Kapacitiv avjonisering (CDI) är energetiskt gynnsam för att avjonisera vatten, men befintliga metoder begränsas av deras avsaltningskapacitet och tidskrävande cykler på grund av otillräckliga jontillgängliga ytor och långsam elektron/jontransport. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Tianyu Liu och ett forskarteam på avdelningarna för kemi, Civil-och miljöteknik, och nanovetenskap vid Virginia Tech, U.S., demonstrerade porösa kolfibrer (PCF) som ett effektivt CDI-material. De härledde PCF från mikrofasseparerade poly(metylmetakrylat)- blockera -polyakrylnitril (PMMA-b-PAN). De resulterande PCF:erna bibehöll rikliga och enhetliga mesoporer sammankopplade med mikroporer för att bilda en hierarkisk porös struktur med en stor, jontillgänglig yta och hög avsaltningskapacitet. De kontinuerliga kolfibrerna och det sammankopplade porösa nätverket tillät snabb elektron/jontransport för att upprätthålla en hög avsaltningshastighet. Arbetet belyser löftet om sampolymerbaserad PCF för hög kapacitet och hög CDI.

Det ökande uttaget och den ojämna fördelningen av sötvatten innebär kritiska utmaningar för den tekniska och socioekonomiska utvecklingen. Avsaltning är ett lovande tillvägagångssätt baserat på en stor reservoar av havsvatten för att ta itu med sötvattenbristen. Omvänd osmos och termisk destillation är allmänt utövade tekniker för att bearbeta havsvatten eller bräckt vatten med höga saltkoncentrationer, även om sådana metoder är energikrävande och kostsamma när saltkoncentrationerna är låga. Som ett alternativ, Kapacitiv avjonisering (CDI) kan avlägsna joner genom elektrosorption eller pseudokapacitiva reaktioner för att avsalta vatten med låga saltkoncentrationer.

Materialforskare använder porösa kol som primära CDI-elektrodmaterial på grund av deras höga elektriska ledningsförmåga, stor yta, anpassningsbar struktur och utmärkt stabilitet. Exempel inkluderar aktivt kol (AC), grafenaerogeler och makroporösa kol som härrör från biomassa. Dock, avsaltningskapaciteten och -hastigheten för sådana material återstår att förbättras. Baserat på den begränsade prestandan hos mikroporösa och makroporösa material, Liu et al. anta att kolfibrer kommer att kunna uppnå höga hastigheter av avsaltningskapacitet på grund av den sammankopplade hierarkiska arkitekturen. I det här arbetet, teamet visade porösa kolfibrer (PCF) som överlägsna elektrodmaterial för kapacitiv avjonisering. Innovationen av tekniken här förlitade sig på designen av kolelektrodprekursorn på molekylär nivå. Liu et al. använde en blocksampolymer för att skapa PCF genom elektrospinning, oxidation, stabilisering, och pyrolys. Den resulterande stora effektiva avsaltningsytan med riklig och enhetlig arkitektur förbättrade avsaltningskapaciteten genom att tillåta snabb elektrontransport och snabb jondiffusion.

För att designa material för CDI, laget studerade tre kolmaterial, inklusive blocksampolymerbaserad PCF (porösa kolfibrer) med stor jontillgänglig yta. Teamet testade också industriella PAN (polyakrylnitril)-baserade kolfibrer (CF) och aktivt kol (AC). Det fibrösa kolet och de sammankopplade mesoporerna möjliggjorde kontinuerliga och effektiva transportvägar för elektroner och joner, samtidigt som det minskar det interna motståndet för avsaltning i celler och förbättrar avsaltningshastigheten. I kontrast, de andra materialen hade begränsad yta för elektrosorption av joner och en försämrad avsaltningshastighet. Teamet höll sedan alla tre materialen; PCF, CF och AC till förtennade kopparband och använde dem som elektroder i CDI-celler. Med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) bilder noterade de distinkta utseenden för de tre olika materialen. Baserat på de första resultaten förväntade de sig att PCF skulle uppvisa den högsta avsaltningshastigheten.

Forskarna genomförde sedan en serie experiment för att förstå de kemiska och elektriska egenskaperna hos alla tre materialen. Efter att ha mätt vattenkontaktvinkeln mellan ytan, de noterade en stor kontaktvinkel för AC-substrat, som representerade en hydrofob (vattenavstötande) gränsyta - oönskad för att avsalta vattenlösningar. Under tiden, utan några ledande tillsatser, PCF- och CF-materialen var starkt elektriskt ledande enligt elektrokemisk impedansspektroskopi och fyrpunktsmätningar. Baserat på flera egenskaper inklusive hierarkiska porösa strukturer, effektiv yta, hög elektrisk ledningsförmåga och lågt diffusionsmotstånd, teamet beslutade att PCF skulle vara ett utmärkt elektrodmaterial för CDI.

De visade avjoniseringsförmågan hos PCF genom att avsalta två vattenkällor inklusive konstgjort bräckt vatten med natriumklorid (NaCl) och syntetiskt kranvatten med NaCl i koniska celler, med två symmetriska elektroder. De bestämde koncentrationerna med jonkromatografi och noterade att NaCl-koncentrationen i kranvatten hade sjunkit till en ultralåg koncentration efter fem avjoniseringscykler. Liu et al. kvantifierade ytterligare avsaltningskapaciteten och hastigheten för PCF med användning av encykelavjonisering vid en applicerad förspänning på 1,0 V över de två PCF-elektroderna för att observera minskande saltkoncentrationer från 501,2 till 477,5 mg/L. I jämförelse, CDI-celler innehållande CF och AC visade endast en liten minskning i saltkoncentration vid samma spänningsförspänning. Avsaltningskapaciteten hos PCF, vid 30 mg _NaCl g _PCF ⁻¹ , överträffade andra kol-CDI-elektroder och nådde en maximal avsaltningshastighet på 38 mg g ⁻¹ min ⁻¹ ungefär 40 gånger snabbare än kolnanorör, grafen, CF och andra tredimensionella porösa kol.

Energiförbrukningen som följde med PCF var också låg, och det mångsidiga materialet kan ta bort andra vanliga katjoner i vatten, inklusive kaliumjoner (K ⁺ ), magnesiumjoner (Mg ²⁺ ) och kalciumjoner (Ca ²⁺ ). Kemiska reaktioner förändrade inte ytan av PCF på grund av det elektriska dubbelskiktet av CDI-celler, tillåta ytan att behålla sin avsaltningskapacitet utan tecken på nedbrytning eller betydande förlust efter upprepade laddnings-urladdningscykler. På det här sättet, Tianyu Liu och kollegor lyfte fram blocksampolymerbaserad PCF som ett högpresterande elektrodmaterial för CDI, samtidigt som en ultrahög avsaltningskapacitet bibehålls, överträffar andra toppmoderna kolmaterial. Liu et al. krediterade den ultrasnabba hastigheten och höga kapaciteten för avsaltning till den kombinerade strukturella, fysiska och elektriska egenskaper hos PCF. I framtiden, Liu et al. kommer att undersöka hur egenskaperna hos PCF påverkar avsaltningsprestandan – de förväntar sig en positiv korrelation mellan materialets ytegenskaper och kapacitiv avjonisering. Forskarna föreslår ytterligare ingenjörsstrategier för att designa effektivt flöde genom kontinuerliga avsaltningsceller med PCF för att ytterligare öka kapaciteten och hastigheten för avsaltning.

© 2020 Science X Network