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"10.29235/1561-8358-2019-64-4-447-457vestift-549Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERЭлектрофизические характеристики работы опреснителя на принципе емкостной деионизацииElectrophysical characteristics of the desalination plant based on the principle of capacitive deionizationЖданокА. С.ZhdanokA. S.

Жданок Артем Сергеевич – ведущий инженер, заведующий лабораторией применения углеродных материалов.

ул. Толбухина, 2а, а/я 166, 220012, Минск

Artem S. Zhdanok – Leading Engineer, Head of the Laboratory of Carbon Materials Application

P. O. box 166, 2а, Tolbukhin Str., 220012

ЧервякА. Г.CharviakA. G.

Червяк Алексей Геннадьевич – научный сотрудник

ул. Толбухина, 2а, а/я 166, 220012, Минск

Aliaksei G. Charviak – Researcher

P. O. box 166, 2а, Tolbukhin Str., 220012

МатвейчикЕ. А.MatveichykYa. A.

Матвейчик Евгений Альфредович – научный сотрудник.

ул. Толбухина, 2а, а/я 166, 220012, Минск

Yauheni A. Matveichyk – Researcher

P. O. box 166, 2а, Tolbukhin Str., 220012

ШушковС. В.ShushkovS. V.

Шушков Сергей Васильевич – научный сотрудник.

ул. Толбухина, 2а, а/я 166, 220012, Минск

Sergey V. Shushkov – Researcher

P. O. box 166, 2а, Tolbukhin Str., 220012

ООО «Перспективные исследования и технологии»“Advanced Research and Technology” LLC201910012020644447457Copyright © Жданок А.С., Червяк А.Г., Матвейчик Е.А., Шушков С.В., 20202020Жданок А.С., Червяк А.Г., Матвейчик Е.А., Шушков С.В.Zhdanok A.S., Charviak A.G., Matveichyk Y.A., Shushkov S.V.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/549

Изучены основные электрофизические и технологические параметры разработанного для долгосрочной работы CDI-опреснителя, работающего на принципе деионизации раствора соли на электродах с развитой поверхностью. В предложенном оборудовании для деминерализации воды применена упрощенная конструкция с прокачкой раствора сквозь электроды («flow through electrodes»), что позволяет обходиться без относительно дорогих ионообменных мембран. В качестве электродного материала применялся войлок нетканый «Карбопон-В-Актив-200-65А», оценочное значение удельной поверхности материала которого по результатам проведенных измерений по методике с осаждением ацетона составило ~ 1000 м2/г и более. Также преимуществами предложенного CDI-опреснителя являются отсутствие высоконагруженных силовых элементов, использование коррозионностойких материалов и надежность схемы укладки электродов, что позволяет рассчитывать на его долговременную и надежную работу. Продемонстрированы различные возможности эксплуатационной настройки режимов опреснителя – сокращение разрядного периода за счет приложения импульсов напряжения обратной полярности, повышение эффективности путем организации процедуры учета реального напряжения на рабочих электродах внутри CDI-ячейки. Высокая энергетическая эффективность деминерализации определяется относительно низким рабочим напряжением ~ 1 В. Установлено, что с увеличением силы тока удаление соли проходит эффективнее, соответственно степень опреснения выше при большем токе: рабочему периоду 30 мин соответствует величина степени опреснения ~ 20 % при напряжении 1,4 В и ~ 30 % в режиме 1,6 В. Отмечена возможность повышения производительности обессоливания до ~ 100 г соли за получасовой период. Определены возможные пути дальнейшего повышения эффективности работы представленного в статье оборудования.

The basic electrophysical and technological parameters of a CDI desalination plant designed for long-term operation, based on the principle of salt solution deionization on electrodes with a developed surface, have been studied. The proposed equipment for water demineralization uses a simplified design with pumping the solution through electrodes (“flow through electrodes”), which allows bypassing without relatively expensive ion-exchange membranes. Non-woven felt “Karbopon-V-Aktiv-200-65A” was used as the electrode material, the estimated value of the specific surface of the material of which, according to the results of measurements by the method with the deposition of acetone, amounted to ~ 1000 m2/g or more. Also, the advantages of the proposed CDI desalination plant are the absence of highly loaded power elements, the use of corrosion-resistant materials and the reliability of the electrode stacking scheme, which makes it possible to count on its long-term and reliable operation. Various possibilities of operational adjustment of the desalination plant modes are demonstrated – reduction of the discharge period due to the application of voltage pulses of reverse polarity, increasing efficiency by organizing a procedure for taking into account the real voltage at the working electrodes inside the CDI cell. The high-energy efficiency of demineralization is determined by the relatively low operating voltage of ~ 1 V. It is established that with increasing amperage, salt removal is more efficient, respectively, the degree of desalination is higher at a higher current: the working period of 30 minutes corresponds to the degree of desalination of ~ 20 % at a voltage of 1.4 V and ~ 30 % in the 1.6 V mode. The possibility of increasing the desalination capacity to ~ 100 g of salt over a half-hour period was noted. Possible ways to further improvement of the performance of the equipment presented in the article are identified.

опреснениесолевой растворобъемная деионизацияпористый электродсорбция ионовстепень опресненияэнергетическая эффективностьdesalinationsaline solutionvolume deionizationporous electrodeion sorptiondegree of desalinationenergy efficiencyReferencesУразаев, В. Обзор методов очистки воды / В. Уразаев // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – № 2. – С. 72–79.Urazaev V. Review of water purification methods. Tekhnologii v elektronnoi promyshlennosti = Technologies in the Electronics Industry, 2007, no. 2, pp. 72–79 (in Russian).Capacitive Deionization – defining a class of desalination technologies [Electronic resource] / P. M. Biesheuvel [et al.]. – Mode of access: https://arxiv.org/abs/1709.05925 – Date of access: 10.08.2019Biesheuvel P. M., Bazant M. Z., Cusick R. D., Hatton T. A., Hatzell K. B., Hatzell M. C., Liang P., Lin S., Porada S., Santiago J. G., Smith K. C., Stadermann M., Su X., Sun X., Waite T. D., Van der Wal A., Yoon J., Zhao R., Zou L., Suss M. E. Capacitive Deionization – defining a class of desalination technologies. 2017. Available at: https://arxiv.org/abs/1709.05925 (accessed 10 August 2019).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. https://doi.org/10.1134/S0018151X15010034Eletskii 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/S0018151X15010034. (in Russian).Nanostructured 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, no. 2, pp. 195–220.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2011.11.006Михалин, А. А. Исследование емкостных и электрокинетических свойств электродов на основе высокодисперсного углерода применительно к их использованию в суперконденсаторах и для емкостной деионизации воды: дис. … канд. хим. наук / А. А. Михалин. – М., 2013. – 164 л.Mikhalin A. A. Research of capacitive and electrokinetic properties of electrodes based on highly dispersed carbon as applied to their use in supercapacitors and for capacitive deionization of water. Мoscow, 2013. 164 p. (in Russian).Перспективные углеродные материалы для суперконденсаторов / А. Ю. Рычагов [и др.] // Электрохимическая энергетика. – 2012. – Т. 12, № 4. – С. 167–180.Rychagov A. Yu., Wolfkovich Yu. M., Vorotyntsev M.A., Kvacheva L. D., Konev D. V., Krestinin A. V., Kryazhev Yu. G., Kuznetsov V. L., Kukushkina Yu A., Mukhin V. M., Sokolov V. V., Chervonobrodov S. P. Promising carbon materials for supercapacitors. Elektrokhimicheskaya energetika = Electrochemical Energetics, 2012, vol. 12, no. 4, pp. 167–180 (in Russian).Kim, T. Low Energy Desalination Using Battery Electrode Deionization / T. Kim, C. A. Gorski, B. E. Logan // Environ. Sci. Technol. Lett. – 2017. – Vol. 4, iss. 10. – P. 444–449. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.7b00392Kim T., Gorski C. A., Logan B. E. Low Energy Desalination Using Battery Electrode Deionization. Environmental Science & Technology Letters, 2017, vol. 4, iss. 10, pp. 444–449. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.7b00392Desalination of brackish water using capacitive deionization (CDI) technology / F. Ahmada [et al.] // Desalination and Water Treatment. – 2015. – Vol. 57, iss. 17. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1037357Ahmada F., Khana S. J., Jamala Y., Kamrana H., Ahsana A., Ahmada M., Kha A. Desalination of brackish water using capacitive deionization (CDI) technology. Desalination and Water Treatment, 2015, vol. 57, iss. 17. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1037357Метод сокращения времени десалинизации в проточном CDI-опреснителе / А. С. Жданок [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. фiз.-тэхн. навук. – 2018. – Т. 63, № 4. – С. 444–454. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-4-444-454.Zhdanok A. S., Chervyak A. G., Shushkov S. V., Alotaibi Zaid S., Alharbi Yaseen G. Method for reducing the desalination time in a “flow-through” CDI-water clearance equipment. Vestsi Natsyyanal’nai academii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2018, vol. 63, no. 4, pp. 444–454 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-4-444-454.Resistance 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.5b02542Optimum 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. https://doi.org/10.3390/en7063823Pernía A. M., Álvarez-González F. J., Díaz J., Villegas P. J. and Nuño F. Optimum Peak Current Hysteresis Control for Energy Recovering Converter in CDI Desalination. Energies, 2014, vol. 7, no. 6, pp. 3823–3839. https://doi.org/10.3390/en7063823Астафьев, Е. А. Производство и поставка приборов для электрохимических исследований [Electronic resource] / Е. А. Астафьев. – Mode of access: https://docplayer.ru/31816395-Chto-takoe-potenciostat-i-kak-im-pravilno-polzovatsya.html – Date of access: 06.11.2019.Astafiev E. A. Production and supply of devices for electrochemical research. Available at: https://docplayer.ru/31816395-Chto-takoe-potenciostat-i-kak-im-pravilno-polzovatsya.html (accessed 06 November 2019) (in Russian).Estpure: Water is the sourse of life [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.estpure.com/index.php/zbtz.html – Date of access: 10.08.2019.Estpure: Water is the sourse of life. Available at: http://www.estpure.com/index.php/zbtz.html (accessed 10 September 2019).

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