Метод сокращения времени десалинизации в проточном CDI-опреснителе

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.

1. Уразаев, В. Обзор методов очистки воды / В. Уразаев // Технологии в электрон. пром-сти. – 2007. – № 2. – С. 72–79.

2. 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.2013.03.005

3. Water 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/C5EE00519A

4. Елецкий, 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.

5. 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.2011.11.006

6. 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.2015.10.006

7. Characterization 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.5b02542

8. Бисхейвель, 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.

9. Optimum 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.

10. Energy breakdown in capacitive deionization / Ali Hemmatifar [et al.] // Water Research. – 2016. – Vol. 104. – P. 303–311. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.08.020

11. Anomalous 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.1132195

12. Complementary 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.2016.01.048