توصيفگر ها :
آب شيرين كن خازني , الكترود جاري , مطالعه تجربي , مدل سازي ديناميكي جريان , الكترود متخلخل , لايه الكتريكي مضاعف , جذب يون
چكيده فارسي :
يكي از معضلات كشورهاي خاور¬ميانه از جمله كشور ايران، كمبود آب شيرين است. تكنولوژي شيرين سازي آب يكي از موضوع هاي مورد توجه پژوهشگران بويژه در دهه اخير مي باشد. در اين ميان آب شيرين كن هاي خازني (CDI) با رشد فزاينده اي از مطالعات روبرو است. نوع پايه اين سيستم از دو الكترود متخلخل كربني كه در بالا و پايين يك كانال قرار گرفته اند، تشكيل شده است. جريان الكتروليت از بين دو الكترود عبور مي كند و با اعمال اختلاف پتانسيل روي الكترودها يون هاي موجود در الكتروليت جذب الكترودهاي غير هم نام مي شوند. در اين پژوهش به مطالعه تجربي و عددي دستگاه آب شيرين كن خازني پرداخته شده است. در بخش تجربي، آزمون هايي بر روي آخرين نسل اين دستگاه با نام آب شيرين كن هاي خازني الكترود جاري (FCDI) انجام شده است. نتايج تجربي نشان مي دهد ضخامت لايه جداكننده بر روي راندمان نمك زدايي (E) موثر و اين تاثير تابع دبي حجمي الكتروليت (FRW) است. جداكننده متخلخل با تخلخل 0/56 و 0/44 به ترتيب ماكزيمم E و ماكزيمم راندمان جريان الكتريكي را داراست. با افزايش FRW، E كاهش مي يابد. نتايج نشان مي دهد كه با افزايش ولتاژ اعمالي (Vapply)، E به طور چشمگيري افزايش مي يابد. اختلاف Vapply و ولتاژ اندازه گيري شده در مركز سل (Vcell) تابعي از غلظت نمك در محلول الكتروليت ورودي است. حداكثر ولتاژ مجاز براي FCDI، بر اساس معيار pH، V 7/1Vapply= معادل V 35/1Vcell = است. با افزايش دماي الكتروليت و الكترود، پارامترهاي ٍE، راندمان جريان الكتريكي (Ʌ) و نرخ نمك زدايي (R) افزايش مي يابند. بر خلاف E، R با افزايش FRW و FRe افزايش مي يابد. افزايش FRW باعث افزايش Ʌ مي شود. سل تك كانال FCDI مورد آزمون قرار گرفت كه مي تواند براي اعتبار سنجي نتايج شبيه سازي هاي بعدي به كار رود. در بخش عددي، دستگاه عمومي CDI مدل سازي شده است. در مرحله اول شبيه سازي، از فرض جريان پوازوي و عدم نفوذ سيال داخل الكترود متخلخل استفاده شده و نتايج با داده هاي موجود عددي و تجربي اعتبار سنجي شده است. در مرحله بعد با فرض نفوذ سيال به داخل محيط الكترود متخلخل به حل كامل معادلات ناوير استوكس حاكم بر جريان در كل هندسه پرداخته شده است. براي مدل سازي غلظت نمك از معادله نرست پلانك و به منظور محاسبه ميزان جذب يون ها به ميكرو حفره ها از رابطه دونان اصلاح شده استفاده شده است. ابتدا معادلات گسسته سازي و سپس انتگرال گيري شده اند. براي مدل سازي ديناميكي از روش حل حجم كنترل و از برنامه كامپيوتري تدوين شده به زبان فرترن استفاده شده است. توليد يك كد جامع شبيه سازي دستگاه CDI گام موثري براي شبيه سازي جريان و نمك زدايي الكتروليت در انواع دستگاه ها مي باشد كه ضمن اين پژوهش محقق شده است. نتايج نشان مي دهد كه نفوذ آب نمك به داخل الكترود سرعت جذب يون در الكترود افزايش مي يابد. نتايج عددي نشان مي دهد كه با افزايش 50 كلوين دماي الكتروليت ورودي، نمك جذب شده و راندمان بار به ترتيب به ميزان حداكثر 44 و 11 درصد افزايش مي يابند. نتايج آزمايشگاهي، نتايج عددي را در مورد تاثير افزايش دما بر روي پارامترهاي نمك زدايي تاييد مي نمايد. همچنين كوپل سل FCDI با انرژي برق خورشيدي مورد مطالعه قرار گرفت. به اين منظور پايه نگهدارنده اي با قابليت تغيير زاويه برخورد اشعه خورشيد طراحي و ساخته شد. نتايج نشان مي دهد تامين انرژي مورد نياز براي نمك زدايي در سل به وسيله انرژي خورشيدي امكان پذير است. با استفاده از دستگاه FCDI و اتصال آن با پنل خورشيدي 0/75 وات، در يك سيكل بسته، شيرين سازي 50 ميلي ليتر آب دريا در مدت 2 ساعت انجام شد.
چكيده انگليسي :
One of the problems of Middle East countries, including Iran, is the shortage of fresh water. Water desalination technology has been one of the topics of interest to researchers, especially in the last decade. Meanwhile, capacitive deionization technology (CDI) is experiencing an increasing number of studies. The general type of this system consists of two porous carbon electrodes located at the top and bottom of a channel. The electrolyte flow passes between the two electrodes and, the ions in the electrolyte are absorbed by the counterion electrodes by applying a potential difference on the electrodes. In this research, an experimental and numerical study of a capacitive desalination plant has been carried out. In the experimental part, tests have been performed on one of the latest generation of this device called flow-electrode capacitive deionization (FCDI). Experimental results show that the thickness of the separating layer is effective on the desalination efficiency (E) and this effect is a function of the volumetric flow rate of the electrolyte (FRW). The porous spacer with porosity of 0.56 and 0.44 has the maximum E and the maximum electric current efficiency, respectively. As FRW increases, E decreases. The results show that by increasing the applied voltage (Vapply), E increases significantly. The difference between Vapply and the voltage measured at the center of the cell (Vcell) is a function of the salt concentration in the inlet electrolyte solution. The maximum allowable voltage for FCDI, according to the pH criterion, is Vapply=1.7 V equivalent to Vcell= 1.35 V. As the temperature of the electrolyte and electrode increases, the parameters of E, electric current efficiency (Ʌ) and desalting ratio (R) increase. Unlike E, R increases with increasing FRW and FRe. Increasing the FRW increases the Ʌ. The FCDI single-channel cell is tested, whose results can be used to validate subsequent simulation results in future. In the numerical section, the general CDI device is modeled. In the first step of the simulation, the assumption of poiseuille flow and no fluid penetration into the porous electrode is used and the results are validated by available numerical and experimental data. In the next step, it is assumed that the Navier-Stokes equations govern the flow in the whole geometry, where fluid penetrates into the porous electrode medium and the equations are solved. To model the salt concentration, the Nernst-Planckʹs equation is used, and to calculate the number of ions adsorbed to the micropores, the modified Donnan equation is employed. First, the equations are discretized and then integrated. For dynamic modeling, the volume control method and a computer program developed in FORTRAN have been used. The development of comprehensive simulation code of a CDI device is an effective step for simulating electrolyte flow and it’s desalination in a variety of devices, which has been achieved in this study. The results show that the rate of ion absorption in the electrode increases by penetration of electrolyte into the electrode. Numerical results show that by increasing the temperature of the input electrolyte by 50 K, the adsorbed salt and the current efficiency increase by a maximum of 44% and 11%, respectively. Experimental results confirm the numerical results on the effect of temperature increase on desalination parameters. Also coupling of the FCDI cell with photovoltaic solar energy is studied. In this regards, a holding base with the ability to change the incidence angle of sunlight is designed and built. The results show that it is possible to supply the energy needs for desalination by photovoltaic solar energy. Desalination of 50 ml of seawater is performed in 2 hours using a FCDI device connecting to a 0.75 W solar panel, in a closed cycle.
