用于高效电容去离子的频率分析与谐振操作
化学物理
2018-06-11 v1
摘要
电容去离子（CDI）性能指标随操作方法不同可有很大差异。我们在此围绕 CDI 开发了一种理论，并实验演示了一种使用正弦驱动电压（或正弦电流）的 CDI 新操作。我们采用动态系统建模方法，量化了 CDI 出水浓度的频率响应（幅值与相位），并证明 CDI 可建模为线性时不变系统。我们用实验验证了该模型，并表明正弦电压操作可同时实现高盐去除和强能量性能，因此很可能优于其他常规操作方法。基于 CDI 中电荷（及离子）传输与整体平流的耦合现象，我们推导并实验验证了使用正弦电压驱动函数实现 CDI 谐振型操作的概念。尽管系统复杂，我们发现谐振时间尺度的一个简单关系：谐振周期正比于流动停留时间与电学（RC）充电时间的几何平均值。谐振操作意味着去除盐的绝对量（以摩尔计）与稀释程度（取决于处理的进料体积）之间的最优平衡，从而对淡化水实现最大平均浓度降低。使用基于傅里叶分析的通用工具，我们表明方波和三角波电压驱动波形的大部分盐去除（约 95%）由基频傅里叶（正弦）模式实现。更高傅里叶模式的频率阻碍了这些模式的高流动效率，因此这些模式消耗额外能量却去除极少额外盐。高频模式的这一缺陷进一步凸显了带直流偏置的正弦驱动用于 CDI 操作的优势。
引用
@article{arxiv.1806.02859,
title = {Frequency analysis and resonant operation for efficient capacitive deionization},
author = {Ashwin Ramachandran and Steven A. Hawks and Michael Stadermann and Juan G. Santiago},
journal= {arXiv preprint arXiv:1806.02859},
year = {2018}
}