能源回收之水处理装置―电容去离子模组
2020-08-01

    

电容去离子技术近年来受到各界瞩目,对于海水淡化、重金属去除、放流水再净化、特殊废水目标物选择性去除等应用,都被看好将来有望克服就有技术遇到的瓶颈,成为新一代水处理装置。而优化这个标榜着环境友善、省能的水处理装置,除了透过研发内部使用的多孔材料、针对装置使用目的来进行材料改质或与其他材料进行结合,以达到良好水处理效果之外,也可透过装置的操作手法,例如装置充放电的电流、电压控制,电源线路连接装置的设计,或装置彼此的线路连接方式及处理液体的流通方式等,达到有效利用、回收能源的目的。本篇文章将介绍电容去离子装置能源回收的原理、操作、计算以及应用。

首先,要先把电容去离子装置想像成电路学中的电容。电容去离子模组如图一所示,当施加一外电压 V 时,两片电极分别代正负电,并吸附水中的异性电荷,达到去离子、净化水的效果,同时将储存于电极上(材料孔洞中)的电荷视为储存的能量,当进行脱附离子操作时,其释出的电荷可视为能量的释放,可用来成为另一组电容装置的驱动力,达到能源回收再利用的效果。虽然此装置的原理不完全与真实电容相同(因此装置的储存电荷来源不是外接电路,而是溶液中的离子,外接电路可以当成是促使充放电的驱动力),但其充放电的行为在整体电路中,与真实电容是一样的,也就是说,假设将五个电容值是 n 的电容去离子装置串连,可以把这五个装置看成是一个电容值是 (1/n) 的大电容装置;若将这五个并联,则可看成电容值是 (5n) 的大电容装置。

能源回收之水处理装置―电容去离子模组

图一 电容去离子模组示意图。(本篇作者陈以安绘製)

在了解此装置的原理及简单充放电操作后,在此简略介绍充放电能源回收的计算。图二为连续式操作,充电(虚线左半边)及放电(虚线右半边)时,电压、电流、导电度以及电吸附(离子吸附量)随时间的变化图。充电时透过吸附离子所储存在电容去离子装置内的能量,可透过(虚线左边)电流对时间的积分乘上电压来计算得知(为正值);相同的,放电时透过脱附离子所释放在电容去离子装置内的能量,可透过(虚线右边)电流对时间的积分乘上电压来计算得知(为负值,代表能量的释放,通常取绝对值表示之)。将放电时释放的能量除上充电时储存的能量,得到能源回收效率 (%)。效率越高,代表该装置能在越少的能量消耗之下完成等量的去离子效果。

能源回收之水处理装置―电容去离子模组

图二、电容去离子模组连续式充放电表现。(本篇作者陈以安绘製)

实际应用方面,已有学术研究使用多对模组,透过放电时外接电路串并联的设计,完成高达 70% 的能源回收,成功使用四对装置(吸负离子充电后),在脱附离子同时释放能源,成为另外四对装置的外加电源,驱动下一轮的去离子程序。如图三所示,圆圈为单对电容去离子装置(可直接视为电容), [i], [ii], [iii], [iv], [v] 为五种电路连接方式。先外接电源,将左边黑色电容充电,此时并无连接右边红色电容。待充饱后,将左边四个黑色电容视为电源(放电),连接右边四个红色电容(充电),过程依 [i], [ii], [iii], [iv], [v] 顺序变换串并联方式,逐步将红色电容充电,使之进行第二轮的离子吸附程序。

能源回收之水处理装置―电容去离子模组

图三、电容串并联组合。(本篇作者陈以安绘製)

透过实际应用电容去离子模组高度回收能源再利用,此装置在各项去离子技术中脱颖而出;而相较于过去,在学术界受到关注度较高的电极材料研发领域,模组系统操作方式对能源使用效率提升的潜力,直到近期才受到高度重视。因为电容去离子技术本身标榜着环境友善、省能操作,若未来要成为众多去离子技术实场应用的首选,必然需要投入更多研究,精进高能源回收率的技术。


参考文献

Ginno, L. A., Yoshinobu, Y. (2016). A capacitive deionization system with high energy recovery and effective re-use. Energy, 103, 605–617. doi:10.1016/j.energy.2016.03.021Park, K. K., Lee, J. B., Park, P. Y., Yoon, S. W., Moon, J. S., Eum, H. M. (2007). Development of a carbon sheet electrode for electrosorption desalination. Desalination, 206, 86–91. doi:10.1016/j.desal.2006.04.051Anderson, M. A., Cudero, A. L., Palma, J . (2010). Capacitive deionization as an electrochemical means of saving energy and delivering clean water. Comparison to present desalination practices: will it complete? Electrochimica Acta, 55, 3845–3856. doi:10.1016/j.electacta.2010.02.012


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