La desionización capacitiva ( CDI ) es una tecnología para desionizar el agua mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico sobre dos electrodos, que a menudo están hechos de carbono poroso. [2] En otras palabras, la CDI es un método de electrosorción que utiliza una combinación de un medio de sorción y un campo eléctrico para separar iones y partículas cargadas. [3] Los aniones, iones con carga negativa, se eliminan del agua y se almacenan en el electrodo polarizado positivamente. Del mismo modo, los cationes (carga positiva) se almacenan en el cátodo, que es el electrodo polarizado negativamente.
En la actualidad, la CDI se utiliza principalmente para la desalinización de agua salobre , que es agua con una concentración de sal baja o moderada (por debajo de 10 g/L). [4] [5] [6] [7] Otras tecnologías para la desionización del agua son, entre otras, la destilación , la ósmosis inversa y la electrodiálisis . En comparación con la ósmosis inversa y la destilación, la CDI se considera una tecnología energéticamente eficiente para la desalinización de agua salobre. [7] Esto se debe principalmente a que la CDI elimina los iones de sal del agua, mientras que las otras tecnologías extraen el agua de la solución salina. [6] [8]
Históricamente, la CDI se ha denominado desmineralización electroquímica, "proceso de electrosorción para la desalinización del agua" o electrosorción de iones de sal. También se la conoce con los nombres de desalinización capacitiva o, en la literatura comercial, "CapDI".
En 1960, Blair y Murphy informaron sobre el concepto de desmineralización electroquímica del agua. [9] En ese estudio, se supuso que los iones se eliminaban mediante reacciones electroquímicas con grupos químicos específicos en las partículas de carbono de los electrodos. En 1968, Reid demostró la relevancia comercial y el funcionamiento a largo plazo de la CDI. [10] En 1971, Johnson y Newman introdujeron la teoría del transporte de iones en electrodos de carbono porosos para la CDI y el almacenamiento de iones de acuerdo con un mecanismo de condensador. [11] A partir de 1990, la CDI atrajo más atención debido al desarrollo de nuevos materiales para electrodos, como aerogeles de carbono y electrodos de nanotubos de carbono. [12] En 1996, Farmer et al. también introdujeron el término desionización capacitiva y utilizaron por primera vez la abreviatura ahora común “CDI”. [2] En 2004, la desionización capacitiva de membrana se introdujo en una patente de Andelman. [13]
El funcionamiento de un sistema CDI convencional se desarrolla en dos fases: una fase de adsorción en la que se desaliniza el agua y una fase de desorción en la que se regeneran los electrodos. Durante la fase de adsorción, se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos y se adsorben iones del agua. En el caso de CDI con electrodos de carbón poroso, los iones se transportan a través de los poros entre partículas del electrodo de carbón poroso hasta los poros intrapartículas, donde se electrosorben en las denominadas capas dobles eléctricas (EDL). Una vez que los electrodos están saturados de iones, los iones adsorbidos se liberan para la regeneración de los electrodos. La diferencia de potencial entre electrodos se invierte o se reduce a cero. De esta manera, los iones salen de los poros de los electrodos y pueden ser expulsados de la celda CDI, lo que da como resultado una corriente de efluente con una alta concentración de sal, la denominada corriente de salmuera o concentrado. Parte del aporte de energía necesario durante la fase de adsorción se puede recuperar durante este paso de desorción.
Cualquier cantidad de carga debe ser siempre compensada por la misma cantidad de contracarga. Por ejemplo, en una solución acuosa la concentración de aniones es igual a la concentración de cationes. Sin embargo, en las EDL formadas en los poros intrapartículas en un electrodo a base de carbono, es posible un exceso de un tipo de ion sobre el otro, pero debe ser compensado por la carga eléctrica en la matriz de carbono. En una primera aproximación, esta EDL puede describirse utilizando el modelo de Gouy-Chapman-Stern, que distingue tres capas diferentes: [14] [15] [16]
A medida que la matriz de carbono se carga, la carga debe compensarse con la carga iónica en la capa difusa. Esto puede hacerse mediante la adsorción de contraiones o la desorción de coiones (iones con un signo de carga igual al de la matriz de carbono).
Además de la adsorción de especies iónicas debido a la formación de EDL en los poros intrapartículas, los iones también pueden formar un enlace químico con el área superficial de las partículas de carbono. Esto se denomina adsorción específica, mientras que la adsorción de iones en los EDL se conoce como adsorción no específica. [17]
La CDI tiene un bajo costo de inversión e infraestructura, ya que el proceso mencionado anteriormente no requiere altas presiones o temperaturas, a diferencia de los procesos de membrana o térmicos.
En la desalinización por ósmosis inversa, el costo de la energía por volumen de agua tratada varía aproximadamente en función de la cantidad de sal eliminada, mientras que en otras tecnologías, como la ósmosis inversa, la energía de desalinización varía aproximadamente en función del volumen de agua tratada. Esto hace que la desalinización por ósmosis inversa sea una solución viable para la desalinización de corrientes con bajo contenido de sal o, más específicamente, de agua salobre.
Al insertar dos membranas de intercambio iónico, se obtiene una forma modificada de CDI, denominada desionización capacitiva de membrana. [13] Esta modificación mejora la celda CDI de varias maneras:
Una celda CDI puede funcionar en modo de voltaje constante o en modo de corriente constante.
Durante la fase de adsorción de CDI utilizando una operación de voltaje constante, la concentración de sal del efluente de sal disminuye, pero después de un tiempo, la concentración de sal del efluente aumenta nuevamente. Esto se puede explicar por el hecho de que los EDL (en el caso de un sistema CDI basado en carbono) no están cargados al comienzo de un paso de adsorción, lo que da como resultado una alta diferencia de potencial (fuerza impulsora eléctrica sobre los iones) entre los dos electrodos. Cuando se adsorben más iones en los EDL, el potencial de EDL aumenta y la diferencia de potencial restante entre los electrodos, que impulsa el transporte de iones, disminuye. Debido a la disminución de la tasa de eliminación de iones, la concentración del efluente aumenta nuevamente. [22] [23]
Dado que la carga iónica transportada a los electrodos es igual a la corriente eléctrica aplicada, la aplicación de una corriente constante permite un mejor control de la concentración de sal del efluente en comparación con el modo de operación de voltaje constante. Sin embargo, para una concentración de sal del efluente estable, se deben incorporar membranas en el diseño de la celda (MCDI), ya que la corriente eléctrica no solo induce la adsorción de contraiones, sino también el agotamiento de coiones (consulte Desionización capacitiva de membrana frente a desionización capacitiva para obtener una explicación). [22]
Los electrodos se colocan en una pila con un área delgada de separación entre ellos, a través de la cual fluye el agua. Este es, con diferencia, el modo de funcionamiento más utilizado y los electrodos se preparan de forma similar a la de los condensadores eléctricos de doble capa con una carga de masa de carbono elevada.
En este modo, el agua de alimentación fluye directamente a través de los electrodos, es decir, el agua fluye directamente a través de los poros entre partículas de los electrodos de carbono porosos. Este enfoque tiene la ventaja de que los iones migran directamente a través de estos poros, mitigando así las limitaciones de transporte encontradas en el modo de flujo continuo. [24]
Este diseño geométrico es comparable al modo de flujo con la inclusión de membranas delante de ambos electrodos, pero en lugar de tener electrodos sólidos, una suspensión de carbono (slurry) fluye entre las membranas y el colector de corriente. Se aplica una diferencia de potencial entre ambos canales de lodos de carbono que fluyen, los llamados electrodos de flujo, y se desaliniza el agua. Dado que los lodos de carbono fluyen, los electrodos no se saturan y, por lo tanto, este diseño de celda se puede utilizar también para la desalinización de agua con altas concentraciones de sal (por ejemplo, agua de mar, con concentraciones de sal de aproximadamente 30 g/L). No es necesario un paso de descarga; los lodos de carbono, después de salir de la celda, se mezclan y el lodo de carbono se puede separar de una corriente de agua salada concentrada. [25] [26] [27] [28]
La corriente de agua dulce se puede hacer fluir continuamente en una configuración CDI modificada donde los pares de electrodos de ánodo y cátodo no están fijos en el espacio, sino que se mueven cíclicamente desde una corriente, en la que se aplica el voltaje de la celda y se adsorbe la sal, a otra corriente, donde se reduce el voltaje de la celda y se libera la sal. [29]
Para un alto rendimiento de la celda CDI, los materiales de electrodos de alta calidad son de suma importancia. En la mayoría de los casos, el carbono es la opción como material de electrodo poroso. Con respecto a la estructura del material de carbono, existen varias consideraciones. Como es importante una alta capacidad de electrosorción de sal, el área de superficie específica y la distribución del tamaño de poro del carbono accesible para los iones deben ser grandes. Además, el material utilizado debe ser estable y no debe ocurrir degradación química del electrodo (degradación) en la ventana de voltaje aplicada para CDI. Los iones deben poder moverse rápidamente a través de la red de poros del carbono y la conductividad del carbono debe ser alta. Por último, es importante tener en cuenta los costos de los materiales de los electrodos. [30]
En la actualidad, el carbón activado (CA) es el material más utilizado, ya que es la opción más rentable y tiene una gran área de superficie específica. Puede fabricarse a partir de fuentes naturales o sintéticas. Otros materiales de carbono utilizados en la investigación de CDI son, por ejemplo, el carbón mesoporoso ordenado, los aerogeles de carbono, los carbones derivados de carburo , los nanotubos de carbono , el grafeno y el negro de carbono . [6] Un trabajo reciente sostiene que los microporos, especialmente los poros <1,1 nm, son los más eficaces para la adsorción de sal en CDI. [31] Para mitigar los inconvenientes asociados con la transferencia de masa y la superposición de doble capa eléctrica, y aprovechar simultáneamente los beneficios de una mayor área de superficie y campos eléctricos más altos que vienen con la estructura microporosa, se han realizado esfuerzos innovadores en curso para intentar integrar las ventajas de los microporos y mesoporos mediante la fabricación de carbones porosos jerárquicos (HPC) que poseen múltiples niveles de porosidad. [32]
Sin embargo, el carbón activado, que cuesta sólo 4 dólares por kilo en el caso del carbón comercial y 15 dólares por kilo en el caso del carbón para supercondensadores especialmente seleccionado y altamente purificado, sigue siendo mucho más barato que las alternativas, que cuestan 50 dólares por kilo o más. Los electrodos de carbón activado de mayor tamaño son mucho más baratos que los electrodos de carbón exóticos relativamente pequeños y pueden eliminar la misma cantidad de sal para una corriente dada. El aumento del rendimiento de los nuevos carbones no es suficiente para motivar su uso en este momento, especialmente porque prácticamente todas las aplicaciones de CDI que se están considerando seriamente a corto plazo son aplicaciones estacionarias, donde el tamaño de la unidad es una consideración relativamente menor. [5]
Hoy en día, los materiales de electrodos basados en la química redox se estudian cada vez más, como el óxido de sodio y manganeso (NMO) y los análogos del azul de Prusia (PBA).
Dado que el contenido iónico del agua se desmezcla durante un ciclo de adsorción de CDI, la entropía del sistema disminuye y se requiere un aporte de energía externa. El aporte de energía teórica de CDI se puede calcular de la siguiente manera:
donde R es la constante del gas (8,314 J mol −1 K −1 ), T la temperatura (K), Φ v,fresh , el caudal de la salida de agua dulce (m 3 /s), C feed la concentración de iones en el agua de alimentación (mol/m 3 ) y C fresh la concentración de iones en la salida de agua dulce (mol/m 3 ) de la celda CDI. α se define como C feed /C fresh y β como C feed /C conc , con C conc la concentración de iones en la salida concentrada.
En la práctica, los requerimientos de energía serán significativamente mayores (20 veces o más) que el aporte de energía teórico. [33] Los requerimientos de energía importantes, que no están incluidos en los requerimientos de energía teóricos, son el bombeo y las pérdidas en la celda CDI debido a resistencias internas. Si se comparan MCDI y CDI para la energía requerida por ion eliminado, MCDI tiene un requerimiento de energía menor que CDI. [22]
Al comparar la CDI con la ósmosis inversa de agua con concentraciones de sal inferiores a 20 mM, la investigación a escala de laboratorio muestra que el consumo de energía en kWh por m3 de agua dulce producida puede ser menor para la MCDI que para la ósmosis inversa. [6] [34]
En 2007, se construyó en China una planta CDI a gran escala de 10.000 toneladas por día para mejorar la calidad del agua recuperada por ESTPURE. [35] Este proyecto permite la reducción de sólidos disueltos totales de 1.000 mg/L a 250 mg/L y la turbidez de 10 NTU a 1 NTU, una unidad que indica la turbidez de un fluido. La recuperación de agua puede alcanzar el 75%. El nivel de consumo de energía eléctrica es de 1 kWh/m 3 , y el costo del tratamiento del agua es de 0,22 dólares estadounidenses/m 3 . Algunos otros proyectos a gran escala se pueden ver en la siguiente tabla.
![{\displaystyle \Delta G=R*T*\Phi _{v,fresco}*(C_{alimentación}-C_{fresco})\left[{\frac {ln\alpha }{1-\alpha }}-{\frac {ln\beta }{1-\alpha }}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/40cb0a06f121f889fcc541a7858641f5ba26dab8)