[논문 리뷰] Capacitive Deionization -- defining a class of desalination technologies

P. M. Biesheuvel, Martin Z. Bazant외 18명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Membrane-based Ion Separation Techniques참고 문헌 1인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 전기적으로 구동되며 주기적인 이온 제거 기능을 갖는 모든 기술을 Capacitive Deionization (CDI)의 정의에 포함시키기 위해 CDI의 정의를 확장한다. 이는 이온 저장 메커니즘과는 무관하게 공통된 운영 원리와 지표를 기반으로 한다. 이를 통해 CDI는 역삼투압과 전기역리식과 동일한 기술 클래스로 통합되며, 다양한 재료와 메커니즘 간의 표준화된 분석과 비교가 가능해진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 CDI와 동일한 주기적 운영 및 지표를 공유하는 탈염 기술에서 점점 증가하는 이온 저장 메커니즘의 다양성을 다루기 위해.
• CDI의 정의를 메커니즘에 기반하지 않고 운영 및 분석 프레임워크에 기반하여 의미의 모호함을 해소하기 위해.
• 신규 탈염 기술 간의 성능 평가 및 비교를 표준화하기 위해.
• 레드옥시 활성 재료, 이온 선택성 있는 고분자, 하이브리드 시스템을 공통된 운영 원리에 기반해 CDI의 범주에 포함시키기 위해.
• 일致한 벤치마킹과 기술 플랫폼 분류를 가능하게 하여 분야 발전을 지원하기 위해.

제안 방법

• 기본적인 이온 저장 메커니즘과는 무관하게 주기적 전극 충전/방전 및 이온 전기흡착을 기반으로 CDI의 정의를 넓히는 것을 제안한다.
• CDI를 동일한 지표인 전지 전압에 따른 평형 염 제거량과 축적 전하량을 기반으로 통합된 기술 클래스로 정의한다.
• 모든 시스템이 주기적 충전/방전 과정을 따를 경우, 탄소 기반, 삽입형, 레드옥시 기반 전극을 포함해 동일한 분석 및 운영 프레임워크를 적용한다.
• 고정형 또는 이동형 전극 구조(예: 막대, 와이어, 유동 입자)를 포함하며, 주기적으로 작동하는 한 CDI 프레임워크에 포함된다.
• 이중층 효과, 화학적 친화도 기능기, 레드옥시 활성 재료를 통한 선택적 이온 제거를 CDI 응용의 유효한 형태로 인정한다.
• 표준화된 성능 지표를 사용해 다양한 재료와 메커니즘을 가진 기술 간의 비교를 가능하게 하여 다중 플랫폼 평가를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 효과 이외의 메커니즘(예: 삽입, 파라데이 반응)을 사용하는 탈염 기술이 CDI의 범주에 의미 있게 포함될 수 있는가?
• RQ2 다양한 이온 제거 메커니즘을 동일한 기술 클래스로 분류하는 데 합리적인 공통된 운영 및 분석적 특징은 무엇인가?
• RQ3 염 제거 및 전하 저장 등의 성능 지표가 다양한 CDI 기술 간에 어떻게 표준화될 수 있는가?
• RQ4 이동 전극 또는 보조 재료(예: 전이 금속 헥사시아노페라트)가 제안된 CDI 프레임워크에 얼마나 잘 부합하는가?
• RQ5 선택적 이온 제거를 위한 이온 선택성의 역할은 일반 탈염을 초월해 CDI 범위를 확장하는 데 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 논문은 기계적 메커니즘에 기반하지 않고 운영 및 분석 일관성에 기반해 CDI를 광범위한 기술 클래스로 재정의함으로써 다양한 재료와 공정의 포함을 가능하게 했다.
• 주기적 충전/방전을 따르고 공통 지표를 사용하는 한, 레드옥시 활성 삽입 재료(예: 나트륨 망간산화물, 헥사시아노페라트)를 통한 이온 제거도 유효한 CDI로 간주된다.
• 전극에 고정된 선택적 이온 분자 또는 고분자가 전압에 의해 재생되는 경우, 동일한 주기적 작동을 따를 경우 CDI 프레임워크에 포함된다.
• 이중층과 파라데이 과정을 모두 포함하는 하이브리드 시스템도 동일한 성능 평가 기준을 따를 경우 CDI로 인정된다.
• 기본 기준에서 주기적 충전 및 이온 전기흡착을 거치는 이동 전극(막대, 와이어, 유동 입자 등)은 참조 기준 프레임워크 내에서 CDI로 분류될 수 있다.
• 고친화도 기능기나 막을 이용한 선택적 이온 제거도 확장된 CDI 정의 하에서 동일하게 유효하며, 특히 복잡한 수질에서의 목표 이온 제거에 유리하다.