушков С.В., Альотаиби З.С., Альхарби Я.Г.Zhdanok A.S., Chervjak A.G., Shushkov S.V., Alotaibi Z.S., Alharbi Y.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/407

Исследована работа CDI-опреснителя соленой воды, основанного на принципе объемной деионизации за счет создания двойного электрического слоя на пористой структуре электрода. Изучена возможность увеличения эффективности опреснения за счет сокращения времени разрядных диффузионных процессов в высокопористых электродах. В экспериментах использовался опреснитель типа «flow-through electrodes», прокачка раствора в котором осуществляется сквозь пористые электроды, отделенные друг от друга водопроницаемым сепаратором, без использования ионообменных мембран. Проведен анализ возможных размеров пор для различных сорбирующих материалов и выполнены оценки длительности соответствующих импульсов управляющего напряжения. Предварительные эксперименты, проведенные на модельной CDI-ячейке, позволили оптимизировать выбор электрофизических параметров для электродов из углеродного войлока типа «Карбопон-Актив» и ткани «АУТ-М-2» производства ОАО «СветлогорскХимволокно». Предложен метод сокращения времени разрядного цикла за счет подачи серии импульсов напряжения обратной полярности на электроды опреснителя. При согласовании характеристик пористости электродного материала и продолжительности импульсов можно добиться ускоренного удаления ионов соли за счет повышения напряженности электрического поля в направлении из глубины пор наружу, в межэлектродный зазор. Оцениваемая величина пор составляла ~ 100 мкм, поэтому в относительно протяженном межэлектродном зазоре ~ 1 мм основная масса ионов за время импульса не успевала достичь поверхности электродов. Это позволило поддерживать высокую эффективность процесса CDI-опреснения. Эксперименты на модельной ячейке и полномасштабном CDI-опреснителе продемонстрировали в режиме наложения управляющих импульсов снижение времени разрядного цикла в ~ 2,5 раза по сравнению с режимом короткого замыкания электродов.

The work of the CDI salt water distiller based on the principle of bulk deionization by creating a double electric layer on the porous structure of the electrode was investigated. The possibility of increasing the efficiency of desalination by reducing the time of discharge diffusion processes in high-porous electrodes is studied. In the experiments, a flow-through type was used, the pumping of the solution in which is carried out through porous electrodes separated from each other by a permeable separator, without the use of ion-exchange membranes. The analysis of possible pore sizes for various sorbing materials is carried out and estimates of the duration of the corresponding pulses of the control voltage are performed. Preliminary experiments carried out on a model CDI cell allowed us to optimize the choice of electrophysical parameters for carbon felt electrodes of the “Carbopon-Active” type and the “AUT-M-2” fabric produced by OJSC “SvetlogorskKhimvolokno”. A method is proposed for reducing the discharge cycle time by supplying a series of pulses of reverse polarity voltage to the electrodes of a desalter. When matching the characteristics of the porosity of the electrode material and the duration of the pulses, it is possible to achieve accelerated removal of salt ions by increasing the electric field strength from the depth of the pores to the outside, into the interelectrode gap. The estimated pore size was ~ 100 μm; therefore, in a relatively long interelectrode gap of ~ 1 mm, the main mass of ions during the pulse does not have time to reach the surface of the electrodes. This made it possible to maintain the high efficiency of the CDI desalination process. Experiments on a model cell and a full-scale CDI-desalter demonstrated a 2.5-fold decrease in the discharge cycle time in the regime of superposition of control pulses in comparison with the short-circuit mode of electrodes.

опреснениесолевой растворобъемная деионизацияопреснитель-суперконденсаторпористый электродсорбция ионоврежим электропитанияdesalinationsaline solutionvolumetric deionizationdesalination supercapacitorporous electrodeion sorptionpower supply modeReferencesУразаев, В. Обзор методов очистки воды / В. Уразаев // Технологии в электрон. пром-сти. – 2007. – № 2. – С. 72–79.Urazaev V. Review of water purification methods. Tekhnologii v elektronnoi promyshlennosti = Technologies in Electronics Industry, 2007, no. 2, pp. 72–79 (in Russian).Review on the science and technology of water desalination by capacitive deionization / S. Porada [et al.] // Progress Mater. Sci. – 2013. – Vol. 58, Iss. 8. – P. 1388–1442. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.03.005Porada S., Zhao R., Wal A. van der, Presser V., Biesheuvel P. M. Review on the science and technology of water desalination by capacitive deionization. Progress in Materials Science, 2013, vol. 58, iss. 8, pp. 1388–1442. https://doi.org/10.1016/j. pmatsci.2013.03.005Water desalination via capacitive deionization: what is it and what can we expect from it? / M. E. Suss [et al.] // Energy Environ. Sci. – 2015. – Vol. 8, Iss. 8. – P. 2296–2319. http://dx.doi.org/10.1039/C5EE00519ASuss M. E., Porada S., Sun X., Biesheuvel P. M., Yoon J., Presser V. Water desalination via capacitive deionization: what is it and what can we expect from it? Energy & Environmental Science, 2015, vol. 8, iss. 8, pp. 2296–2319. http://dx.doi. org/10.1039/C5EE00519AЕлецкий, А. В. Наноуглеродные материалы: физико-химические и эксплуатационные свойства, методы синтеза, энергетические применения / А. В. Елецкий, В. Ю. Зицерман, Г. А. Кобзев // Теплофизика высоких температур. – 2015. – Т. 53, № 1. – С. 117–140.Eletskii А. V., Zitserman V. Y., Kobzev G. A. Nanocarbon materials: Physical-chemical and performance properties, synthesis methods, and energy applications. High Temperature, 2015, vol. 53, no. 1, pp. 130–150. https://doi.org/10.1134/ S0018151X15010034Nanostructured carbon for energy storage and conversion / S. L. Candelariaa [et al.] // Nano Energy. – 2012. – Vol. 1, Iss. 2. – P. 195–220. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2011.11.006Candelariaa S. L., Yuyan Shaob, Zhouc Wei, Lib Xiaolin, Xiao Jie, Zhangb Ji-Guang, Wang Yong, Li Jun, Lic Jinghong, Cao Guozhong. Nanostructured carbon for energy storage and conversion. Nano Energy, 2012, vol. 1, iss. 2, pp. 195–220. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2011.11.006Resistance identification and rational process design in Capacitive Deionization / J. E. Dykstra [et al.] // Water Research. – 2016. – Vol. 88. – P. 358–370. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.10.006Dykstra J. E., Zhao R., Biesheuvel P. M., Wal A. van der. Resistance identification and rational process design in Capacitive Deionization. Water Research, 2016, vol. 88, pp. 358–370. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.10.006Characterization of Resistances of a Capacitive Deionization System / Yatian Qu [et al.] // Environ. Sci. Technol. – 2015. – Vol. 49, Iss. 16. – P. 9699–9706. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02542Qu Yatian, Baumann T. F., Santiago J. G., Stadermann M. Characterization of Resistances of a Capacitive Deionization System. Environmental Science & Technology, 2015, vol. 49, iss. 16, pp. 9699–9706. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02542Бисхейвель, П. М. Электрохимия и емкостное заряжение пористых электродов в асимметричных многокомпонентных электролитах / П. М. Бисхейвель, Й. Фу, М. З. Базант // Электрохимия. – 2012. – Т. 48, № 6. – С. 645–658.Biesheuvel P. M., Fu Y., Bazant М. Z. Electrochemistry and capacitive charging of porous electrodes in asymmetric multicomponent electrolytes. Russian Journal of Electrochemistry, 2012, vol. 48, iss. 6, pp. 580–592. https://doi.org/10.1134/ S1023193512060031Optimum Peak Current Hysteresis Control for Energy Recovering Converter in CDI Desalination / A. M. Pernía [et al.] // Energies. – 2014. – Vol. 7, Iss. 6. – P. 3823–3839.Pernía A. M., Álvarez-González F. J., Díaz J., Villegas P. J., Nuño F. Optimum Peak Current Hysteresis Control for Energy Recovering Converter in CDI Desalination. Energies, 2014, vol. 7, pp. 3823–3839. https://doi.org/10.3390/en7063823Energy breakdown in capacitive deionization / Ali Hemmatifar [et al.] // Water Research. – 2016. – Vol. 104. – P. 303–311. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.08.020Ali Hemmatifar, Palko J. W., Stadermann M., Santiago J. G. Energy breakdown in capacitive deionization. Water Research, 2016, vol. 104, pp. 303–311. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.08.020Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less than 1 Nanometer / J. Chmiola [et al.] // Science. – 2006. – Vol. 313, Iss. 5794. – P. 1760–1763. https://doi.org/10.1126/science.1132195Chmiola J., Yushin G., Gogotsi Y., Portet C., Taberna P. L., Simon P. Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less than 1 Nanometer. Science, 2006, vol. 313, iss. 5794, pp. 1760–1763. https://doi.org/10.1126/science.1132195Complementary surface charge for enhanced capacitive deionization / X. Gao [et al.] // Water Research. – 2016. – Vol. 92. – P. 275–282. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.01.048Gao X., Porada S., Omosebi A., Liu K.-L., Biesheuvel P. M., Landon J. Complementary surface charge for enhanced capacitive deionization. Water Research, 2016, vol. 92, pp. 275–282. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.01.048

The authors declare that there are no conflicts of interest present.