One possible solution suggested providing drinkable water with an expense of small amount of energy and investment is desalinating water with the capacitive deionization (CDI) technique. The idea of CDI is to successfully remove any ions dissolved in water by applying electrical field between electrodes and flowing water between the electrodes. The most commonly used electrode materials are carbon aerogel and activated-carbon because of their corrosion resistance and large specific area, which can provide major advantages for electrochemical adsorption processes in an aqueous solution.
Through experiments using three electrode materials, we compared the ion adsorption performance of the electrodes from three different viewpoints: per unit mass, total used area and volume of electrode. Specific area is an important figure, but pore size distribution and pore structure should also be considered in comparing electrodes. Carbon aerogel outperforms carbon felt and activated carbon in ion removal per unit surface area and volume. But in of ion removal per unit mass, carbon felt outperforms carbon aerogel and activated carbon. Also, comparing the ion removing performance of electrodes in different initial concentrations, as the initial concentration increases, activated carbon increases in performance but aerogel’s performance decreases. This means even if carbon aerogel had a better ion removing performance, activated carbon could perform higher in a higher concentration. Therefore, all these parameters should be considered when designing a desalination plant using CDI technology.
Most previous studies related to CDI concentrated on developing novel materials for electrodes suitable for CDI application while little attention was given to how the CDI system is to be designed for maximizing the performance. Since we believe that other design parameters such as gap distance between the capacitor should be considered seriously also, a numerical study was conducted to observe how each design parameter reflects on the overall system performance. Through the investigation, we have observed that the source density has a strong effect on the water recovery ratio but has a negligible effect on the product concentration. Thus, developing novel materials for electrodes alone cannot promise satisfying overall system performance, especially if we want to build a compact and economical desalination system with the CDI technology. This study purpose not only electrode material study but also numerical analysis of flow channel via effective diffusion coefficient modeling through the parametric study such as electrode length, gap distance, source density and cell voltage to build system design code for CDI technology.
적은 에너지를 사용하여 식수로 사용 가능한 수준의 담수를 생산하는데 있어 CDI방식은 새로운 담수화 방식이 될 가능성이 있다. CDI 담수 방식은 두 전극 판 사이에 전기장을 걸어 주어 물 속에 녹아있는 이온을 제거한 후 두 전극 판 사이에 흐르는 담수화 된 물을 취하는 원리를 사용한다. 가장 널리 이용되는 전극물질로는 비표면적이 넓고 부식에 강하여 용액의 이온 흡착 과정에 있어 장점으로 적용될 수 있는 특성을 가진 활성탄이나 카본 에어로겔이 사용되어 왔다.
본 연구에서는 세 가지 다른 특성을 가지는 전극물질을 이용하여 각 전극에 대하여 세 가지 관점 즉, 사용된 총 비표면적, 부피 및 질량에 따른 이온제거능력을 측정하였다. 비표면적은 이제까지 이온제거에 있어 가장 중요한 특성으로 알려져 왔으나 좀 더 정확한 분석을 위해서는 전극 내 기공의 크기에 대한 분석도 필요하다. 본 연구에서 사용되었던 카본 에어로겔은 비표면적 및 부피의 관점에서 볼 때 활성탄이나 카본 펠트의 성능을 능가하였다. 하지만 사용된 질량의 관점에서 볼 때는 카본 펠트가 카본 에어로겔 및 활성탄의 성능을 능가하는 성향을 보였다. 그 밖에, 수용액의 농도가 증가함에 따라 카본펠트 및 활성탄은 이온 제거 성능이 증가하였으나 카본 에어로겔의 경우에는 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 위 결과로 미루어 볼 때 특정한 전극물질이 모든 조건에서 가장 높은 이온 제거 능력을 가지고 있다고 판단할 수는 없으며, 특정한 상황에 따라 전극 물질을 선택하는 것이 좀 더 높은 담수효율을 얻을 수 있다는 결론에 도달하게 된다.
이제까지 수행된 일련의 연구결과들은 앞서 말한 듯이 CDI의 효율을 높이기 위해서 새로운 전극물질을 찾는 것에 대해 진행되었으며 상대적으로 전체 CDI시스템을 디자인하는 연구는 상대적으로 부족하였다. 전체 시스템의 성능을 증가시키기 위해서는 전극뿐 아니라 유로의 폭이나 인가전압과 같은 변수들에 대한 연구도 진행되어야 한다. 논문 조사를 통하여 이온을 제거할 수용액의 농도는 CDI시스템의 recovery ratio에는 중요한 영향을 끼치지만 결과적으로 생산되는 담수의 농도에는 무시할만한 영향을 가진 것으로 나타났다. 이러한 경향을 볼 때 새로운 전극물질의 개발이 전체적인CDI 시스템의 효율을 증진시킨다고는 말할 수 없다. 본 연구에서는 앞서 설명된 전극 성능 평가 외에도 CDI 의 전체 시스템을 분석할 수 있는 수치해석적 접근을 통하여 CDI 플랜트를 건설 할 툴 개발의 발판을 마련하는 것이 목표이다.
