Development of innovative nanocomposite materials for their application in electrochemical separation processes
Authors: Μπακόλα Βερονίκη 
Published: February 2025

Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη καινοτόμων νανοσύνθετων ηλεκτροδίων και μεμβρανών εναλλαγής ιόντων με τη συνδυαστική χρήση νανοδομών άνθρακα και αγώγιμων πολυμερών για την εφαρμογή τους σε μια καινοτόμα τεχνική αφαλάτωσης ηλεκτροχημικής φύσεως, τον χωρητικό απιονισμό με μεμβράνες (membrane capacitive deionization – MCDI). Τα νανοσύνθετα ηλεκτρόδια και οι μεμβράνες εναλλαγής ιόντων συγκρίνονται, ως προς την προσροφητική τους ικανότητα τους, με μεμβράνες του εμπορίου με στόχο την αύξηση του ρυθμού προσρόφησης άλατος και την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του συστήματος αφαλάτωσης. Προς την κατεύθυνση αυτή, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση επιτρέποντας έτσι την ανακλιμάκωση του συστήματος αφαλάτωσης MCDI για τη διαχείριση μεγαλύτερου όγκου δείγματος. Συνοπτικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει 1) στη σύνθεση αγώγιμων ηλεκτροδίων από νανοδομές άνθρακα και αγώγιμα πολυμερή, 2) στη σύνθεση νανοσύνθετων μεμβρανών εναλλαγής ιόντων με χρήση νανοϋλικών άνθρακα απευθείας πάνω στα αγώγιμα ηλεκτρόδια, 3) στην ανάπτυξη και πειραματική διερεύνηση εργαστηριακής κλίμακας ηλεκτροχημικής επεξεργασίας νερού με βάση τη διεργασία του MCDI για τον προσδιορισμό των κρίσιμων παραμέτρων και 4) στη βελτιστοποίηση της διεργασίας, την ανακλιμάκωση της και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Στο Κεφάλαιο 1, ως εισαγωγή, αναφέρονται μερικές από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες και πολλά υποσχόμενες μέθοδοι αφαλάτωσης. Μια βιβλιογραφική ανασκόπηση της θεωρίας του CDI παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 2, όπου γίνεται λεπτομερής αναφορά στα βασικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των ηλεκτροδίων του χωρητικού απιονισμού (capacitive deionization – CDI), όπως υλικά με βάση τους νανοάνθρακες και πολυμερή που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση των ηλεκτροδίων, καθώς και στις τεχνικές ανάπτυξης των ηλεκτροδίων αναφέροντας τις ιδανικές ιδιότητες που ευνοούν την ηλεκτρορόφηση. Στο Κεφάλαιο 3, γίνεται μια εισαγωγή στις μεμβράνες που χρησιμοποιούνται στο MCDI με έμφαση στα υλικά που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη σύνθετων μεμβρανών. Η αρχιτεκτονική των ηλεκτροχημικών κελιών CDI καθώς και οι εφαρμογές του CDI παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 4. Στο Κεφάλαιο 5 δίνεται έμφαση στο ενδιαφέρον που υπάρχει στην αγορά με εκτενή αναφορά στα διπλώματα ευρεσιτεχνίας γύρω από το CDI. Τέλος, παρουσιάζεται μια αξιολόγηση του κόστους της τεχνικής CDI και των (θετικών) περιβαλλοντικών επιπτώσεων αυτής της τεχνολογίας. Το πειραματικό μέρος της διατριβής, αρχίζει στο Κεφάλαιο 6 όπου παρουσιάζεται η σύνθεση του πρώτου ενεργού στρώματος των ηλεκτροδίων πάνω σε επιλεγμένο υπόστρωμα γραφίτη για την αύξηση της αγωγιμότητας με τη χρήση ενεργού άνθρακα, καθώς και τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν για τη σύγκριση της τεχνολογίας MCDI και CDI (με και χωρίς εμπορικά διαθέσιμες μεμβράνες, αντίστοιχα). Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η σύνθεση μεμβρανών εναλλαγής ιόντων με βάση την πολυβινυλική αλκοόλη (polyvinyl alcohol – PVA). Η βελτιστοποίηση των μεμβρανών εναλλαγής ιόντων με βάση το PVA και τη χρήση νανοανθράκων παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 8. Στο Κεφάλαιο 9, τα ηλεκτρόδια με βάση τους νανοάνθρακες ενισχύονται περαιτέρω με ένα αγώγιμο πολυμερές, την πολυανιλίνη (Polyaniline – PANI), για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας της διεργασίας. Στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζεται η ανακλιμάκωση του συστήματος MCDI χρησιμοποιώντας τα βελτιστοποιημένα αγώγιμα ηλεκτρόδια με ενσωματωμένες τις σύνθετες μεμβράνες ιοντοεναλλαγής σε διάταξη που αποτελείται από τέσσερα ηλεκτροχημικά κελία με διαφορετική συνδεσμολογία (σε σειρά ή παράλληλη). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συγκριτικά με αυτά που προκύπτουν με τη χρήση εμπορικά διαθέσιμων μεμβρανών στη διεργασία MCDI για την αξιολόγηση των παραγόμενων υλικών και την εφαρμογή τους για την επεξεργασία νερού (απιονισμό). Τέλος, στο Κεφάλαιο 11 συνοψίζονται τα συμπεράσματα και προτείνονται πιθανά θέματα για μελλοντική διερεύνηση.