Χωρητικός απιονισμός

Ο χωρητικός απιονισμός (capacitive deionization) ή όπως ορισμένες φορές αναφέρεται και ως ηλεκτρο-ρόφηση (electro-sorption) είναι μια νέα ηλεκτροχημική διεργασία αφαλάτωσης και επεξεργασίας του νερού. Ο χωρητικός απιονισμός βασίζεται στη φορτο-εκφόρτιση υπερπυκνωτή διπλής στοιβάδας (double-layer supercapacitor) που σχηματίζεται μέσω χωρητικών ρευμάτων στην διεπιφάνεια διαλύματος/ηλεκτροδίου. Για το λόγο αυτό απαιτεί πορώδη νανο-ηλεκτρόδια με μεγάλη αγωγιμότητα και όσο το δυνατό μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια π.χ. αερογέλη ενεργού άνθρακα (activated carbon aerogel) ή άλλα νανο-δομημένα ηλεκτρόδια. Διαφέρει από την ηλεκτροδιαπίδυση ή ηλεκτροδιάλυση (electrodialysis) και τον ηλεκτροαπιονισμό (electrodeionization) στο ότι πρώτον, δεν χρησιμοποιεί ιοντοανταλλακτικές μεμβράνες και ιοντοανταλλακτικές μεμβράνες και ρητίνες αντίστοιχα και δεύτερον, είναι μια ασυνεχής διεργασία με εναλλασσόμενα στάδια φόρτισης-εκφόρτισης-έκπλυσης των ηλεκτροδίων.

 Με εφαρμογή ορισμένης διαφοράς δυναμικού στα ηλεκτρόδια τα κατιόντα ή άλλα θετικά φορτισμένα σωματίδια οδεύουν προς το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο της καθόδου όπου συγκρατούνται ηλεκτροστατικά, ενώ τα ανιόντα ή άλλα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια οδεύουν προς το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο της ανόδου όπου και αυτά συγκρατούνται ηλεκτροστατικά (στάδιο φόρτισης-απιονισμού). Κατόπιν, η εφαρμογή της τάσης διακόπτεται και με βραχυκύκλωμα ή αλλαγή της πολικότητας τα κορεσμένα με ιόντα (φορτισμένα) ηλεκτρόδια αναγεννώνται αποβάλλοντας τα προσροφημένα στην επιφάνειά τους ιόντα (στάδιο εκφόρτισης-αναγέννησης). Στη συνέχεια τα ηλεκτρόδια εκπλύνονται με λίγο απιονισμένο νερό (στάδιο έκπλυσης) και είναι έτοιμα για νέο κύκλο χρησιμοποίησης. Η εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού είναι της τάξης του ηλεκτροχημικού δυναμικού διάσπασης του νερού δηλ. 1,2 - 1,5 Volt για να αποφεύγονται οι διπολικές ηλεκτροχημικές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις λόγω μεταφοράς ηλεκτρονίων στα ηλεκτρόδια. Ετσι αποκλείονται τα μη παραγωγικά ρεύματα Faraday και λαμβάνουν χώρα μόνο τα παραγωγικά για τον απιονισμό χωρητικά ρεύματα φόρτισης-εκφόρτισης, και η όλη διεργασία καθίσταται αντιστρεπτή. Οι σχηματιζόμενες διπλοστοιβάδες περιγράφονται με τα τρία πρότυπα των Helmoltz, Gouy-Chapman και Stern αντίστοιχα. Η χωρητικότητα των πορωδών ηλεκτροδίων δίνεται από τη σχέση: C = ∫ d q d U = I ∫ d t d U {\displaystyle C=\int {\frac {dq}{dU}}=I\int {\frac {dt}{dU}}} όπου: q = φορτίο (Cb) U = διαφορά δυναμικού (V) t = χρόνος (s) I = ένταση ρεύματος (A) Όπως οι ηλεκτροχημικοί υπερπυκνωτές (electrochemical ultracapacitors) έτσι και το σύστημα χωρητικού απιονισμού καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια κατά το στάδιο της φόρτισης των ηλεκτροδίων. Η ενέργεια όμως αυτή αποθηκεύεται στα φορτισμένα με ιόντα ηλεκτρόδια. Ένα σημαντικό μέρος της αποθηκευμένης αυτής ενέργειας είναι δυνατό να ανακτηθεί κατά το στάδιο της εκφόρτισης-αναγέννησης των ηλεκτροδίων.Επομένως, το σύστημα χωρητικού απιονισμού μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και παραγωγής καθαρού νερού ταυτόχρονα. Σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους αφαλάτωσης ο χωρητικός απιονισμός απαιτεί πολύ χαμηλότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Για αφαλάτωση π.χ. υφάλμυρου νερού με περιεκτικότητα ολικών διαλυμένων στερεών (total dissolved solids, TDS) 1500-2000 ppm, ο χωρητικός απιονισμός απαιτεί 0.50 - 1.01 kJ/l, η ηλεκτροδιαπίδυση 5.5 – 6.5 kJ/l και η εξάτμιση 29 – 30 kJ/l νερού, αντίστοιχα. Η τεχνολογία είναι ενεργειακά σαφώς πολύ ευνοϊκή και πολλά υποσχόμενη αλλά βρίσκεται ακόμα σε πειραματικό – ερευνητικό στάδιο. Δείτε επίσης Ηλεκτροχημεία Ηλεκτροαπιονισμός Ηλεκτροδιαπίδυση ή ηλεκτροδιάλυση Ηλεκτρόλυση J.C. Farmer, D.V. Fix, G.V. Mack, R.W. Pekala and J.F. Poco, “Capacitive deionization of NH4NO3 solutions with carbon aerogel electrodes”, Journal of Applied Electrochemistry 26 (1996) 1007. C.J. Gabelich, T.D. Tran and I.H. Mel Suffet, “Electrosorption of Inorganic Salts from Aqueous Solution Using Carbon Aerogels” Environmental Science & Technology 36 (2002) 3010. T.J. Welgemoed, C.F. Schutte, “Capacitive Deionization Technology: An alternative desalination solution”, Desalination 183 (2005) 327. L. Zou, L. Li, H. Song, G. Morris, “Using mesoporous carbon electrodes for brackish water desalination”, Water Research 42 (2008) 2340 M.A. Anderson, A.L. Cudero, J. Palma, “Capacitive deionization as an electrochemical means of saving energy and delivering clean water. Comparison to present desalination practices: Will it compete?” Electrochimica Acta 55 (2010) 3856. Beom-Jin Yoon, Soo-Hwan Jeong, Kun-Hon Lee, Hyung Seok Kim, Chan Gyung Park, Jong Hun Han, “Electrical properties of electrical double layer capacitors with integrated carbon nanotube electrodes”, Chemical Physics Letters 388 (2004) 170-174. R. Koetz, M. Carlen, “Principles and applications of electrochemical supercapacitors” Electrochimica Acta 45 (2000) 2483. T.D. Tran, J.C. Farmer, L. Murgula, Patent US6,309,532 B1, Oct.30,2001. K. Dermentzis, Κ.Ouzounis “Continuous capacitive deionization - electrodialysis reversal through electrostatic shielding for desalination and deionization of water” Electrochimica Acta, 53 (2008) 7123. Technological Education Institute TEI of Kavala. K. Dermentzis, A. Christoforidis, D. Papadopoulou, A. Davidis, “Ion and Ionic Current Sinks for Electrodeionization of Simulated Cadmium Plating Rinsewaters” Environmental Progress & Sustainable Energy (2010) DOI: 10.1002/ep.10438. Κωνσταντίνος Δερμεντζής, Ευρεσιτεχνία GR1004819 (18-2-2005) Οργανισμός Βιομηχανικής Ιδιοκτησίας ΟΒΙ.