Capacitieve deïonisatie (CDI) is energetisch gunstig om water te deïoniseren, maar bestaande methoden zijn beperkt door hun ontziltingscapaciteiten en tijdrovende cycli als gevolg van onvoldoende voor ionen toegankelijke oppervlakken en langzaam elektronen/ionentransport. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Tianyu Liu en een onderzoeksteam in de scheikunde, Civiele en Milieutechniek, en nanowetenschap bij Virginia Tech, ONS., aangetoond poreuze koolstofvezels (PCF) als een effectief CDI-materiaal. Ze hebben de PCF's afgeleid van microfase-gescheiden poly(methylmethacrylaat)- blok -polyacrylonitril (PMMA-b-PAN). De resulterende PCF's behielden overvloedige en uniforme mesoporiën die onderling verbonden waren met microporiën om een ​​hiërarchische poreuze structuur te vormen met een grote, ion-toegankelijk oppervlak en hoge ontziltingscapaciteit. De continue koolstofvezels en het onderling verbonden poreuze netwerk maakten snel elektronen/ionentransport mogelijk om een ​​hoge ontziltingssnelheid te behouden. Het werk benadrukt de belofte van op copolymeer gebaseerde PCF voor hoge capaciteit en hoge snelheid CDI.

De toenemende onttrekking en ongelijke verdeling van zoet water stellen kritische uitdagingen voor de technische en sociaal-economische ontwikkeling. Ontzilting is een veelbelovende aanpak op basis van een enorm reservoir met zeewater om het zoetwatertekort aan te pakken. Omgekeerde osmose en thermische destillatie zijn veel toegepaste technieken om zeewater of brak water met hoge zoutconcentraties te verwerken, hoewel dergelijke methoden energie-intensief en kostbaar zijn wanneer de zoutconcentraties laag zijn. Als een alternatief, capacitieve deïonisatie (CDI) kan ionen verwijderen door middel van elektrosorptie of pseudocapacitieve reacties om water met lage zoutconcentraties te ontzilten.

Materiaalwetenschappers gebruiken poreuze koolstoffen als primaire CDI-elektrodematerialen vanwege hun hoge elektrische geleidbaarheid, groot oppervlak, op maat gemaakte structuur en uitstekende stabiliteit. Voorbeelden zijn onder meer actieve kool (AC), grafeen aerogels en macroporeuze koolstoffen afgeleid van biomassa. Echter, de ontziltingscapaciteiten en -snelheden van dergelijke materialen moeten nog worden verbeterd. Gebaseerd op de beperkte prestaties van microporeuze en macroporeuze materialen, Liu et al. veronderstellen dat koolstofvezels een hoge ontziltingscapaciteit kunnen bereiken vanwege de onderling verbonden hiërarchische architectuur. In dit werk, het team demonstreerde poreuze koolstofvezels (PCF's) als superieure elektrodematerialen voor capacitieve deïonisatie. De innovatie van de techniek hier berustte op het ontwerp van de koolstofelektrodevoorloper op moleculair niveau. Liu et al. een blokcopolymeer gebruikt om PCF's te maken door middel van elektrospinnen, oxidatie, stabilisatie, en pyrolyse. Het resulterende grote effectieve ontziltingsoppervlak met een overvloedige en uniforme architectuur verbeterde de ontziltingscapaciteit door snel elektronentransport en snelle iondiffusie mogelijk te maken.

Om materialen voor CDI te ontwerpen, het team bestudeerde drie koolstofmaterialen, inclusief op blokcopolymeer gebaseerde PCF (poreuze koolstofvezels) met een groot voor ionen toegankelijk oppervlak. Het team heeft ook industriële op PAN (polyacrylonitril) gebaseerde koolstofvezels (CF) en actieve kool (AC) getest. De vezelige koolstof en onderling verbonden mesoporiën maakten continue en effectieve transportroutes voor elektronen en ionen mogelijk, terwijl de interne weerstand van ontzilting in cellen wordt verminderd en de snelheid van ontzilting wordt verbeterd. In tegenstelling tot, de andere materialen hadden een beperkt oppervlak voor elektrosorptie van ionen en een verslechterde ontziltingssnelheid. Het team hechtte vervolgens aan alle drie de materialen; PCF, CF en AC tot vertinde koperen tapes en gebruikten ze als elektroden in CDI-cellen. Met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden merkten ze verschillende verschijningen op voor de drie verschillende materialen. Op basis van de eerste resultaten verwachtten ze dat PCF de hoogste mate van ontzilting zou vertonen.

De wetenschappers voerden vervolgens een reeks experimenten uit om de chemische en elektrische eigenschappen van alle drie de materialen te begrijpen. Na het meten van de watercontacthoek tussen het oppervlak, ze merkten een grote contacthoek op voor AC-substraten, die een hydrofoob (waterafstotend) grensvlak vertegenwoordigde - ongewenst om waterige oplossingen te ontzilten. In de tussentijd, zonder geleidende toevoegingen, de PCF- en CF-materialen waren zeer elektrisch geleidend volgens elektrochemische impedantiespectroscopie en vierpuntssondemetingen. Gebaseerd op meerdere kenmerken, waaronder hiërarchische poreuze structuren, effectieve oppervlakte, hoge elektrische geleidbaarheid en lage diffusieweerstand, het team besloot dat PCF een uitstekend elektrodemateriaal zou zijn voor CDI.

Ze demonstreerden het deïonisatievermogen van PCF door twee waterbronnen te ontzilten, waaronder kunstmatig brak water met natriumchloride (NaCl) en synthetisch kraanwater met NaCl in conische cellen, met twee symmetrische elektroden. Ze bepaalden de concentraties met behulp van ionchromatografie en constateerden dat de NaCl-concentratie van kraanwater na vijf deïonisatiecycli was gedaald tot een ultralage concentratie. Liu et al. kwantificeerde verder de ontziltingscapaciteit en snelheid van PCF met behulp van eencyclusdeïonisatie bij een toegepaste voorspanning van 1,0 V over de twee PCF-elektroden om afnemende zoutconcentraties van 501,2 tot 477,5 mg/L waar te nemen. In vergelijking, CDI-cellen die CF en AC bevatten, vertoonden slechts een lichte afname van de zoutconcentratie bij dezelfde spanningsbias. De ontziltingscapaciteit van PCF, bij 30 mg _NaCl G _PCF ⁻¹ , presteerde beter dan andere koolstof-CDI-elektroden en bereikte een maximale ontziltingssnelheid van 38 mg g ⁻¹ min ⁻¹ ongeveer 40 keer sneller dan koolstofnanobuisjes, grafeen, CF's en andere driedimensionale poreuze koolstoffen.

Het energieverbruik bij PCF was ook laag, en het veelzijdige materiaal zou andere veel voorkomende kationen in water kunnen verwijderen, inclusief kaliumionen (K ⁺ ), magnesiumionen (Mg ²⁺ ) en calciumionen (Ca ²⁺ ). Chemische reacties veranderden het oppervlak van PCF niet vanwege de elektrische dubbellaagse CDI-cellen, waardoor het oppervlak zijn ontziltingscapaciteit behoudt zonder tekenen van degradatie of aanzienlijk verlies na herhaalde laad-ontlaadcycli. Op deze manier, Tianyu Liu en collega's benadrukten op blokcopolymeer gebaseerde PCF als een hoogwaardig elektrodemateriaal voor CDI, met behoud van een ultrahoge ontziltingscapaciteit, overtreft andere state-of-the-art carbon materialen. Liu et al. toegeschreven de ultrasnelle snelheid en hoge capaciteit van ontzilting aan de gecombineerde structurele, fysieke en elektrische eigenschappen van PCF. In de toekomst, Liu et al. zullen onderzoeken hoe de eigenschappen van PCF de ontziltingsprestaties beïnvloeden - ze verwachten een positieve correlatie tussen oppervlakte-eigenschappen van het materiaal en capacitieve deïonisatie. De onderzoekers stellen aanvullende technische strategieën voor om een ​​efficiënte stroom door continue ontziltingscellen te ontwerpen met behulp van PCF om de capaciteit en snelheid van ontzilting verder te vergroten.

© 2020 Wetenschap X Netwerk