Optimization of parameters affecting electrochemical performance of capacitive deionization cell

Capacitive deionization (CDI) is an emerging technology for the removal of charged ionic species from aqueous solutions, that can be tailored for desalination applications. The technology utilities highly porous carbon materials as a pair of electrically charged electrodes, where ion electrosorption occurs at the electrical double layer (EDL) on the surface of the electrodes. The major strength points of CDI are its capability for selective ion electrosorption and energy efficiency. However, vast improvements are to be made to boost performance and stability, due to the complex interfacial chemistry of carbon-based materials. Therefore, this work tackles the problem of operational stability and performance optimization of a CDI lab-scale system. Activated Carbon (AC) electrodes are used for its high specific surface area and specific capacitance, in addition to relative stability and low cost. A flow-by CDI cell is used with various modifications to the structure by incorporating an anionic and cationic exchange membranes (AEM and CEM, respectively), leading to experimentation with CDI, AEM-CDI, CEM-CDI, and Membrane CDI (MCDI). First, the fundamental performance metrics of the process, namely salt adsorption capacity (SAC) and average salt adsorption rate (ASAR) show an inverse proportional relationship to flowrate of the aqueous sodium chloride solution (10 mM NaCl), over the range from 5 ml min-1 to 30 ml min-1, though with an overall small change over this range. Secondly, cell preparation and assembly are optimized towards optimal desalination performance and operational stability. It is realized that by appropriate electrode pre-wetting, CDI cell tightening, and operating voltage less than 1.0 V, long-term operational stability and maximal SAC values can be obtained. Then, it is observed that faradic reactions are primarily responsible for pH fluctuations during operation and for the degradation of the AC electrodes; therefore, they are responsible for the impracticality of the CDI basic technology for water desalination applications. Therefore, in this work, electrochemical performance is optimized by realizing a balance between flow rate, applied potential and cell assembly for the purposes of brackish water desalination.

la deionizzazione capacitiva (CDI) è una tecnologia emergente per la rimozione di specie ioniche cariche da soluzioni acquose, che attraversa una fase di continuo sviluppo tecnologico in vista della sua maturazoine a tecnica di desalinizzazione. Una cella CDI comprende due elettrodi di carbone attivo altamente porosi, così da garantire un’elevata capacità di adsorbimento ionico entro il doppio strato elettrico (EDL) che si forma alla superficie degli elettrodi. I principali punti di forza del CDI sono la capacità di elettrosorbimento selettivo di ioni e l'efficienza energetica. Tuttavia, per migliorare prestazioni e stabilità operativa, è necessario uno studio dettagliato del processo, che rifletta la complessità dei fenomeni di interfaccia dei materiali a base di carbonio. Preliminare a questo studio è la messa a punto di un sistema sperimentalmente affidabile e robusto e, a questo scopo, abbiamo intrapreso un lavoro di indagine sugli aspetti pratici ed operativi del processo di deionizzazone capacitiva utilizzando una cella e un sistema di monitaraggio realizzati in laboratorio. Questo lavoro affronta pertanto il problema della stabilità operativa e dell'ottimizzazione delle prestazioni del sistema CDI realizzato in laboratorio. Si usano elettrodi di carbone attivo (AC) per la sua elevata area superficiale specifica e capacità specifica, oltre alla relativa stabilità e al basso costo. Viene usata una cella CDI a flusso sia nella configurazione base, con una coppia di elettrodi AC e separatore (cella CDI) sia in diverse configurazioni che includono una o due membrane a scambio ionico, portando alla sperimentazione delle celle con una singola membrana (AEM-CDI, con membrana anionica; CEM-CDI, con membrana cationica) e della cella con entrambe le membrane, MCDI. Innanzi tutto, i parametri di prestazione fondamentali del processo, vale a dire la capacità di adsorbimento salino (SAC) e la velocità media di adsorbimento salino mostrano una relazione inversa con la velocità del flusso della soluzione (10 mM NaCl), nell’intervallo di velocità di flusso da 5 ml min-1 a 30 ml min-1. In secondo luogo, si è provveduto ad ottimizzare preparazione e assemblaggio della cella rispetto al comportamento nelle prove di dissalazione. Si è riscontrato, entro i limiti di questo lavoro sperimentale, che vi sono alcune misure di particolare importanza da adottare nell’allestimento del sistema sperimentale allo scopo di conseguire stabilità operative e massimizzare la capacità di adsorbimento salini, quali un’attenta e appropriata pre-bagnatura degli eletrodo, l’adeguata chiusura della cella per un garantire le condizioni di flusso, una tensione di cella non superiore a 1 V. Le reazioni faradiche che hanno luogo durante l’adsorbimento sono responsabili di importanti fluttuazioni di pH durante il funzionamento della cella e della degradazione degli elettrodi di carbone attivo con il tempo di funzionamento; pertanto, esse sono anche responsabili dell’impraticabilità della tecnica CDI nella sua forma base (senza impiego di membrane a scambio ionico) per quanto riguarda le applicazioni di desalinizzazione dell'acqua. Pertanto, in questo lavoro, si è ottimizzato il processo elettrochimico cercando un opportuno equilibrio tra potenziale applicato, velocità di flusso e preparazione e allestimento della cella ai fini della desalinizzazione dell'acqua salmastra.