Demand for clean water is increasing rapidly due to population growth, desertification, and pollution. Capacitive deionization, CDI, is a newly interested technology with its economic merits over existing ones like evaporation and reverse osmosis. The one of main issues on this technology lies on the electrode development. From the first success on a stable electrode development like carbon aerogel, various types of electrodes have been emerged. However, key mechanism and parameters of this technology are not yet provided.
This research focuses on revealing how the CDI works and what parameter affects the performance most. For the current experimental techniques have limits in producing well-defined pore arrangement, a simulation tool based on the most sophisticated governing equations has been developed. The governing equations involve Nernst-Planck equation with a convection term to follow ion movement and Poisson equation to follow potential development. The above tool is verified by comparing with analytical solutions and other researcher’s results.
The first simulation tool for CDI uses the decoupled implicit scheme; however, the scheme faces the numerical constraint of poor convergence. The maximum time step size is highly limited to 1.E-8s. Then an under-relaxation scheme is introduced with the limited success: we can increase its time step size by about 1,000 times higher than that of the decoupled scheme. Finally, the coupled implicit scheme, which solves the equations on concentration and potential simultaneously, is adopted. The newly developed scheme does not suffer from the convergence problem and is found to be optimal for CDI simulation.
As the simulation domain, we select a region containing one pore and one electrode gap, to efficiently appreciate key parameters. Key performance indicator, KPI, and system parameters are determined. KPI is defined by the salt removal rate: salt removal amount per electrode volume divided by salt removal time taken up to reach 95% of the salt removal amount. The effects of design parameters on KPI are studied: salt concentration, imposed voltage, electrode gap distance, pore depth, pore diffusion coefficient, pore radius, and flow rate. Pore depth and pore diffusion coefficient are found to have most influential effects on KPI: their exponents are 1 and 0.5, respectively.
최근에 물 수요 증가 및 사막화로 인해 담수화 시장 규모가 급격하게 증가하고 있다. 기존에는 열 담수 방식을 사용하였으나 최근에는 역삼투압 담수 방식을 많이 사용하고 있다. CDI 담수 장치는 전기장으로염을 흡착해 담수 하는 장치로 역삼투압 담수 방식보다 경제적이라는 장점을 가지고 최근에 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 전극 개발이 주를 이루고 있는데 아직 염 제거 원리 및 성능에 크게 영향을 미치는 주요 파라미터에 대한 이해가 부족하다.
본 연구에서는 CDI 담수 장치 성능에 주요 영향을 미치는 파라미터를 확인하기 위해 2D 전극 시뮬레이션 툴을 제작 검증하고 이를 토대로 전극 특성에 따른 CDI 성능 모델을 개발하는 것을 목표로 하였다.
2009년과 2010년에 1D CDI 시뮬레이션 툴이 제시되었으나 전극 내기공 효과를 효과적으로 반영하지 못하는 한계가 있었다. 본 연구에서는 2D CDI 시뮬레이션 툴을 새롭게 개발하였다. 운동 방정식으로는 Poisson 방정식과 Convection 항을 추가한 Nernst-Planck 방정식을 사용하였다. 툴의 적합성을 확인하기 위해 항 별 검증, 수렴해 검증 및 운동해 검증을 수행하였다. 수렴해 검증을 위해서는 Gouy-Chapman 모델을 사용하였고, 운동해 검증을 위해서는 MIT 연구 결과와 비교하였다. 이를 통해 코드가 적절하게 작성되었음을 확인할 수 있었다. 초기에는 Decoupled scheme을 사용하여 툴을 개발하였으나 Poisson 방정식과 Convection 항을 추가한 Nernst-Planck 방정식이 강하게 묶여 있어 해의 수렴성이 낮고 최대 시간 격자 크기가 1.E-8s로 제한되었다. 이와 같이 시간 격자 크기가 작을 때에는 시뮬레이션 할 수 있는 CDI 담수 장치 크기가 실제 크기의 100분의 1로 작아진다는 문제점이 발생하였다. 따라서 Coupled scheme을 사용하여 툴을 새로 개발하였고 시간 격자 크기에 제한이 발생하지 않음을 확인하였다. 뿐만 아니라 물리현상이 일어나는 시간 격자크기가 1.E-1s 단위 임을 확인할 수 있었다.
새로 개발된 툴을 가지고 파라미터 스터디 및 전극 특성에 따른 CDI 담수 장치 성능 모델을 개발하였다. 성능을 평가하기 위한 평가 지표로 단위 전극 부피당 염 제거 속도를 사용하였다. 각 파라미터 값을 바꾸어 가며 어떤 파라미터가 주요 영향을 미치는지 확인하였고, 이를 기반으로 성능 모델을 제시하였다. 본 모델을 통해 CDI 담수 장치의 성능이 전극 내 기공의 길이와 기공 내 이온 확산 계수에 의해 좌우됨을 확인할 수 있었다. 성능은 기공의 길이에 반비례 하였고, 기공 내 이온 확산 계수의 루트 값에 비례하였다. 예상 외로 전극의 직경은 성능에 큰 영향을 미치지 않았다.
향후 전극을 개발할 때에 전극의 기공의 길이를 작게 하며 (상대적으로 표면적을 크게 함) 기공 내 이온 확산 계수를 크게 할 필요할 것으로 여겨진다. 향후 본 시뮬레이션 결과를 실험으로 검증 및 보완하는 것이 필요할 것으로 여겨진다.
