Degradation and polarity inversion studies in Capacitive Deionisation

Capacitive deionization (CDI) is a relatively new and promising water desalination technique where a potential difference is applied between two electrodes to separate charged species in water. Reportedly, CDI systems are prone to performance decline during long-time operation. According to the literature, lowering of the cell performance metrics mainly occurs due to oxidation of the positive activated carbon (AC) electrode. In this work, we show that a severe decline in Salt Adsorption Capacity (SAC) and charge efficiency occurs within 200 desalination/regeneration cycles at 1.0 V cell voltage. Therefore, we explore the capabilities of the cell polarity inversion as an option for retaining cell performance over cycling. The reversal of electrode polarity is done at every desalination cycle, after 50 cycles and 100 cycles, during a 200-cycle test, and is compared with conventional polarization for 200 cycles using CDI metrics, cell parameters, and other characterization techniques. With polarity inversion, the SAC of the cell remains higher than that of the CDI cell operated under normal polarization after ~200 desalination/regeneration cycles. We confirm that oxidation of the positive AC electrode is mostly responsible for cell performance loss, along with permanent storage of ions in the electrode and mechanical degradation. Additionally, the study of membrane-CDI (mCDI) reveals performance loss of the cell even in the presence of ion-exchange membranes under 1.2 V cell voltage. Therefore, the present work highlights the importance of considering alternative materials to AC for use as the positive electrode in CDI.

La deionizzazione capacitiva (CDI) è una tecnica di dissalazione dell'acqua di recente sviluppo industriale, di interesse per il trattamento di acque potabili e industriali, basata sul fenomeno di elettro-adsorbimento ionico agli elettrodi - idealmente polarizzabili, ai quali cioè è inibito il trasferimento di carica – di una cella elettrochimica sotto l’azione di un’opportuna differenza di potenziale. Il carbone attivo (AC) è il materiale elettrodico più utilizzato in CDI grazie alla sua elevata capacità gravimetrica ed alla sua discreta conduttività. Vi sono in letteratura numerosi riscontri circa la suscettibilità dei sistemi CDI a un degrado di prestazione durante il funzionamento, anche a breve termine (centinaia di cicli operativi). Si ritiene in genere che l’ossidazione degli elettrodi a base carbonio, segnatamente dell’elettrodo positivo, sia il fattore principale responsabile del decadimento della capacità di adsorbimento salino (SAC) e dell’efficienza di carica (Lambda). In questo lavoro si è osservato che un serio declino di SAC e Lambda si verificano entro 200 cicli di desalinizzazione/rigenerazione a una tensione di cella di 1,0 V. Si è quindi studiata l’efficacia di un modo operativo per inversione di polarità nel mantenere o ristabilire almeno parzialmente le prestazioni di una cella CDI. L'inversione di polarità è eseguita ad ogni ciclo di desalinizzazione, dopo 50 cicli o dopo 100 cicli, nel corso di un test di durata complessiva di 200 cicli di dissalazione e rigenerazione. La valutazione di efficacia si basa sul confronto delle cifre di merito SAC e Lambda e sull’analisi dei processi dissipativi di desorbimento co-ionico e reazioni faradiche, usando un semplice modello di distribuzione della carica alimentata alla cella. In aggiunta, si esaminano come ulteriori possibili meccanismi di degrado, l’erosione degli elettrodi e la cattura di ioni. Con l'inversione di polarità, si osserva un lieve incremento della SAC rispetto a quello della cella CDI in condizioni di polarizzazione normale dopo 200 cicli di funzionamento. I risultati permettono di confermare che l'ossidazione dell'elettrodo positivo è il principale fattore responsabile della perdita di prestazioni della cella, insieme con l’erosione meccanica e la cattura di ioni dell'elettrodo. Inoltre, lo studio di una cella a membrana (mCDI) ha permesso di rilevare un simile degrado anche in presenza di membrane a scambio ionico alla tensione di cella di 1,2 V. È quindi opportuno sviluppare e studiare materiali alternativi ad AC per l’impiego come elettrodo positivo in CDI.