[論文レビュー] Capacitive Deionization -- defining a class of desalination technologies

P. M. Biesheuvel, Martin Z. Bazant+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 1被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、電気的に駆動され、サイクル的イオン除去を示す技術を、イオン貯蔵メカニズムにかかわらず、共通の運用原則と指標に基づき、容量性脱塩（CDI）の定義を拡張することを提案する。これは、逆浸透および電気浸透と並ぶ統一された技術クラスとしてのCDIの位置付けを確立し、多様な材料やメカニズム間での標準化された分析と比較を可能にする。

ABSTRACT

Over the past decade, capacitive deionization (CDI) has realized a surge in attention in the field of water desalination and can now be considered as an important technology class, along with reverse osmosis and electrodialysis. While many of the recently developed technologies no longer use a mechanism that follows the strict definition of the term "capacitive", these methods nevertheless share many common elements that encourage treating them with similar metrics and analyses. Specifically, they all involve electrically driven removal of ions from a feed stream, storage in an electrode (i.e., ion electrosorption) and release, in charge/discharge cycles. Grouping all these methods in the technology class of CDI makes it possible to treat evolving new technologies in standardized terms and compare them to other technologies in the same class.

研究の動機と目的

• 従来のCDIと同一のサイクル的動作と指標を示すが、イオン貯蔵メカニズムが多様化する脱塩技術の増加に対処すること。
• CDIの定義をメカニズムではなく運用および分析フレームワークに基づくことで、用語の曖昧性を解消すること。
• 新興の脱塩技術間での性能評価と比較の標準化を促進すること。
• レドックス活性材料、イオン選択性を持つポリマー、ハイブリッドシステムを、共通の運用原則に基づきCDIの傘下に含めること。
• 一貫したベンチマーク評価と技術プラットフォーム分類を可能にすることで、分野の発展を支援すること。

提案手法

• イオン貯蔵メカニズムにかかわらず、サイクル的電極の充電／放電およびイオンの電気的吸着に基づき、CDIの定義を拡張すること。
• CDIを、等圧塩分除去量と電池電圧関数としての貯蔵電荷量という共通の指標によって統一された技術クラスとして定義すること。
• すべてのサイクル的充電／放電プロセスに従うシステム（炭素系、イオン挿入、レドックス系電極を含む）に、同一の分析および運用フレームワークを適用すること。
• 固定電極および移動電極（例：ロッド、ワイヤ、流動粒子）を含め、サイクル的に動作する限りCDIフレームワークに組み込むこと。
• 二重層効果、化学的親和性官能基、レドックス活性材料による選択的イオン除去を、有効なCDI応用として認識すること。
• 標準化された性能指標を用いて、異なる材料やメカニズム間の技術を比較可能にし、クロスプラットフォーム評価を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン吸着層（EDL）以外のメカニズム（例：イオン挿入、ファラデー反応）を用いる脱塩技術が、CDIの傘下に意味的に統合可能かどうか。
• RQ2 多様なイオン除去メカニズムを同一の技術クラスに分類する根拠となる、共通の運用および分析的特徴は何か。
• RQ3 塩分除去量や電荷貯蔵量といった性能指標を、さまざまなCDI技術間でどのように標準化できるか。
• RQ4 移動電極や代替材料（例：遷移金属ヘキサシアネオフエラート）が、提案されたCDIフレームワークにどの程度適合するか。
• RQ5 イオン選択性が、一般の脱塩を超えてCDIの範囲を拡大する役割を果たすか。

主な発見

• 本論文は、メカニズムではなく運用および分析的一致性に基づきCDIを広義の技術クラスとして再定義することに成功し、多様な材料やプロセスの統合を可能にした。
• レドックス活性イオン挿入材料（例：ナトリウムマンガン酸化物、ヘキサシアネオフエラート）によるイオン除去は、サイクル的充電／放電と共通の指標に従う限り、有効なCDIである。
• 電極に固定化された選択的イオン吸着分子やポリマーで、電圧によって再生可能なものは、同じサイクル的動作に従う限りCDIフレームワークに含まれる。
• EDLとファラデイックプロセスを併用するハイブリッドシステムは、同一の性能評価基準に従う限りCDIとして認識される。
• ロッド、ワイヤ、流動粒子などの移動電極は、それ自身の参照フレームでサイクル的充電とイオン電気的吸着を経験する限りCDIに分類可能である。
• 高親和性官能基や膜を用いた選択的イオン除去は、特に複雑な水質からの特定イオンの除去を目的とする場合、拡張されたCDI定義のもとで同等に有効である。