Электрофизические характеристики работы опреснителя на принципе емкостной деионизации

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.

опреснение, солевой раствор, объемная деионизация, пористый электрод, сорбция ионов, степень опреснения, энергетическая эффективность

1. Уразаев, В. Обзор методов очистки воды / В. Уразаев // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – № 2. – С. 72–79.

2. 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: 10.08.2019

3. 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

4. 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

5. 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. https://doi.org/10.1134/S0018151X15010034

6. 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

7. Михалин, 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.

8. Перспективные углеродные материалы для суперконденсаторов / А. Ю. Рычагов [и др.] // Электрохимическая энергетика. – 2012. – Т. 12, № 4. – С. 167–180.

9. 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.7b00392

10. Desalination of brackish water using capacitive deionization (CDI) technology / F. Ahmada [et al.] // Desalination and Water Treatment. – 2015. – Vol. 57, iss. 17. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1037357

11. Метод 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.

12. 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

13. 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

14. 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. https://doi.org/10.3390/en7063823

15. Астафьев, 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.

16. 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.