Novel flow electrodes for increased ion removal rate and energy consumption reduction in flow-electrode capacitive deionization

Abstract

A separação e a remoção de íons da água são essenciais para atender às restrições cada vez maiores de emissões de poluentes de águas residuais e reutilização de água. Além disso, novas tecnologias são necessárias para fornecer água potável aos locais em áreas afetadas pela seca. Por fim, os íons normalmente descartados nas águas residuais podem ser recuperados como subprodutos em operações industriais. A deionização capacitiva por eletrodo de fluxo (FCDI) é uma das técnicas que atrai a atenção devido às possíveis vantagens em relação às tecnologias estabelecidas, como a remoção específica de íons, a operação contínua e o tratamento de água com alta salinidade. Uma das principais desvantagens da FCDI é a maior resistência elétrica do eletrodo de fluxo em comparação aos eletrodos estáticos típicos. Algumas tentativas de usar outros materiais, como os análogos de azul da Prússia, resultaram em um desempenho de dessalinização ainda pior devido à menor condutividade desses materiais em relação aos sólidos à base de carbono. Portanto, este trabalho se concentrou na redução do consumo de energia e no aumento da produtividade do FCDI, melhorando a transferência de carga no sistema. O desempenho da dessalinização obtido com os eletrodos modificados é comparado ao do FCDI com polpas de carvão ativado (CA). A aplicação do hexacianoferrato de níquel (NiHCF) como material ativo no eletrodo de fluxo foi estudada juntamente com o cianeto de ferro [Fe(CN)6] 3- como mediador redox. Os eletrodos de fluxo com NiHCF e o mediador redox apresentaram o dobro da corrente em comparação com os eletrodos de fluxo típicos com CA. Em comparação com o sistema em que o mediador redox também é adicionado ao eletrodo de fluxo com CA, o sistema com NiHCF e mediador redox também apresentou correntes mais altas e mais estáveis durante a dessalinização. Devido à melhora da performance de dessalinização com a adição de um mediador redox aos eletrodos de fluxo com CA, o cloreto de ferro (Fe-Cl), o citrato de ferro (Fe-Cit) e o carvão ativado também foram investigados. Foi demonstrado que, mesmo na concentração de 0,05 M de Fe-Cl, a taxa de dessalinização é maior do que a das polpas de CA. Além disso, um efeito sinérgico é observado quando o CA e o Fe-Cl são misturados. A taxa de dessalinização é aumentada em até 100% para a mistura de CA - 0,2 M de Fe-Cl. A adição de citrato férrico em concentrações de 0,2 M aumentou a dessalinização em 23%. Foi demonstrado que a adição de pares redox é uma estratégia relevante para melhorar o desempenho do FCDI, o que provavelmente o tornará mais competitivo em relação a outras tecnologias.