Desionización capacitiva
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desionización capacitiva
Una ilustración de un dispositivo de desionización capacitiva. [1]

La desionización capacitiva ( CDI ) es una tecnología para desionizar el agua mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico sobre dos electrodos, que a menudo están hechos de carbono poroso. [2] En otras palabras, CDI es un método de electroabsorción que utiliza una combinación de un medio de sorción y un campo eléctrico para separar iones y partículas cargadas. [3] Los aniones, iones con carga negativa, se eliminan del agua y se almacenan en el electrodo polarizado positivamente. Asimismo, los cationes (carga positiva) se almacenan en el cátodo, que es el electrodo polarizado negativamente.

Hoy en día, el CDI se utiliza principalmente para la desalación de agua salobre , que es agua con una concentración salina baja o moderada (por debajo de 10 g / L). [4] [5] [6] [7] Otras tecnologías para la desionización del agua son, entre otras, la destilación , la ósmosis inversa y la electrodiálisis . En comparación con la ósmosis inversa y la destilación, CDI se considera una tecnología energéticamente eficiente para la desalinización de agua salobre. [7] Esto se debe principalmente a que el CDI elimina los iones de sal del agua, mientras que las otras tecnologías extraen el agua de la solución salina. [6] [8]

Históricamente, la CDI se ha denominado desmineralización electroquímica, "proceso de electroabsorción para la desalinización de agua" o electroabsorción de iones de sal. También se conoce con el nombre de desalinización capacitiva, o en la literatura comercial como "CapDI".

Historia

En 1960, Blair y Murphy informaron sobre el concepto de desmineralización electroquímica del agua. [9] En ese estudio, se asumió que los iones se eliminaron mediante reacciones electroquímicas con grupos químicos específicos en las partículas de carbono de los electrodos. En 1968, Reid demostró la relevancia comercial y el funcionamiento a largo plazo de CDI. [10] En 1971 Johnson y Newman introdujeron la teoría del transporte de iones en electrodos de carbono poroso para CDI y almacenamiento de iones de acuerdo con un mecanismo de condensador. [11] A partir de 1990, el CDI atrajo más atención debido al desarrollo de nuevos materiales para electrodos, como aerogeles de carbono y electrodos de nanotubos de carbono. [12]En 1996, Farmer et al. también introdujo el término desionización capacitiva y usó la ahora comúnmente abreviatura "CDI" por primera vez. [2] En 2004, la desionización capacitiva de membrana se introdujo en una patente de Andelman. [13]

Proceso

Ciclos de adsorción y desorción

El funcionamiento de un sistema CDI convencional pasa por dos fases: una fase de adsorción donde se desala el agua y una fase de desorción donde se regeneran los electrodos. Durante la fase de adsorción, se aplica una diferencia de potencial sobre dos electrodos y los iones se adsorben del agua. En el caso de CDI con electrodos de carbono poroso, los iones se transportan a través de los poros interparticulares del electrodo de carbono poroso hasta los poros intraparticulares, donde los iones son electroabsorbidos en las denominadas capas dobles eléctricas.(EDL). Una vez que los electrodos se saturan con iones, los iones adsorbidos se liberan para la regeneración de los electrodos. La diferencia de potencial entre electrodos se invierte o se reduce a cero. De esta manera, los iones abandonan los poros del electrodo y pueden ser eliminados de la celda CDI dando como resultado una corriente efluente con una alta concentración de sal, la denominada corriente de salmuera o concentrado. Parte de la entrada de energía requerida durante la fase de adsorción se puede recuperar durante esta etapa de desorción.

Adsorción de iones del agua salobre para desalinizarla.
Desorción de iones del agua salobre para regenerar los electrodos.

Adsorción de iones en capas dobles eléctricas

Cualquier monto de carga siempre debe compensarse con la misma cantidad de contracarga. Por ejemplo, en una solución acuosa, la concentración de aniones es igual a la concentración de cationes. Sin embargo, en las EDL formadas en los poros de las intrapartículas en un electrodo a base de carbono, es posible un exceso de un tipo de ión sobre el otro, pero tiene que ser compensado por la carga eléctrica en la matriz de carbono. En una primera aproximación, esta EDL se puede describir utilizando el modelo de Gouy-Chapman-Stern, que distingue tres capas diferentes: [14] [15] [16]

  • La matriz de carbono porosa, que contiene la carga eléctrica en la estructura del carbono.
  • Una capa de popa se encuentra entre la matriz de carbono y la capa difusa. La capa de popa es una capa dieléctrica, es decir, separa dos capas con carga, pero no lleva ninguna carga por sí misma.
  • La capa difusa, en la que los iones compensan la carga eléctrica de la matriz de carbono. Los iones se distribuyen de forma difusa en esta capa. El ancho de la capa difusa a menudo se puede aproximar usando la longitud de Debye, caracterizando la distancia para que la concentración de contraiones disminuya en el factor 1 / e. Para ilustrar esto, la longitud de Debye es de aproximadamente 3,1 nm a 20 ° C y para una solución de NaCl 10 mM. Esto implica que más del 95% de la carga eléctrica en la matriz de carbono se compensa en una capa difusa con un ancho de aproximadamente 9 nm.

A medida que se carga la matriz de carbono, la carga debe compensarse con la carga iónica en la capa difusa. Esto se puede hacer mediante la adsorción de contraiones o la desorción de co-iones (iones con un signo de carga igual al de la matriz de carbono).

Doble capa eléctrica (modelo según la teoría de Gouy-Chapman-Stern)

Además de la adsorción de especies iónicas debido a la formación de EDL en los poros de las intrapartículas, los iones también pueden formar un enlace químico con el área superficial de las partículas de carbono. Esto se denomina adsorción específica, mientras que la adsorción de iones en las EDL se denomina adsorción no específica. [17]

Ventajas de la desionización capacitiva

Escalable y simple de operar

El CDI tiene un bajo costo de inversión e infraestructura, ya que el proceso discutido anteriormente no requiere altas presiones o temperaturas, a diferencia de los procesos de membrana o térmicos.

Bajo coste energético para el tratamiento de aguas salobres

En CDI, el costo de energía por volumen de agua tratada escala aproximadamente con la cantidad de sal eliminada, mientras que en otras tecnologías, como la ósmosis inversa, la energía de desalinización escala aproximadamente con el volumen de agua tratada. Esto hace que CDI sea una solución viable para la desalinización de arroyos con bajo contenido de sal, o más específicamente, agua salobre.

Desionización capacitiva de membrana

Al insertar dos membranas de intercambio iónico, se obtiene una forma modificada de CDI, a saber, desionización capacitiva de membrana. [13] Esta modificación mejora la célula CDI de varias formas:

  • Los co-iones no abandonan los electrodos durante la fase de adsorción, como se describió anteriormente (consulte Adsorción de iones en capas dobles eléctricas para obtener una explicación). En cambio, debido a la inclusión de las membranas de intercambio iónico, estos co-iones se mantendrán en los poros entre partículas de los electrodos, lo que mejora la eficiencia de adsorción de sal. [18] [19] [20]
  • Dado que estos co-iones no pueden salir de los electrodos y debido a que la condición de electroneutralidad se aplica a los poros entre partículas, los contraiones adicionales deben pasar a través de las membranas de intercambio iónico, lo que también da lugar a una mayor adsorción de sal. [18] [19] [20]
  • El funcionamiento del MCDI en modo de corriente constante puede producir agua dulce con una concentración de efluente estable (consulte voltaje constante frente a corriente constante para obtener más información).
  • La entrada de energía requerida de MCDI es menor que la de CDI. [18] [19] [20] [21]
Desionización capacitiva durante el ciclo de adsorción
Desionización capacitiva de membrana durante el ciclo de adsorción

Modo de funcionamiento de voltaje constante frente a corriente constante

Una celda CDI se puede operar en el modo de voltaje constante o de corriente constante.

Operación de voltaje constante

Durante la fase de adsorción de CDI usando la operación de voltaje constante, la concentración de sal del efluente de sal disminuye, pero después de un tiempo, la concentración de sal del efluente aumenta nuevamente. Esto puede explicarse por el hecho de que las EDL (en el caso de un sistema CDI a base de carbono) no están cargadas al comienzo de un paso de adsorción, lo que da como resultado una gran diferencia de potencial (fuerza impulsora eléctrica sobre los iones) sobre los dos electrodos. . Cuando se adsorben más iones en las EDL, el potencial de EDL aumenta y la diferencia de potencial restante entre los electrodos, que impulsa el transporte de iones, disminuye. Debido a la disminución de la tasa de eliminación de iones, la concentración del efluente aumenta nuevamente. [22] [23]

Operación de corriente constante

Dado que la carga iónica transportada a los electrodos es igual a la corriente eléctrica aplicada, la aplicación de una corriente constante permite un mejor control de la concentración de sal del efluente en comparación con el modo de funcionamiento de voltaje constante. Sin embargo, para una concentración de sal efluente estable, las membranas deben incorporarse en el diseño de la celda (MCDI), ya que la corriente eléctrica no solo induce la adsorción de contraiones, sino también el agotamiento de co-iones (consulte Desionización capacitiva de membrana frente a desionización capacitiva para una explicación). [22]

Geometrías celulares

Modo de flujo

Los electrodos se colocan en una pila con un área espaciadora delgada en el medio, a través de la cual fluye el agua. Este es, con mucho, el modo de funcionamiento y los electrodos más utilizados, que se preparan de manera similar a los condensadores eléctricos de doble capa con una carga de masa de carbono elevada.

Modo de flujo continuo

En este modo, el agua de alimentación fluye directamente a través de los electrodos, es decir, el agua fluye directamente a través de los poros entre partículas de los electrodos de carbono poroso. Este enfoque tiene la ventaja de que los iones migran directamente a través de estos poros, lo que mitiga las limitaciones de transporte que se encuentran en el modo de flujo. [24]

Una ilustración del dispositivo de desionización capacitiva de electrodo de flujo [1]

Desionización capacitiva de electrodo de flujo

Este diseño geométrico es comparable al modo de flujo con la inclusión de membranas delante de ambos electrodos, pero en lugar de tener electrodos sólidos, una suspensión de carbono (lodo) fluye entre las membranas y el colector de corriente. Se aplica una diferencia de potencial entre ambos canales de lodos de carbón fluidos, los llamados electrodos de flujo, y se desala el agua. Dado que las lechadas de carbón fluyen, los electrodos no se saturan y, por lo tanto, este diseño de celda también se puede utilizar para la desalinización de agua con altas concentraciones de sal (por ejemplo, agua de mar, con concentraciones de sal de aproximadamente 30 g / L). No es necesario un paso de descarga; las lechadas de carbón, después de salir de la celda, se mezclan y la lechada de carbón se puede separar de una corriente de agua salada concentrada. [25] [26][27] [28]

Desionización capacitiva con cables

Se puede hacer que la corriente de agua dulce fluya continuamente en una configuración CDI modificada donde los pares de electrodos de ánodo y cátodo no están fijos en el espacio, sino que se mueven cíclicamente de una corriente, en la que se aplica el voltaje de la celda y se adsorbe la sal, a otra. corriente, donde se reduce el voltaje de la celda y se libera sal. [29]

Célula CDI de flujo continuo durante el ciclo de adsorción
Celda CDI de electrodo de flujo durante el ciclo de adsorción

Materiales de electrodos

Para un alto rendimiento de la celda CDI, los materiales de los electrodos de alta calidad son de suma importancia. En la mayoría de los casos, el carbono es la elección como material de electrodo poroso. En cuanto a la estructura del material de carbono, hay varias consideraciones. Como es importante una alta capacidad de electrosorción de sal, el área de superficie específica y la distribución del tamaño de los poros del carbono accesible para los iones deben ser grandes. Además, el material usado debe ser estable y no debe ocurrir degradación química del electrodo (degradación) en la ventana de voltaje aplicada para CDI. Los iones deberían poder moverse rápidamente a través de la red de poros del carbono y la conductividad del carbono debería ser alta. Por último, es importante tener en cuenta los costes de los materiales de los electrodos. [30]

Hoy en día, el carbón activado (CA) es el material más utilizado, ya que es la opción más rentable y tiene una gran superficie específica. Puede estar elaborado a partir de fuentes naturales o sintéticas. Otros materiales de carbono utilizados en la investigación de CDI son, por ejemplo, carbono mesoporoso ordenado, aerogeles de carbono, carbones derivados de carburo , nanotubos de carbono , grafeno y negro de carbono . [6] Un trabajo reciente sostiene que los microporos, especialmente los poros <1,1 nm, son los más efectivos para la adsorción de sales en CDI. [31]Con el fin de mitigar los inconvenientes asociados con la transferencia de masa y la superposición eléctrica de doble capa y, al mismo tiempo, aprovechar los beneficios de una mayor superficie y campos eléctricos más altos que vienen con la estructura microporosa, los esfuerzos innovadores en curso han intentado integrar las ventajas de los microporos y mesoporos fabricando Carbones porosos jerárquicos (HPC) que poseen múltiples niveles de porosidades. [32]

Sin embargo, el carbón activado, a solo 4 dólares EE.UU. / kg para el carbono básico y 15 dólares EE.UU. / kg para el carbón supercondensador especialmente seleccionado y altamente purificado, sigue siendo mucho más barato que las alternativas, que cuestan 50 dólares EE.UU. / kg o más. Los electrodos de carbón activado más grandes son mucho más baratos que los electrodos de carbón exótico relativamente pequeños y pueden eliminar la misma cantidad de sal para una corriente determinada. El aumento de rendimiento de los carbones nuevos es insuficiente para motivar su uso en este punto, especialmente porque prácticamente todas las aplicaciones de CDI que se están considerando seriamente a corto plazo son aplicaciones estacionarias, donde el tamaño de la unidad es una consideración relativamente menor. [5]

Hoy en día, los materiales de electrodos basados ​​en la química redox son cada vez más estudiados, como el óxido de manganeso sódico (NMO) y los análogos de azul de Prusia (PBA).

Requerimientos energéticos

Dado que el contenido iónico del agua se desmezcla durante un ciclo de adsorción de CDI, la entropía del sistema disminuye y se requiere una entrada de energía externa. La entrada de energía teórica de CDI se puede calcular de la siguiente manera:

donde R es la constante de gas (8.314 J mol −1 K −1 ), T la temperatura (K), Φ v, fresco , el caudal de salida de agua dulce (m 3 / s), C alimenta la concentración de iones en el agua de alimentación (mol / m 3 ) y C fresco la concentración de iones en la salida de agua dulce (mol / m 3 ) de la celda CDI. α se define como C alimento / C fresco y β como C alimento / C conc , con C conc la concentración de iones en el flujo de salida concentrado.

En la práctica, los requisitos de energía serán significativamente más altos (20 veces o más) que la entrada de energía teórica. [33] Los requisitos energéticos importantes, que no están incluidos en los requisitos energéticos teóricos, son el bombeo y las pérdidas en la celda CDI debido a las resistencias internas. Si se comparan MCDI y CDI para la energía requerida por ion eliminado, MCDI tiene un requerimiento de energía menor que CDI. [22]

Al comparar la CDI con la ósmosis inversa de agua con concentraciones de sal inferiores a 20 mM, la investigación a escala de laboratorio muestra que el consumo de energía en kWh por m 3 de agua dulce producida puede ser menor para la MCDI que para la ósmosis inversa. [6] [34]

Instalaciones de CDI a gran escala

En 2007, ESTPURE construyó en China una planta CDI a gran escala de 10,000 toneladas por día para mejorar la calidad del agua recuperada . [35] Este proyecto permite reducir el total de sólidos disueltos de 1000 mg / L a 250 mg / L y la turbidez de 10 NTU a 1 NTU, una unidad que indica la turbidez de un fluido. La recuperación de agua puede alcanzar el 75%. El nivel de consumo de energía eléctrica es de 1 kWh / m 3 y el costo del tratamiento del agua es de 0,22 dólares estadounidenses / m 3 . Algunos otros proyectos a gran escala se pueden ver en la siguiente tabla.

Fuente de aguaEscala (m 3 / d)Tasa de recuperación de aguaTasa de remoción de salConsumo de energía (kWh / m 3 de agua producida)Referencia
Tratamiento de aguas residuales municipales mediante procesos de primer y segundo orden + agua en circulación1000075%75%1.03[36]
Agua de enfriamiento12000075%85% de Cl -0,75[37]
Aguas residuales240075%≥50%1,33[35]

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enlaces externos

  • Laboratorio de Investigación FCDI , grupo del Dr. Dong Kook Kim en el Instituto de Investigación Energética de Corea, República de Corea
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