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desionización capacitiva

La desionización capacitiva ( CDI ) es una tecnología para desionizar el agua mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos, que suelen es...

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La desionización capacitiva ( CDI ) es una tecnología para desionizar el agua mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos, que suelen estar hechos de carbono poroso. [ 1 ] En otras palabras, la CDI es un método de electrosorción que utiliza una combinación de un medio de sorción y un campo eléctrico para separar iones y partículas cargadas. [ 2 ] Los aniones, iones con carga negativa, se eliminan del agua y se almacenan en el electrodo polarizado positivamente. Del mismo modo, los cationes (carga positiva) se almacenan en el cátodo, que es el electrodo polarizado negativamente.

Hoy en día, la CDI se utiliza principalmente para la desalinización de agua salobre , que es agua con una concentración de sal baja o moderada (inferior a 10 g/L). [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 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, la CDI se considera una tecnología energéticamente eficiente para la desalinización de agua salobre. [ 6 ] Esto se debe principalmente a que la CDI elimina los iones de sal del agua, mientras que las otras tecnologías extraen el agua de la solución salina. [ 5 ] [ 7 ]

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

Historia

En 1960, Blair y Murphy informaron sobre el concepto de desmineralización electroquímica del agua. [ 8 ] En ese estudio, se asumió que los iones se eliminaban mediante reacciones electroquímicas con grupos químicos específicos en las partículas de carbono en los electrodos. En 1968, Reid demostró la relevancia comercial y el funcionamiento a largo plazo de la CDI. [ 9 ] En 1971, Johnson y Newman introdujeron la teoría para el transporte de iones en electrodos de carbono poroso para CDI y el almacenamiento de iones según un mecanismo de capacitor. [ 10 ] A partir de 1990, la CDI atrajo más atención debido al desarrollo de nuevos materiales de electrodo, como aerogeles de carbono y electrodos de nanotubos de carbono. [ 11 ] En 1996, Farmer et al. también introdujeron el término desionización capacitiva y utilizaron por primera vez la ahora comúnmente abreviatura "CDI". [ 1 ] En 2004, la desionización capacitiva de membrana se introdujo en una patente de Andelman. [ 12 ]

Proceso

Ciclos de adsorción y desorción

El funcionamiento de un sistema CDI convencional consta de dos fases: una fase de adsorción , donde se desaliniza el agua, y una fase de desorción , donde se regeneran los electrodos. Durante la fase de adsorción, se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos y los iones se adsorben del agua. En el caso del 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 se electroadsorben en las denominadas capas dobles eléctricas (EDL). Una vez que los electrodos se saturan de iones, estos se liberan para la regeneración de los electrodos. La diferencia de potencial entre los electrodos se invierte o se reduce a cero. De esta forma, los iones abandonan los poros de los electrodos y se eliminan de la celda CDI, generando un efluente con alta concentración de sal, denominado corriente de salmuera o concentrado. Parte de la energía necesaria durante la fase de adsorción se recupera durante esta etapa de desorción.

Adsorción de iones en capas dobles eléctricas

Cualquier cantidad de carga siempre debe ser compensada por 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 intrapartícula de un electrodo a base de carbono, es posible un exceso de un tipo de ion sobre el otro, pero debe ser compensado por la carga eléctrica en la matriz de carbono. En una primera aproximación, esta EDL puede describirse utilizando el modelo de Gouy-Chapman-Stern, que distingue tres capas diferentes: [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

  • La matriz de carbono poroso, que contiene la carga eléctrica en la estructura de carbono.
  • Entre la matriz de carbono y la capa difusa se encuentra una capa de Stern. Esta capa es dieléctrica, es decir, separa dos capas cargadas, pero no posee carga propia.
  • La capa difusa, en la que los iones compensan la carga eléctrica de la matriz de carbono, se distribuye de forma difusa. El ancho de esta capa se puede aproximar mediante la longitud de Debye, que caracteriza la distancia a la que la concentración de contraiones disminuye en un factor de 1/e. Para ilustrarlo, 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 de la matriz de carbono se compensa en una capa difusa con un ancho de aproximadamente 9  nm.

Dado que la matriz de carbono está cargada, esta carga debe ser compensada por la carga iónica en la capa difusa. Esto puede lograrse mediante la adsorción de contraiones o la desorción de coiones (iones con el mismo signo de carga que el 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 capas de doble capa eléctrica (EDL) en los poros intrapartícula, los iones también pueden formar un enlace químico con la superficie de las partículas de carbono. Esto se denomina adsorción específica, mientras que la adsorción de iones en las EDL se conoce como adsorción no específica. [ 16 ]

Ventajas de la desionización capacitiva

Escalable y de fácil manejo.

La deposición química en fase vapor (CDI) tiene bajos costos de inversión e infraestructura, ya que el proceso descrito anteriormente no requiere altas presiones ni temperaturas, a diferencia de los procesos de membrana o térmicos.

Bajo coste energético para el tratamiento de aguas salobres

En la desionización capacitiva (CDI), el costo energético por volumen de agua tratada es proporcional a la cantidad de sal eliminada, mientras que en otras tecnologías, como la ósmosis inversa, el consumo energético de la desalinización es proporcional al volumen de agua tratada. Esto convierte a la CDI en una solución viable para la desalinización de corrientes con bajo contenido de sal, o más específicamente, de agua salobre.

desionización capacitiva por membrana

Al insertar dos membranas de intercambio iónico, se obtiene una forma modificada de CDI, denominada desionización capacitiva por membrana. [ 12 ] Esta modificación mejora la celda CDI de varias maneras:

  • Los coiones no abandonan los electrodos durante la fase de adsorción, como se describió anteriormente (véase Adsorción de iones en capas dobles eléctricas para más información). En cambio, debido a la inclusión de las membranas de intercambio iónico, estos coiones se retienen en los poros interparticulares de los electrodos, lo que mejora la eficiencia de adsorción de la sal. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
  • Dado que estos coiones no pueden abandonar los electrodos y debido a que se aplica la condición de electroneutralidad para los poros interparticulares, los contraiones adicionales deben pasar a través de las membranas de intercambio iónico, lo que también da lugar a una mayor adsorción de sal. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
  • El funcionamiento de MCDI en modo de corriente constante permite obtener agua dulce con una concentración de efluente estable (consulte la comparación entre voltaje constante y corriente constante para obtener más información).
  • El aporte energético requerido por MCDI es menor que el de CDI. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

Modo de funcionamiento de voltaje constante frente a corriente constante

Una celda CDI puede funcionar en modo de voltaje constante o en modo de corriente constante.

funcionamiento a tensión constante

Durante la fase de adsorción de la CDI con operación a voltaje constante, la concentración de sal en el efluente disminuye, pero después de un tiempo, vuelve a aumentar. Esto se explica porque las capas de doble capa eléctrica (EDL, por sus siglas en inglés) (en el caso de un sistema CDI basado en carbono) no tienen carga al inicio de la adsorción, lo que genera una alta diferencia de potencial (fuerza impulsora eléctrica sobre los iones) entre los dos electrodos. A medida que se adsorben más iones en las EDL, el potencial de estas 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 vuelve a aumentar. [ 21 ] [ 22 ]

funcionamiento con 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 en el efluente en comparación con el modo de operación de voltaje constante. Sin embargo, para lograr una concentración de sal estable en el efluente, se deben incorporar membranas en el diseño de la celda (MCDI), ya que la corriente eléctrica no solo induce la adsorción de contraiones, sino también el agotamiento de coiones (véase Desionización capacitiva con membrana frente a desionización capacitiva para una explicación). [ 21 ]

Geometrías celulares

Modo de flujo

Los electrodos se colocan apilados con una fina capa espaciadora entre ellos, por donde fluye el agua. Este es, con diferencia, el modo de funcionamiento y los electrodos más utilizados, que se preparan de forma similar a los de los condensadores de doble capa eléctrica con una alta concentración de carbono.

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 interparticulares 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 presentan en el modo de flujo laminar. [ 23 ]

desionización capacitiva con electrodo de flujo

Este diseño geométrico es comparable al modo de flujo continuo 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 suspensión de carbono en flujo, los llamados electrodos de flujo, y se desaliniza el agua. Dado que la suspensión de carbono fluye, los electrodos no se saturan y, por lo tanto, este diseño de celda puede utilizarse también 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 suspensiones de carbono, después de salir de la celda, se mezclan entre sí y la suspensión de carbono puede separarse de una corriente de agua salada concentrada. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

Desionización capacitiva con cables

El flujo de agua dulce puede hacerse continuo 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 un flujo, en el que se aplica el voltaje de la celda y se adsorbe la sal, a otro flujo, donde se reduce el voltaje de la celda y se libera la sal. [ 28 ]

Materiales de electrodo

Para un alto rendimiento de la celda CDI, los materiales de electrodo de alta calidad son de suma importancia. En la mayoría de los casos, el carbono es la opción preferida como material de electrodo poroso. En cuanto a la estructura del material de carbono, existen varias consideraciones. Dado que una alta capacidad de electrosorción de sal es importante, el área superficial específica y la distribución del tamaño de poro del carbono accesible a los iones deben ser grandes. Además, el material utilizado debe ser estable y no debe producirse degradación química del electrodo (degradación) en el rango de voltaje aplicado para CDI. Los iones deben poder moverse rápidamente a través de la red de poros del carbono y la conductividad del carbono debe ser alta. Por último, es importante tener en cuenta el costo de los materiales de electrodo. [ 29 ]

Hoy en día, el carbón activado (CA) es el material más utilizado, ya que es la opción más rentable y tiene una alta superficie específica. Puede fabricarse a partir de fuentes naturales o sintéticas. Otros materiales de carbono utilizados en la investigación de CDI son, por ejemplo, el carbono mesoporoso ordenado, los aerogeles de carbono, los carbonos derivados de carburo , los nanotubos de carbono , el grafeno y el negro de humo . [ 5 ] Trabajos recientes argumentan que los microporos, especialmente los poros < 1,1  nm, son los más efectivos para la adsorción de sal en CDI. [ 30 ] Para mitigar los inconvenientes asociados con la transferencia de masa y la superposición de la doble capa eléctrica, y aprovechar simultáneamente 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 mediante la fabricación de carbonos porosos jerárquicos (HPC) que poseen múltiples niveles de porosidad. [ 31 ]

Sin embargo, el carbón activado, a tan solo US$4/kg para el carbón común y US$15/kg para el carbón para supercondensadores altamente purificado y especialmente seleccionado, sigue siendo mucho más barato que las alternativas, que cuestan US$50/kg o más. Los electrodos de carbón activado de mayor tamaño 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 nuevos carbones es insuficiente para justificar su uso en este momento, 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. [ 4 ]

En la actualidad, se estudian cada vez más los materiales de electrodo basados ​​en la química redox, como el óxido de manganeso y sodio (NMO) y los análogos del azul de Prusia (PBA).

Requisitos energéticos

Dado que el contenido iónico del agua se separa durante un ciclo de adsorción CDI, la entropía del sistema disminuye y se requiere un aporte de energía externa. El aporte de energía teórico de CDI se puede calcular de la siguiente manera:

ΔGRAMO=R∗T∗Φv,Frmish∗(doFmimid−doFrmish)[lnorteα1−α−lnorteβ1−α]{\displaystyle \Delta G=R*T*\Phi _{v,fresh}*(C_{feed}-C_{fresh})\left[{\frac {ln\alpha }{1-\alpha }}-{\frac {ln\beta }{1-\alpha }}\right]}

donde R es la constante de los gases (8,314 J mol −1 K −1 ), T la temperatura (K), Φ v,fresh , el caudal de salida de agua fresca (m 3 /s), C feed la concentración de iones en el agua de alimentación (mol/m 3 ) y C fresh la concentración de iones en la salida de agua fresca (mol/m 3 ) de la celda CDI. α se define como C feed /C fresh y β como C feed /C conc , con C conc la concentración de iones en la salida concentrada.

En la práctica, los requerimientos energéticos serán significativamente mayores (20 veces o más) que la energía de entrada teórica. [ 32 ] Los requerimientos energéticos importantes, que no están incluidos en los requerimientos energéticos teóricos, son el bombeo y las pérdidas en la celda CDI debido a resistencias internas. Si se comparan MCDI y CDI en cuanto a la energía requerida por ion eliminado, MCDI tiene un requerimiento energético menor que CDI. [ 21 ]

Comparando 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 m³ de agua dulce producida puede ser menor para la MCDI que para la ósmosis inversa. [ 5 ] [ 33 ]

Instalaciones CDI a gran escala

En 2007, ESTPURE construyó en China una planta CDI a gran escala con una capacidad de 10 000 toneladas diarias para mejorar la calidad del agua regenerada . [ 34 ] Este proyecto permite reducir los sólidos disueltos totales de 1000  mg/L a 250  mg/L y la turbidez de 10 NTU a 1 NTU, una unidad que indica la opacidad de un fluido. La recuperación de agua puede alcanzar el 75 %. El consumo de energía eléctrica es de 1 kWh/m³ y el costo del tratamiento del agua es de 0,22 dólares estadounidenses/m³ . Otros proyectos a gran escala pueden consultarse en la tabla siguiente.

Otros usos

La desionización capacitiva puede utilizarse para eliminar los herbicidas tóxicos diquat y paraquat de las soluciones acuosas. Una prueba con carbón activado eliminó más del 98 %. [ 37 ]

Referencias

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