[論文レビュー] Theory of water desalination by porous electrodes with fixed chemical charge

P. M. Biesheuvel, Matthew E. Suss+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Membrane-based Ion Separation Techniques被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、固定化学的電荷を有する多孔質電極を用いた静電的脱塩（CDI）の理論的モデルを構築し、『逆転CDI』と呼ばれる直感に反する現象——すなわち、充電時ではなく放電時に脱塩が進行する——を説明する。モデルは、固定電荷が二重層構造とイオン移動を調整することで、特定の電気化学的条件下でイオン除去効率を向上させることを示している。

ABSTRACT

Water desalination by capacitive deionization (CDI) is performed via electrochemical cells consisting of two porous carbon electrodes. Upon transferring charge from one electrode to the other, ions are removed from the feedwater by electrosorption into electrical double layers (EDLs) within the micropores of the porous carbon. When using electrodes containing fixed chemical charge in the micropores, various counterintuitive observations have been made, such as "inverted CDI" where upon charging, ions are released from the electrode, and the feedwater is only desalinated when the cell is discharging. We set up an EDL model including chemical charge that explains these observations and makes predictions for a working range of enhanced desalination by CDI.

研究の動機と目的

• 多孔質電極に固定化学的電荷が存在する場合のキャパシティブ・デイオン化（CDI）における異常な脱塩挙動を説明すること。
• イオン放出が充電時に起こり、脱塩が唯一放電時に進行するという『逆転CDI』のパラドックスを解明すること。
• 固定電荷電極を用いることで向上する脱塩性能を予測する理論的枠組みを構築すること。
• 化学的電荷がマイクロポーラス炭素内の電気的二重層（EDL）構造とイオン移動をどのように変化させるかを明確にすること。

提案手法

• 固定化学的電荷を有するマイクロポーラス炭素電極における電気的二重層（EDL）の連続体的電気的モデルを構築する。
• イオン分布および charged porous media 内の電気的ポテンシャルを記述するために、ドナンおよびポisson-Boltzmann 方程式を組み込む。
• 修正されたGrahame方程式を用いて、狭いマイクロポーラスにおける空間効果およびイオン相関を考慮する。
• 充電および放電サイクル中のイオン吸着／脱吸着を分析するための熱力学的枠組みを導入する。
• 数値シミュレーションを用いて、さまざまな条件下でのイオン除去効率および電荷依存性を予測する。
• 逆転CDIおよび固定電荷系における強化された脱塩を実験的に観察した結果と照合して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多孔質電極に固定化学的電荷が存在する場合、CDIにおけるイオン吸着および脱吸着挙動はどのように変化するか？
• RQ2 特定の固定電荷電極系では、なぜ脱塩が充電時ではなく放電時に進行するのか？
• RQ3 固定電荷電極を用いることで向上するイオン除去に寄与する二重層構造およびイオン移動の役割は何か？
• RQ4 どのような電気化学的条件下で固定電荷CDIが従来のCDIを上回る性能を示すのか？
• RQ5 マイクロポーラス内での空間効果と静電的効果がどのように相互作用し、イオン選択性および容量を支配するのか？

主な発見

• マイクロポーラス内に固定化学的電荷が存在すると、イオン吸着行動が逆転し、『逆転CDI』が実現され、放電時に脱塩が進行する。
• モデルは、固定電荷密度を供給水のイオン強度に一致させることで、イオン除去効率が著しく向上することを予測している。
• 充電時にイオン脱吸が固定電荷からの静電的反発によって駆動され、初期の充電段階ではイオンの取り込みが減少する。
• 電荷とイオン除去の間に非単調な関係が見られ、最適な性能は中程度の電荷レベルで達成される。
• 狭いマイクロポーラス内での空間効果が同種イオンの蓄積を抑制し、選択性を向上させ、脱塩効率を向上させる。
• 理論的枠組みは、実験的異常をうまく説明でき、高性能CDI電極の設計指針を提供する。