الرئيسيةعريقبحث

إزالة الأيونات بالسعة

☰ جدول المحتويات


capacitive deionization
رسم توضيحي لجهاز إزالة التأين بالسعة[1]

إزالة التأين بالسعة ( CDI ) هي تقنية لإزالة الأيونات من الماء من خلال تطبيق فرق الجهد الكهربائي على قطبين، [2]والتي غالبًا ما تكون مصنوعة من الكربون المسامي. تتم إزالة الأنيونات،( أيونات ذات شحنة سالبة) ، من الماء ويتم تخزينها في القطب المستقطب بشكل إيجابي. وبالمثل، يتم تخزين الكاتيونات (الشحنة الموجبة) في الكاثود، وهو القطب المستقطب سلبًا.

ويستخدم CDI أساسا ل تحلية المياه من المياه المالحة، وهو الماء مع منخفضة أو تركيز الملح معتدلة (أقل من 10 جم / لتر).[3][4][5][6] تكنولوجيات أخرى لإزالة الأيونات الماء هي، من بين أمور أخرى، التقطير، التناضح العكسي والكهربي . مقارنة بالتناضح العكسي والتقطير، تعتبر CDI تقنية موفرة للطاقة لتحلية المياه المالحة. هذا بشكل رئيسي لأن CDI يزيل أيونات الملح من الماء، في حين أن التقنيات الأخرى تستخرج الماء من محلول الملح.[6] [5][7]

تمت الإشارة تاريخياً إلى CDI باسم إزالة المعادن الكهروكيميائية، أو "عملية الامتصاص الكهربائي لتحلية المياه" ، أو الامتصاص الكهربائي لأيونات الملح. كما أنها تسمي بأسماء تحلية سعوية، أو في الأدبيات التجارية باسم "CapDI".

التاريخ

في عام 1960 ، أفاد بلير ومورفي بمفهوم التنقية الكهروكيميائية للمياه.[8] في تلك الدراسة، افترض أنه تمت إزالة الأيونات عن طريق التفاعلات الكهروكيميائية مع مجموعات كيميائية محددة على جزيئات الكربون في الأقطاب الكهربائية.[9] في عام 1971 قدم جونسون ونيومان نظرية للانتقال الأيوني في أقطاب كربون مسامية لتخزين CDI وتخزين الأيونات وفقًا لآلية المكثف.  منذ عام 1990 فصاعدًا، جذب CDI مزيدًا من الاهتمام بسبب تطوير مواد إلكترود جديدة، مثل الهباء الجوي الكربوني وأقطاب أنابيب الكربون النانوية[10] . في عام 1996 ،[11] فارمر وآخرون. كما قدم مصطلح إزالة التأين بالسعة واستخدم الاختصار الشائع الآن "CDI" لأول مرة. [2] في عام 2004 ، تم إدخال إزالة التأين بالسعة الغشائية في براءة اختراع ل Andelman[12]

العملية

دورات الانتزازو والامتزاز

يمر تشغيل نظام CDI التقليدي عبر مرحلتين: مرحلة الامتزاز حيث يتم تحلية المياه ومرحلة الامتزاز (الادمصاص) حيث يتم إعادة توليد الأقطاب الكهربائية. خلال مرحلة الامتزاز، يتم تطبيق فرق محتمل على قطبين ويتم امتصاص الأيونات من الماء. في حالة CDI مع أقطاب الكربون المسامية، يتم نقل الأيونات من خلال المسام بين الجسيمات لقطب الكربون المسامي إلى المسام داخل الجسيمات، حيث يتم امتصاص الأيونات بالكهرباء في ما يسمى الطبقات الكهربائية المزدوجة(EDLs). بعد تشبع الأقطاب الكهربائية بالأيونات، يتم إطلاق الأيونات الممتصة لتجديد الأقطاب. يتم عكس أو تقليل الفرق المحتمل بين الأقطاب الكهربائية إلى الصفر. وبهذه الطريقة، تغادر الأيونات مسام الإلكترود ويمكن طردها من خلية CDI مما يؤدي إلى تدفق السوائل مع تركيز الملح العالي، ما يسمى تيار المحلول الملحي أو التركيز. يمكن استرداد جزء من مدخلات الطاقة المطلوبة خلال مرحلة الامتزاز خلال خطوة الامتزاز هذه.

ادمصاص الأيونات من المياه المالحة لتحلية المياه
انتزاز الأيونات من الماء العذب لتجديد الأقطاب الكهربائية

امتزاز(امتصاص) الأيونات من المياه المالحة لتحلية المياه

امتصاص الأيونات من الماء العذب لتجديد الأقطاب الكهربائية تحرير الامتزاز الأيوني في الطبقات الكهربائية المزدوجة يجب دائمًا تعويض أي مبلغ من الرسوم بنفس القدر من الرسوم المضادة. على سبيل المثال، في محلول مائي، يساوي تركيز الأنيونات تركيز الكاتيونات. ومع ذلك، في EDLs المتكونة في المسام داخل الجسيمات في قطب قائم على الكربون، يمكن زيادة نوع واحد من الأيونات على الآخر، ولكن يجب تعويضه بشحنة كهربائية في مصفوفة الكربون. في التقريب الأول، يمكن وصف هذا EDL باستخدام نموذج Gouy-Chapman-Stern ، الذي يميز ثلاث طبقات مختلفة:[13][14][15]

مصفوفة الكربون المسامية، والتي تحتوي على الشحنة الكهربائية في هيكل الكربون. تقع طبقة ستيرن بين مصفوفة الكربون والطبقة المنتشرة. طبقة ستيرن هي طبقة عازلة، أي أنها تفصل بين طبقتين بشحنة، لكنها لا تحمل أي شحنة بحد ذاتها. الطبقة المنتشرة، حيث تعوض الأيونات الشحنة الكهربائية لمصفوفة الكربون. يتم توزيع الأيونات بشكل منتشر في هذه الطبقة. غالبًا ما يمكن تقريب عرض الطبقة المنتشرة باستخدام طول Debye ، وتمييز المسافة لتركيز الأيونات المضادة لتقليلها بواسطة العامل 1 / e. لتوضيح ذلك، يبلغ طول ديباي حوالي 3.1 نانومتر عند 20 درجة مئوية ولمحلول NaCl 10 ملي مولار. هذا يعني أن أكثر من 95 ٪ من الشحنة الكهربائية في مصفوفة الكربون يتم تعويضها في طبقة منتشرة بعرض حوالي 9 نانومتر. عند شحن مصفوفة الكربون، يجب تعويض الشحنة بشحنة أيونية في الطبقة المنتشرة. يمكن القيام بذلك إما عن طريق امتزاز المناظير، أو امتزاز الكوابل (أيونات ذات علامة شحن متساوية مثل تلك الموجودة في مصفوفة الكربون).

طبقة كهربائية مزدوجة (نموذج وفقًا لنظرية Gouy-Chapman-Stern)

طبقة كهربائية مزدوجة (نموذج وفقًا لنظرية Gouy-Chapman-Stern) إلى جانب امتزاز الأنواع الأيونية بسبب تكوين EDLs في المسام داخل الجسيمات، يمكن أن تشكل الأيونات رابطة كيميائية مع مساحة سطح جزيئات الكربون أيضًا. وهذا ما يسمى الامتزاز المحدد، بينما يشار إلى امتزاز الأيونات في EDLs باسم الامتزاز غير المحدد[16]

مراجع

  1. Qi, Zhaoxiang; Koenig, Gary M. (July 2017). "Review Article: Flow battery systems with solid electroactive materials". Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 35 (4): 040801. doi:. ISSN 2166-2746.
  2. Biesheuvel, 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. (2017). "Capacitive Deionization -- defining a class of desalination technologies [OPEN ACCESS]". arXiv: [physics.app-ph].
  3. Suss, M.E.; Porada, S.; Sun, X.; Biesheuvel, P.M.; Yoon, J.; Presser, V. (2015). "Water desalination via capacitive deionization: what is it and what can we expect from it? [OPEN ACCESS]". Energy Environ. Sci. 8 (8): 2296. doi:.
  4. Weinstein, Lawrence; Dash, R. (2013). "Capacitive Deionization: Challenges and Opportunities". Desalination & Water Reuse.
  5. Porada, S.; Zhao, R.; Wal, A. van der; Presser, V.; Biesheuvel, P.M. (2013). "Review on the science and Technology of Water Desalination by Capacitive Deionization [OPEN ACCESS]". Progress in Materials Science. 58 (8): 1388–1442. doi:.
  6. Anderson, M.A.; Cudero, A.L.; Palma, J. (2010). "Capacitive deionization as an electrochemical means of saving energy and delivering clean water. Comparing to present desalination practices: Will it compete?". Electrochimica Acta. 55 (12): 3845–3856. doi:10.1016/j.electacta.2010.02.012.
  7. "CDI & electrosorption". مؤرشف من الأصل في 2 سبتمبر 2019.
  8. Blair, J.W.; Murphy, G.W. (1960). "Electrochemical demineralization of Water with Porous Carbon Electrodes of Large Surface Area". 27. Washington D.C.: U.S. Dept. of the Interior.
  9. Reid, G.W. (1968). "Field operation of a 20 gallons per day pilot plant unit for electrochemical desalination of brackish water". 293. Washington D.C.: U.S. Dept. of the Interior.
  10. Johnson, A.M.; Newman, J. (1971). "Desalting by means of porous carbon electrodes". Journal of the Electrochemical Society. 118 (3): 510–517. doi:10.1149/1.2408094.
  11. Farmer, J.C.; Fix, D.V.; Mack, G.W.; Pekala, R.W.; Poco, J.F. (1996). "Capacitive deionization of NaCl and NaNO3 solutions with carbon aerogel electrodes". Journal of the Electrochemical Society. 143 (1): 159–169. doi:10.1149/1.1836402. مؤرشف من الأصل في 24 أبريل 2020.
  12. Andelman (2004). "US6709560, Charge barrier flow-through capacitor". مؤرشف من الأصل في 20 مايو 2020.
  13. Kirby, B.J. "The diffuse structure of the electrical double layer". مؤرشف من الأصل في 27 أغسطس 2019.
  14. "Britannica - Electrical Double Layer". مؤرشف من الأصل في 27 أبريل 2015.
  15. "TDA Research - Capacitive deionization". مؤرشف من الأصل في 05 مارس 201202 أغسطس 2013.
  16. Ibach, H. (2006). Physics of Surfaces and Interfaces. Springer-Verlag.


موسوعات ذات صلة :