Thermodynamics of Ion Separation by Electrosorption
Auteurs : Ali Hemmatifar, Ashwin Ramachandran, Kang Liu, Diego I. Oyarzun, Martin Z. Bazant, Juan G. Santiago
Résumé : We present a simple, top-down approach for the calculation of minimum energy consumption of electrosorptive ion separation using variational form of the (Gibbs) free energy. We focus and expand on the case of electrostatic capacitive deionization (CDI), and the theoretical framework is independent of details of the double-layer charge distribution and is applicable to any thermodynamically consistent model, such as the Gouy-Chapman-Stern (GCS) and modified Donnan (mD) models. We demonstrate that, under certain assumptions, the minimum required electric work energy is indeed equivalent to the free energy of separation. Using the theory, we define the thermodynamic efficiency of CDI. We explore the thermodynamic efficiency of current experimental CDI systems and show that these are currently very low, less than 1% for most existing systems. We applied this knowledge and constructed and operated a CDI cell to show that judicious selection of the materials, geometry, and process parameters can be used to achieve a 9% thermodynamic efficiency (4.6 kT energy per removed ion). This relatively high value is, to our knowledge, by far the highest thermodynamic efficiency ever demonstrated for CDI. We hypothesize that efficiency can be further improved by further reduction of CDI cell series resistances and optimization of operational parameters.
Explorez l'arbre d'article
Cliquez sur les nœuds de l'arborescence pour être redirigé vers un article donné et accéder à leurs résumés et assistant virtuel
Recherchez des articles similaires (en version bêta)
En cliquant sur le bouton ci-dessus, notre algorithme analysera tous les articles de notre base de données pour trouver le plus proche en fonction du contenu des articles complets et pas seulement des métadonnées. Veuillez noter que cela ne fonctionne que pour les articles pour lesquels nous avons généré des résumés et que vous pouvez le réexécuter de temps en temps pour obtenir un résultat plus précis pendant que notre base de données s'agrandit.