Efektivita odsolování škálovatelnou vícekomorovou jednotkou šokové elektrodialýzy jako funkce bezrozměrného proudu

Bc. Jan Čížek

Master's thesis

Desalination effectivity of scalable multichamber shock electrodialysis unit as a function of dimensionless current

Abstract:

Zavedené elektromembránové procesy, jako je elektrodialýza a elektrodeionizace, představují významnou skupinu technologií pro desalinaci vody, selektivní separaci látek či přípravu ultra-čisté vody napříč různými sektory lidského působení. Šoková elektrodialýza (SED) je vznikající, odvozená metoda, která využívá nadlimitního proudu k indukci takzvaného deionizačního šoku a rozšíření iontově ochuzených mezních vrstev membrán do prostoru porézního média. Tím umožňuje produkci čisté, deionizované vody v jednom desalinačním kroku a překonává některé limity stávajících elektrochemických procesů, jako je koncentrační polarizace a limitní proudová hustota. Doposud byly funkce šokové elektrodialýzy demonstrovány pouze na malých laboratorních zařízeních s kapacitou v řádech setin, maximálně desetin mililitru vyprodukovaného odsoleného roztoku za minutu. Tato diplomová práce se věnuje testování a charakterizaci přepracované a ve všech ohledech zvětšené šokově-elektrodialyzní jednotky s o jeden až dva řády větší kapacitou a designem umožňujícím zapojení několika desalinačních komor současně, která byla vyvinuta ve spolupráci s firmami MemBrain s.r.o a MEGA a.s. Experimentální výsledky ukazují schopnost odstranit více než 99 % solí v závislosti na vloženém napětí v potenciostatickém režimu a bezrozměrném parametru, který škáluje průchozí proud proudem limitním, v režimu galvanostatickém. Výkon zařízení je rovněž funkcí velikosti pórů a povrchového náboje porézního média stejně jako jeho tvaru a velikosti. Práce též hodnotí a diskutuje výsledky zcela prvních experimentů provedených na dvoukomorovém uspořádání SED. Ačkoliv naměřená data ukazují zvýšenou spotřebu elektrické energie a destabilizaci výkonu dvoukomorového zařízení, konstrukční změny rozdělovače, optimální výběr porézního média a dalších funkčních prvků, mohou významně zlepšit efektivitu procesu i funkčnost celého zařízení.

Abstract:

Incumbent electromembrane processes including electrodialysis and electrodeionization present important technologies for desalination, selective separation and ultra-pure, industrial water production. Shock electrodialysis (SED) is a rising technology, that utilizes over-limiting current to induce a deionization shock and expand the ion-depleted zones from the membranes into a porous medium. With that, SED is capable of production of fresh, deionized water in single-step desalination process and therefore overcomes some of the limits associated with the common technologies, such as concentration polarization and limiting current. Up until now, SED functionalities have been demonstrated only on small scale laboratory units with very low capacities. This thesis focuses on characterization of redesigned, in all dimensions larger shock electrodialysis unit with one to two order of magnitude larger water production capacity and multi-stack ready design, that was developed in cooperation with Czech companies Membrain s.r.o. and MEGA a.s. Results discover the ability to remove more than 99 % of present ions, depending on applied voltage in potentiostatic mode and dimensionless parameter, that scales the applied current by the limiting current, in galvanostatic mode. The performance of the device is also a function of the pore size and surface charge of the porous medium as well as its size and shape. In this work, also early results achieved on two-stack arrangement of the SED unit are reported. Although the presented data show increment in energy consumption and destabilization of the process, design changes to the separator, optimization of the porous material and other functional components may significantly improve the effectivity of the process and performance of the device itself.

Keywords

Desalinace, šoková elektrodialýza, separace, elektrokinetika, membránové procesy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 6. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jaromír Marek, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials