1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

مروری بر مفاهیم، تاریخچه و پیشرفت های اخیر در فناوری یون زدایی خازنی

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - محمد مهدی احدیان , نویسنده دوم - سعید شاهرخیان دهکردی , نویسنده سوم - مجید طالبی

موضوع : آموزش و ترویج کلمات کلیدی : تصفیه آب - الکترود تاریخ مقاله : 1398/12/14 تعداد بازدید : 927

در این مقاله مروری ابتدا تعاریف متداول و مفاهیم اصلی در ارتباط با فناوری یون زدایی خازنی (CDI)برای شوری زدایی آب به طور مختصر شرح داده می شود و بعد پیشرفت های جدید شامل تحقیقات نظری، طراحی ساختار و انواع الکترودهای مورد استفاده در فرآیند یون زدایی مرور می شود. در نهایت مسیردهای تحقیقات و توسعه پیش رو جهت افزایش رقابت پذیری و بهبود فناوری CDI برای تصفیه¬ی آب با استفاده از الکترودهای اصلاح شده بیان می گردد.

 

1- بحران آب و چالش‌های پیش رو
بحران تامین آب یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش‌روی بشر در هزاره‌ی سوم است. به طوری‌که از آن به عنوان عامل جنگ جهانی سوم نام برده‌اند. بنابر گزارش سازمان ملل در سال 2001 حدود 18 کشور و جمعیتی بالغ بر 1/1 میلیارد نفر دچار بحران کمبود فیزیکی آب بوده‌اند؛ که با توجه به پیش‌بینی‌ها برای سال 2025 حدود 29 کشور و جمعیتی بالغ بر 8/1 میلیارد نفر دچار کمبود آب خواهند شد. همچنین خطر بحران آب در کشور‌های در حال توسعه شدیدتر است زیرا روند رشد جمعیت رو به افزایش و نحوه‌ی الگوی مصرف به سمت اصراف‌گرایی متمایل است. با توجه به واقع شدن موقعیت جغرافیایی کشورمان در منطقه‌ی گرم و خشک اهمیت توجه به این امر را بالاتر می‌برد. حدود 70 درصد سطح کره‌ی زمین را آب پوشانده شده است که بیش‌از 97% این آب‌ها را اقیانوس‌ها، دریا‌ها و پوشانده است که جزء منابع آب شور و نیمه‌شور غیر قابل شرب قرار می‌گیرند. در حدود 3% از منابع آب سطحی جزء منابع آب شیرین دسته‌بندی می‌شود که بیشتر آن به شکل ذخایر یخ در قطب‌ها و یخچال‌های طبیعی ذخیره شده است. از این رو یافتن روشی موثر جهت نمک زدایی از منابع نیمه‌شور و شور راهکاری موثر در جهت غلبه بر بحران آب خواهد بود [1-3].

وجود یون‌های محلول در آب علاوه بر شوری، باعث رسانش الکتریکی در محلول می‌شود که در محدوده‌ی غلظت خاص یک رابطه‌ی خطی بین میزان نمک حل‌شده و میزان رسانش الکتریکی محلول پدید می‌آید. بنابراین نمودار‌های کالیبراسیون غلظت-رسانش الکتریکی محلول یکی از راه‌های بررسی فرآیند یون‌زدایی از آب می‌باشد. از دیدگاه ترمودینامیکی فرآیند یون‌زدایی آب از لحاظ انرژی آزاد با کاهش بی‌نظمی همراه است و یک فرآیند غیر خود به خودی است که این فرآیند نیازمند صرف انرژی جهت جداسازی یون‌ها از محلول است. امروزه روش‌های متعددی از قبیل روش‌های شیمیایی، اسمز معکوس، حرارتی، الکترودیالیز، یون‌زدایی خازنی و غیره برای نمک‌زدایی از آب وجود دارد. در تمامی این روش‌ها هدف اصلی غلبه بر انرژی آزاد حاصل از بی نظمی یون‌ها در محیط حلال است. به عنوان مثال در روش‌های شیمیایی از نیروی محرکه‌ی شیمیایی جهت کاهش ثابت تعادل فرآیند حل شدن نمک در آب استفاده می‌شود که این عامل باعث رسوب‌دادن یون‌های محلول در آب می‌شود. روش یون‌زدایی خازنی برای تصفیه‌ی آب نیز یکی از روش‌های موثری است که در مقایسه با روش‌های دیگر می‌تواند مورد توجه قرار گیرد. در فرآیند یون‌زدایی خازنی (CDI) پنجره‌ی پتانسیل الکتریکی فرآیند‌های الکتروشیمیایی به عنوان یک عامل مهم در اعمال محرک خارجی است [4].

 

2- شوری‌زدایی آب به روش خازنی
فناوری CDI برای تصفیه‌ی آب در اواسط دهه‌ی 1960 میلادی معرفی گردید [5-8]. امروزه CDI فناوری رو به رشدی است که از نیروی پیش‌برنده‌ی الکتروفورتیک برای یون‌زدایی از منابع آب سطحی و نسبتا شور استفاده می‌کند. در طول فرآیند CDI با اعمال میدان الکتریکی در ولتاژ کم (v2DC<) یون‌ها بر روی سطح الکترود‌ها جذب می‌شوند. در این فرآیند، الکترود منفی (کاتد) یون‌های مثبت مانند سدیم را جذب می‌کنند؛ به طور همزمان، الکترود مثبت (آند) یون‌های منفی مانند کلرید را به خود جذب می‌کند. در سازوکار CDI، جدایش و انباشتگی یون‌ها در میدان الکتریکی فرآیند‌های اصلی می‌باشند و هیچ گونه مواد افزودنی شیمیایی در این فناوری استفاده نمی‌شود. همچنین بازیابی الکترود‌ها شامل واجذب یون‌های الکتروجذب شده از سطح الکترود‌ها به جریان پساب در عدم حضور میدان الکتریکی انجام می‌شود [9, 10].

از مزایای روش CDI برای یون‌زدایی از منابع آب نیمه‌شور مصرف انرژی کمتر نسب به اسمز معکوس، دستگاه با عملکرد ساده‌تر، بدون نیاز به پمپ‌های فشار قوی و قابلیت استفاده در مقیاس‌های مختلف است. از سوی دیگر هزینه آب حاصل از این روش نسبت به رزین‌های یونی ارزان‌تر بوده، نیاز به نگهداری کمتری داشته و نیاز به تعویض رزین دوره‌ای ندارد. از سویی دیگر، در حالی که CDI یک روش آسان را ارائه می‌کند، این روش تنها برای آب‌های نیمه‌شور کاربرد دارد (mg/L 3000TDS<) و در مقایسه با سایر روش‌های یون‌زدایی کارایی مناسبی برای آب‌های شور ندارد. مشکل اصلی در روش CDI پایین بودن ظرفیت اشباع جذب و نیاز به واجذب مجدد یون‌ها در هر چرخه تکراری است که این مورد نیاز به بهینه سازی دارد. به منظور افزایش کارایی CDI انواع متعددی از مواد جدید برای الکترود‌ها، روش‌های اعمال میدان، چیدمان سلول و ترکیب با سایر روش‌های تصفیه‌ی آب پیشنهاد شده است. موادی با رسانش الکتریکی بالا، مساحت سطح فعال بالا، ساختار متخلخل با حفرات در دسترس برای یون‌ها و سطح تر شونده (آبدوست) برای الکترود‌ها مناسب می‌باشند [9-14].

موارد مورد توجه محققین در حوزه‌ی تحقیقات یون‌زدایی خازنی در بین سال‌های 1960-2012 در مرجع [10] به خوبی دسته بندی شده است. مطالعات تئوری، مواد جدید برای الکترود‌ها، طراحی جدید برای چیدمان سیستم از مهمترین موارد مورد توجه محققین در این محدوده‌ی زمانی است. همچنین جدول 1 خلاصه‌ای از تحقیقات مربوط به سالهای 2012-2019 را نیز دسته‌بندی می‌کند که چشم‌انداز موجود را بهخوبی نمایش می‌دهد. با توجه به جستجوی انجام شده تعداد کل ثبت اختراع‌های US-patent در مورد فناوری CDI برای شوری زدایی آب از سال 1975 تا سال 2019 در حدود 320 مورد است که بیش از 200 مورد از آنها مربوط به فناوری مورد استفاده در الکترود‌ها و در درجه‌ی بعدی در مورد نحوه‌ی چیدمان الکترود‌ها و طراحی دستگاه CDI به منظور افزایش ظرفیت جذب است. همچنین با جستجوی مشابه در سایت گوگل-پتنت نیز با بیش از 6000 عنوان ثبت اختراع متفاوت در این حوزه که در اقصی نقاط جهان ثبت شده است برخورد می‌کنیم.

 

3- الکترود‌های اصلاح شده برای یون‌زدایی خازنی

همان‌گونه که ذکر شد یکی از مهمترین عوامل مورد برسی در CDI ارائه‌ی راه‌کار‌هایی جهت افزایش ظرفیت جذب نمک است. در این بین یکی از مهمترین موارد مورد بررسی ارائه‌ی مواد جدید و یا ساختار جدید برای الکترود‌ها است. به طور کلی، موادی با رسانش الکتریکی بالا، مساحت سطح فعال بالا، ساختار متخلخل با حفرات در دسترس برای یون‌ها و سطح تر شونده (آبدوست) برای الکترود‌ها مناسب می‌باشند. تا کنون، آیروژل‌های کربنی، نانو تیوب‌های کربنی، گرافن اصلاح شده، پلیمر‌های رسانا، اکسید‌های فلزی متخلخل و فوم‌های فلزی توسط محققین این حوزه به عنوان گستره‌ای از مواد برای الکترود‌ها پیشنهاد شده‌اند اما همچنان تحقیقات در این مورد ادامه دارد [15, 16]. تا کنون روش‌های متعددی برای تهیه‌ی الکترود‌های فرآیند CDI معرفی شده است. در این بین روش روش پرس کردن خمیر کربنی بر روی سطوح فلزی یکی از متداول‌ترین روش‌ها می‌باشد. در این روش در حدود 10% وزنی از یک بایندر (مانند PTFE) در تهیه خمیر کربنی استفاده می‌شود تا چسبندگی و استحکام الکترود بهبود یابد. البته با افزایش مقدار بایندر تا حدودی میزان جذب کاهش می‌یابد. همچنین در حین پرس کردن خمیر حفرات ماکروپور ماده‌ی فعال فرو می‌ریزد که نقص دیگر این فرآیند می‌باشد [17]. از این رو تحقیقات بر روی تولید الکترودهای اصلاح شده و فاقد بایندر همچنان در حال پیگیری است. از مهمترین ویژگی‌های الکترود مناسب در فرآیند CDI میتوان به موارد زیل اشاره کرد [10, 13, 14]:

1)      رسانش الکتریکی بالا و مقاومت کم در برابر انتقال بار

2)      پایداری الکتروشیمیایی (نسبت به pH، اکسایش-کاهش و عوامل دیگر)

3)      سطح فعال بالا با ساختار تخلخل باز

4)      دسترسی و تحرک یون‌های هیدراته در حفرات

5)      دارای سطح آبدوست و تر شوندگی بالا

6)      مقاومت کم در مقابل انتقال بار در محل اتصالات الکتریکی

7)      پایداری مکانیکی و طول عمر مناسب

8)      شکل‌پذیر و فرآیند پذیر

9)      قیمت کم و قابل تولید در مقیاس زیاد

10)  دارای منابع طبیعی فراوان و قابل دسترس

11)   مقاوم و بی‌اثر در مقابل عوامل میکروبی و آلودگی‌های آلی

 

4- سازوکار و فرآیند‌های قالب در یون‌زدایی خازنی
تاکنون مطالعات تئوری فراوانی برای تشریح سازوکار فرآیند CDI انجام شده است. سازوکار اصلی در حضور میدان الکتریکی عبارت است از: نفوذ یون‌ها از محلول به سمت الکترود‌ها و در مرحله‌ی بعد یون‌ها در روی سطح تجمع پیدا کرده و تشکیل دولایه‌ی الکتریکی می‌دهند. البته فرآیند‌های دیگری نیز در کنار تجمع بارهای الکتریکی و یونها اتفاق می‌افتد که به طور کلی به دو دسته‌ی واکنش‌های فارادی و برهمکنش‌های غیر فارادی تقسیم می‌شوند. فرآیند‌های جدایش و تجمع بار‌های الکتریکی را فرآیند‌های غیر فارادی و واکنش‌های همراه با انتقال بار الکتریکی و واکنش الکتروشیمیایی را فرآیند‌های فارادی می‌گویند. شکل 2 این فرآیندها را دسته بندی کرده است.

گروه تحقیقاتی از دانشگاه آتلانتا گزارشی را در سال 2014 در مجله‌ی لانگمویر منتشر کرده‌اند، که با استفاده از تصویر برداری نوترونی از الکترود کربن فرآیند (غیر فارادی) نفوذ یون‌های لیتیم Li+ در سطح الکترود را بررسی نموده‌اند. بر اساس نتایج این تحقیق به توجیه اثر غلظت نمک در فرآیند جذب و میزان نفوذ یون‌های هیدراته در بستر الکترود طی فرآیند CDI پرداخته‌اند [18]. در گزارشی که توسط محققان استرالیایی در سال 2016 منتشر شده است، گروه به بررسی واکنش الکتروشیمیایی (فارادی) طی فرآیند CDI پرداخته‌اند. در این تحقیق تشکیل عامل خورنده‌ی H2O2 از واکنش O2 محلول در آب بر روی سطح کاتد و تشکیل گاز CO2 در اثر خورده شدن الکترود آند مورد بررسی قرارداده و سازوکار الکترو‌شیمیایی این فرآیند را پیشنهاد نموده‌اند [19]. مکانیسم فرآیند جذب و واجذب الکتروشیمیایی تا حدود زیادی به نیروی محرکه‌ی الکتریکی وابسته است. با این وجود سینتیک این فرآیند را می‌توان توسط روش‌های متداول جذب و واجذب نیز بررسی نمود.

تحلیل مدار معادل سامانه یونزدایی نیز به منظور بهینه سازی فرآیند صورت می‌گیرد و از طریق آن ظرفیت خازنی الکترودها و مقاومت‌های الکتریکی در فصل مشترک‌ها تخمین می‌پذیرد که معیار مهمی در کارامدی جذب و مصرف انرژی می‌باشد. به این منظور آنالیز‌های ولتامتری چرخه‌ای در نرخ‌های متفاوت اسکن و شارژ و تخلیه گالوانواستاتیک در چگالی جریانهای متفاوت بر روی سامانه انجام می‌شود، همچنین با توجه به محاسبات عددی و تحلیل طیف امپدانس (نمودار‌ نایکوئیست) یک مدار معادل پیشنهاد می‌شود [17].

4-1- ظرفیت جذب یونی الکترود
ظرفیت جذب بر اساس میزان جرم نمک جذب شده بر مبنای جرم عامل جذب کننده (g/mg) بیان می‌شود. میزان ظرفیت جذب الکترود ها یک عامل مهم در بررسی کارآمدی فرآیند CDI می‌باشد. بر اساس یک نرخ تقریبی الکترود‌های که بیش از mg/g 10 جذب نمایند حد فیزیکی مناسب برای استفاده در مصارف تجاری را دارند. بنابر گزارش‌های منتشر شده در مجله‌ی scientific report که توسط گروهی از پژوهشگران دانشگاه شانگهای در سال 2015 انجام شده است؛ با استفاده از اسفنج‌ گرافن [20] و اسفنج گرافنی نیتروژن‌دار شده [21] که در تولید الکترود‌ها در فرآیند CDI میزان ظرفیت جذب به طور چشمگیری از حدود mg/g 2 برای RGO به بیش از mg/g 20 در مورد نمونه‌ی اسفنج گرافن نیتروژن‌دار شده افزایش یافته است. دلیل این پدیده وجود ساختار متخلخل با حفرات باز و سطح با تر شوندگی بهبود یافته ذکر شده است [21]. گروهی بین المللی متشکل از محققان تایوان، ژاپن و عربستان گزارشی را در سال 2015 منتشر کرده‌اند که در آن روشی برای تولید کامپوزیت کربنی از رزوسینول-سلولز و ملامین-سلولز برای تولید الکترود در فرآیند یون‌زدایی خازنی ذکر شده است [22]. کامپوزیت کربنی مورد استفاده در تولید الکترود‌ها سطح فعال بسیار زیادی در حدود m2/g 2550 نشان می‌دهد، اما الکترود حاصل از این کامپوزیت جذب بیشینه ای در حدود mg/g 8 را نشان می‌دهد [22]. یک گروه بین المللی به سرپرستی پژوهشگران سنگاپوری گزارشی را در مجله‌ی ACS Appl. Mater. Interfaces در سال 2016 منتشر کرده‌اند. پوشش‌دهی رزین تبادل یون بر روی اکترود اسفنج گرافن نکته‌ی مهم در این تحقیق می‌باشد. این گروه ابتدا اسفنج گرافنی را به روش شیمیایی سنتز نموده سپس اثر افزودن پوشش‌های رزین یونی را به صورت متقارن و غیر متقارن بر روی الکترود‌ها در فرآیند CDI بررسی نموده‌اند. طبق نتایج منتشر شده از تحقیقات این گروه در نمونه‌ی بهینه‌شده با پوشش‌دهی متقارن رزین یونی MCDI) ) [i] در ولتاژ 4/1 ولت از محلول mg/L 300 میزان جذبی حدود mg/g 5/18 رسیده‌اند. همچنین وجود غشا باعث افزایش چشمگیر طول عمر الکترودها در فرآیندیون زدایی خازنی می‌شود [23]. 

امروزه نیز تحقیقات برای افزایش ظرفیت جذب و پایداری الکترودها با استفاده از مواد با قابلیت جذب شبه خازنی و استفاده از فناوری‌های به کار رفته در باتری ها و ابر خازن ها ادامه دارد. به عنوان نمونه در چیدمان نامتقارن موادی همچون نانو ذرات نقره، اکسید منگنز و بیسموت ظرفیت جذب آنیون های کلرید را تا حد بالایی بهبود می‌دهند. همچنین موادی با قابلیت جذب میان لایه ای مانند فسفر سیاه ظرفیت جذب کاتیون هایی نظیر سدیم را به شدت افزایش میدهد. با توجه به این قابلیت محققین توانسته اند ظرفیت جذب نمک را به بیش از mg/g 100 در گزارش های منتشر شده تا سال 2019 افزایش دهند [24-26].

 

5- طراحی چیدمان سیستم در روش یون‌زدایی خازنی
روش‌های متفاوتی در طراحی دستگاه و چیدمان الکترود‌ها‌ی CDI وجود دارد. شکل 4 شمای چیدمان الکترود‌های متداول در روش CDI را نمایش می‌دهد. چیدمان الکترود‌های ثابت و الکترود‌های در جریان (معلق در محلول) دو دسته‌ی کلی را تشکیل می‌دهند. مسیر عبور جریان آب در تقابل با نحوه قرار گیری الکترودها و تعداد کانالهای انشعاب آب عامل مهم دیگری در طراحی دستگاه یون زدایی است.

گروه تحقیقاتی از کشور کره‌ای مطالعات متعددی را بر روی الکترود‌های شناور در آب انجام داده است. بنابر گزارشی که از این گروه تا کنون ارائه شده است، این چیدمان خاص باعث می‌شود تا بتوان علاوه بر آب‌های نیمه‌شور، آب‌های شور را نیز به طور موثری با روش CDI یون‌زدایی نمود [27]. چیدمان و تعداد کانال‌ها در بهره‌وری روش الکترود شناور تاثیر گذار است. با افزایش تعداد کانال‌ها ظرفیت بازیابی آب شیرین نسبت به پساب شور افزایش می‌یابد شمایی از نحوه‌ی چیدمان الکترود‌ها، شریان‌های آب و عمل‌کرد دستگاه 3 و 6 کاناله در مرجع [28] موجود است.

5-1- جذب انتخابی یون‌ها و الکترود‌های یون گزین
حذف انتخابی یون‌ها و یا سایر آلاینده های موجود در آب یکی از موارد مورد توجه محققین در سال‌های اخیر بوده است. به عنوان نمونه، گروهی سنگاپوری اقدام به تولید کامپوزیت گرافن-کیتوسان به عنوان الکترود ضد میکروب مورد استفاده در فرآیند CDI کرده‌است. گزارش این پژوهش در مجله‌ی ACS Nano در سال 2015 به چاپ رسیده است. شکل‌های 5 شمای الکترود کامپوزیت گرافن-کیتوسان و دستگاه مورد نظر این گروه را نمایش می‌دهد [29].

گروه‌ی هندی به بررسی یون‌زدایی گزینشی (آنیون‌های کلرید، نیترات، فلوئورید، و سولفات) توسط فرآیند CDI پرداخته است و نتایج کار خود را در مجله‌ی ACS Appl. Mater. Interfaces در سال 2015 منتشر کرده است [30]. همچنین در سال 2016 گزارشی در مجله‌ی Environ. Sci. Technol. منتشر گردید که بر طبق آن گروهی از محققان استرالیایی در تحقیقات خود به بررسی اثر اعمال جریان ثابت در فرآیند CDI پرداخته‌اند و سعی نموده‌اند تا در مقیاس نیمه صنعتی با اعمال میدان الکتریکی در جریان ثابت اقدام به حذف گزینشی آنیون فلوراید از آب چاه کنند. این گروه از یک سیستم ترکیبی CDI-NanoFilter برای این تحقیق استفاده کرده‌اند که شمای آن در شکل 6 آورده شده است [31].

5-2- بهینه‌سازی مصرف انرژی در سیستم‌های یون‌زدایی خازنی
با توجه به افزایش نیاز روز افزون و بهای جهانی انرژی، گروهی از محققین امریکایی و اسپانیایی به بررسی بهینه‌سازی مصرف انرژی در سیستم‌های یون‌زدایی خازنی پرداخته‌اند. بنابر نتایج تحقیقات این گروه در صورتی که از آب شور برای بازیابی مجدد الکترود‌ها استفاده گردد راندمان از حدود 65% به 95% افزایش می‌یابد. این گروه با معرفی ایده‌ای مبتنی بر کنترل دقیق شریان آب خروجی و ورودی و اعمال میدان الکتریکی برنامه‌ریزی شده در جهت عملی‌کردن ایده‌ی خود برآمده‌اند. گزارش کاملی از فرآیند استفاده از آب شور برای واجذب یون و بازیابی الکترود‌ها به منظور افزایش بهره‌وری انرژی در سال 2016 در مجله‌ی Environ. Sci. Technol. چاپ‌شده است [4].

 
جمع بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله تعاریف متداول و مفاهیم اصلی در فناوری CDI به طور مختصر بررسی گردید و بعد پیشرفت‌های جدید در این حوزه مرور شد. همان‌گونه که بیان گردید، مشکل اصلی در روش CDI پایین بودن ظرفیت جذب و واجذب در هر چرخه و اشباع شدن الکترود ها است که نیاز به تحقیق و توسعه دارد. تا کنون، انواع متعددی از مواد جدید برای الکترود‌ها، روش‌های اعمال میدان، چیدمان سلول و ترکیب CDI با سایر روش‌های تصفیه‌ی آب برای اصلاح این روش پیشنهاد شده است. همچنین مطالعاتی نیز در زمینه‌ی بهینه‌سازی مصرف انرژی و یا جداسازی انتخابی یون‌های محلول در آب نیز انجام گردیده است که به نمونه‌هایی از آن‌ها اشاره گردید. در سال‌های اخیر هدف اصلی محققین افزایش کارایی روش یون‌زدایی CDI از طریق بهینه‌سازی الکترود‌های به کار رفته است. افزایش تخلخل سطوح الکترودهای خازن نفوذ یون‌ها را تسهیل کرده و می‌تواند باعث بهبود کارایی این روش گردد.با توجه به گزارشات متعدد، با استفاده از ساختارهای گرافنی سه‌بعدی و عامل کردن سطح الکترودها با مواد جاذب یون ظرفیت جذب به طور چشمگیری (mg/g20) افزایش یافته است. همچنین، با استفاده از کامپوزیت‌های حاوی رزین‌یونی و مواد میان لایه‌ای می‌توان کارایی این روش را (تا بیش از mg/g100) بهبود داد.

 
مراجع


[1]        V. Srinivasan, E. F. Lambin, S. M. Gorelick, B. H. Thompson, and S. Rozelle, "The nature and causes of the global water crisis: Syndromes from a meta-analysis of coupled human-water studies," Water Resources Research, vol. 48, no. 10, 2012, doi: 10.1029/2011wr011087.

[2]        W. Axelsen, "Worldwide water shortage by 2040," in ScienceDaily, ed: Aarhus University, 2014.

[3]        M. B. Mesgaran, K. Madani, H. Hashemi, and P. Azadi, "Iran's Land Suitability for Agriculture," Sci. Rep., vol. 7, no. 1, p. 7670, 2017, doi: 10.1038/s41598-017-08066-y.

[4]        E. Garcia-Quismondo, C. Santos, J. Soria, J. Palma, and M. A. Anderson, "New Operational Modes to Increase Energy Efficiency in Capacitive Deionization Systems," Environ. Sci. Technol., vol. 50, no. 11, pp. 6053-60, 2016, doi: 10.1021/acs.est.5b05379.

[5]        O. University of and S. United, Demineralization of saline water by electrically-induced adsorption on porous graphite electrodes (Research and development progress report / United States Dept. of the Interior ;no. 45, no. 48 p.). [Washington, D.C.]: U.S. Dept. of the Interior, 1960, p. 48 p.

[6]        E. N. Wood et al., Electrochemical demineralization of water with carbon electrodes (Research and development progress report / United States Dept. of the Interior ;no. 140, no. vi, 98 p.). Washington, D.C.: U.S. Dept. of the Interior: For sale by the Supt. of Docs., U.S. Govt. Print. Off., 1965, pp. vi, 98 p.

[7]        D. D. Caudle, S. United, and O. University of, Electrochemical demineralization of water with carbon electrodes (Research and development progress report / United States Dept. of the Interior ;no. 188, no. xiii, 190 p.). [Washington, D.C.]: U.S. Dept. of the Interior; [for sale by the Superintendent of Documents, U.S. Govt. Print. Off.], 1966, pp. xiii, 190 p.

[8]        G. W. Murphy, J. L. Cooper, O. University of, and S. United, Activated carbon used as electrodes in electrochemical demineralization of saline water (Research and development progress report / United States Dept. of the Interior ;no. 399, no. vi, 102 p.). Washington, D.C.: U.S. Dept. of the Interior, 1969, pp. vi, 102 p.

[9]        Y. Oren, "Capacitive deionization (CDI) for desalination and water treatment — past, present and future (a review) ," Desalination, vol. 228, no. 1-3, pp. 10-29, 2008, doi: 10.1016/j.desal.2007.08.005.

[10]       S. Porada, R. Zhao, A. van der Wal, V. Presser, and P. M. Biesheuvel, "Review on the science and technology of water desalination by capacitive deionization," Prog. Mater Sci., vol. 58, no. 8, pp. 1388-1442, 2013, doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.03.005.

[11]       Y. Liu, C. Nie, X. Liu, X. Xu, Z. Sun, and L. Pan, "Review on carbon-based composite materials for capacitive deionization," RSC Adv., vol. 5, no. 20, pp. 15205-15225, 2015, doi: 10.1039/c4ra14447c.

[12]       M. E. Suss, S. Porada, X. Sun, P. M. Biesheuvel, J. Yoon, and V. Presser, "Water desalination via capacitive deionization: what is it and what can we expect from it?," Energy Environ. Sci., vol. 8, no. 8, pp. 2296-2319, 2015, doi: 10.1039/c5ee00519a.

[13]       B. Jia and W. Zhang, "Preparation and Application of Electrodes in Capacitive Deionization (CDI) : a State-of-Art Review," Nanoscale Res. Lett., vol. 11, no. 1, p. 64, 2016, doi: 10.1186/s11671-016-1284-1.

[14]       Z.-H. Huang, Z. Yang, F. Kang, and M. Inagaki, "Carbon electrodes for capacitive deionization," J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 2, pp. 470-496, 2017, doi: 10.1039/c6ta06733f.

[15]       غ. ا. سرابی, "نقش نانومواد در شیرین‌سازی آب به روش یون‌زدایی خازنی," ماهنامه علوم و فناوری نانو, vol. 259, 1398.

[16]       ت. ف. مهرویژن, ا. فریدی, and م. سرور, "گزارش کوتاه صنعتی سیستم یون‌زدایی‌خازنی," ماهنامه علوم و فناوری نانو, vol. گزارش صنعتی 54, 1394.

[17]       Y. Qu, T. F. Baumann, J. G. Santiago, and M. Stadermann, "Characterization of Resistances of a Capacitive Deionization System," Environ. Sci. Technol., vol. 49, no. 16, pp. 9699-706, 2015, doi: 10.1021/acs.est.5b02542.

[18]       K. Sharma et al., "Transport of ions in mesoporous carbon electrodes during capacitive deionization of high-salinity solutions," Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids, vol. 31, no. 3, pp. 1038-47, 2015, doi: 10.1021/la5043102.

[19]       D. He, C. E. Wong, W. Tang, P. Kovalsky, and T. D. Waite, "Faradaic Reactions in Water Desalination by Batch-Mode Capacitive Deionization," Environ. Sci. Technol. (Letters) , vol. 3, no. 5, pp. 222-226, 2016, doi: 10.1021/acs.estlett.6b00124.

[20]       X. Xu, L. Pan, Y. Liu, T. Lu, Z. Sun, and D. H. Chua, "Facile synthesis of novel graphene sponge for high performance capacitive deionization," Sci. Rep., vol. 5, p. 8458, 2015, doi: 10.1038/srep08458.

[21]       X. Xu, Z. Sun, D. H. Chua, and L. Pan, "Novel nitrogen doped graphene sponge with ultrahigh capacitive deionization performance," Sci. Rep., vol. 5, p. 11225, 2015, doi: 10.1038/srep11225.

[22]       S. Dutta et al., "Cellulose Framework Directed Construction of Hierarchically Porous Carbons Offering High-Performance Capacitive Deionization of Brackish Water," ACS Sustainable Chem. Eng., vol. 4, no. 4, pp. 1885-1893, 2016, doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01587.

[23]       A. G. El-Deen, R. M. Boom, H. Y. Kim, H. Duan, M. B. Chan-Park, and J. H. Choi, "Flexible 3D Nanoporous Graphene for Desalination and Bio-decontamination of Brackish Water via Asymmetric Capacitive Deionization," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 8, no. 38, pp. 25313-25, 2016, doi: 10.1021/acsami.6b08658.

[24]       S. Choi, B. Chang, S. Kim, J. Lee, J. Yoon, and J. W. Choi, "Battery Electrode Materials with Omnivalent Cation Storage for Fast and Charge-Efficient Ion Removal of Asymmetric Capacitive Deionization," Advanced Functional Materials, vol. 28, no. 35, 2018, doi: 10.1002/adfm.201802665.

[25]       S. K. Sami, J. Y. Seo, S.-E. Hyeon, M. S. A. Shershah, P.-J. Yoo, and C.-H. Chung, "Enhanced capacitive deionization performance by an rGO–SnO2 nanocomposite modified carbon felt electrode," RSC Advances, vol. 8, no. 8, pp. 4182-4190, 2018, doi: 10.1039/c7ra12764b.

[26]       K. Singh, S. Porada, H. D. de Gier, P. M. Biesheuvel, and L. C. P. M. de Smet, "Timeline on the application of intercalation materials in Capacitive Deionization," Desalination, vol. 455, pp. 115-134, 2019, doi: 10.1016/j.desal.2018.12.015.

[27]       S. Yang, J. Choi, J. G. Yeo, S. I. Jeon, H. R. Park, and D. K. Kim, "Flow-Electrode Capacitive Deionization Using an Aqueous Electrolyte with a High Salt Concentration," Environ. Sci. Technol., vol. 50, no. 11, pp. 5892-9, 2016, doi: 10.1021/acs.est.5b04640.

[28]       S. Yang et al., "Stack Design and Operation for Scaling Up the Capacity of Flow-Electrode Capacitive Deionization Technology," ACS Sustainable Chem. Eng., vol. 4, no. 8, pp. 4174-4180, 2016, doi: 10.1021/acssuschemeng.6b00689.

[29]       Y. Wang et al., "High-Performance Capacitive Deionization Disinfection of Water with Graphene Oxide-graft-Quaternized Chitosan Nanohybrid Electrode Coating," ACS nano, vol. 9, no. 10, pp. 10142-57, 2015, doi: 10.1021/acsnano.5b03763.

[30]       N. Pugazhenthiran et al., "Cellulose Derived Graphenic Fibers for Capacitive Desalination of Brackish Water," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 7, no. 36, pp. 20156-63, 2015, doi: 10.1021/acsami.5b05510.

[31]       W. Tang, P. Kovalsky, B. Cao, D. He, and T. D. Waite, "Fluoride Removal from Brackish Groundwaters by Constant Current Capacitive Deionization (CDI) ," Environ. Sci. Technol., vol. 50, no. 19, pp. 10570-79, 2016, doi: 10.1021/acs.est.6b03307.