Optimalizace porézního materiálu v modulu šokové elektrodialýzy

Jan Čížek

Bachelor's thesis

Optimization of porous material in shock electrodialysis unit

Abstract:

Šoková elektrodialýza je elektromembránová metoda určená k desalinaci vod a jiných elektrolytů. Proti klasické elektrodialýze a elektrodeionizaci, kde membrána odděluje iontově obohacené a ochuzené komory, dochází k separaci složek přímo mezi dvěma identickými iontově výměnnými membránami vznikem ostrého koncentračního gradientu jako tzv. šokové (rázové) vlny. Vznik hranice mezi odsolenou a zasolenou částí podmiňuje přítomnost porézního média jako výplně prostoru mezi membránami. Elektroosmotický tok, povrchová vodivost a další elektrochemické jevy v porézním médiu vedou k rozšíření mezních vrstev membrán do větších vzdáleností a umožňují odběr jak odsolené, tak zasolené části roztoku z jedné komory. V modulu šokové elektrodialýzy bylo otestováno několik přírodních a syntetických porézních materiálů, které dle teorie rázových vln můžou poskytnout vhodné prostředí pro vznik daných jevů. V této práci je ověřována funkčnost běžně dostupných porézních materiálů vlastnostmi podobných skleněné fritě využité v prvních prototypech vytvořených skupinou profesora Bažanta na M.I.T. Na základě poznatků z implementace materiálů do nových prototypů a výsledků ukazujících stabilní odsolení až 40 % je navržen postup při optimalizaci porézního materiálu. Zásadními vlastnostmi média jsou hydrodynamický odpor reflektující porozitu, distribuce velikosti pórů, dostatečná konstrukční stabilita a opracovatelnost materiálu, která jde ruku v ruce s optimální formou pro uložení materiálu. Funkčnost materiálu je podmíněna nastavením vhodných průtoků, volbou a uspořádáním součástí celého modulu.

Abstract:

Shock electrodialysis is an electromembrane process designed for desalination of water and other electrolytes. In contrast to classic electrodialysis and electrodeionization, where enriched and depleted zones are formed on opposite sides of a membrane, separation in shock electrodialysis unit happens directly in between of two identical ion-exchange membranes, where a strong concentration gradient is formed in form of a shock wave. Formation of a border between enriched and depleted solution is conditional to presence of a porous medium filling the space between membranes. Electroosmotic flow and surface conduction combined with the other electrochemical processes in adjacent porous medium lead to extension of boundary layers and allow to gain both depleted and enriched solution from a single chamber. Variety of organic and synthetic porous materials were tested in the shock electrodialysis laboratory unit. In this work the overview of commonly available and appropriate materials analogous to the glass frit used in the first prototypes developed at M.I.T in Bazants group is reported. Based on the results from implementing materials into new prototypes exhibiting stable desalination up to 40 %, the procedure for material optimization is suggested. Key properties include hydrodynamic resistivity, porosity, availability and mechanical stability and behavior in experimental process and during material processing. For material functionality, proper flow rates, single parts and whole unit design are essential.

Keywords

Membránové procesy, šoková elektrodialýza, separace, porézní materiál, desalinace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 5. 2018

Thesis defence

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

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Bachelor programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials