Desalination experiments were carried out with two types of cell configuration; a CDI cell constructed with carbon electrodes only and a membrane capacitive deionization (MCDI) cell having a cation-exchange membrane on the cathode surface. The salt removal rate and desalination efficiencies increased linearly with increasing the cell potential. Although the same carbon electrodes were used in the desalination experiments, the MCDI cell showed higher salt removal efficiency than that of the CDI cell. The amount of salt removal for the MCDI cell was enhanced by 33.1~135% compared to the CDI cell, depending on the applied cell potential in the range of 0.8~1.2 V. In addition, the current efficiency for the MCDI cell was about 80%, whereas the efficiency was under 40% for the CDI cell. The higher salt removal efficiency in the MCDI cell was attributed to the fact that ions were selectively transported between the electric double layer and the bulk solution in the MCDI cell configuration.
Membrane capacitive deionization (MCDI) is a variation of the conventional CDI process that can improve desalination efficiency by employing an ion-exchange membrane (IEM) together with a porous carbon electrode. The IEM is a key component that greatly affects the performance of MCDI. In this study, we attempted to derive the optimal fabricating factors for IEMs that can significantly improve the desalination efficiency of MCDI. For this purpose, pore-filled IEMs (PFIEMs) were then fabricated by filling the pores of the PE porous support film with monomers and carrying out in-situ photopolymerization. As a result of the experiment, the prepared PFIEMs showed excellent electrochemical properties that can be applied to various desalination and energy conversion processes. In addition, through the correlation analysis between MCDI performance and membrane characteristic parameters, it was found that controlling the degree of crosslinking of the membranes and maximizing permselectivity within a sufficiently low level of membrane electrical resistance are the most desirable membrane fabricating condition for improving MCDI performance.
Recently, various researches have been studied, such as water treatment, water reuse, and seawater desalination using CDI (Capacitive deionization) technology. Also, applications like MCDI (Membrane capacitive deionization), FCDI (Flow-capacitive deionization), and hybrid CDI have been actively studied. This study tried to investigate various factors by an experiment on the TDS (Total dissolved solids) removal characteristics using MCDI module in aqueous solution. As a result of the TDS concentration of feed water from 500 to 2,000 mg/L, the MCDI cell broke through faster when the higher TDS concentration. In the case of TDS concentration according to the various flow rate, 100 mL/min was stable. In addition, there was no significant difference in the desorption efficiency according to the TDS concentration and method of backwash water used for desorption. As a result of using concentrated water for desorption, stable adsorption efficiency was shown. In the case of the MCDI module, the ions of the bulk solution which is escaped from the MCDI cell to the spacer during the desorption process are more important than the concentration of ions during desorption. Therefore, the MCDI process can get a larger amount of treated water than the CDI process. Also, prepare a plan that can be operated insensitive to the TDS concentration of backwash water for desorption.
A membrane capacitive deionization (MCDI) cell is constructed by applying thin layer of a cation exchange membrane (Nafion) on cathode and an anion exchange membrane (aminated polyphenylene oxide, APPO) on anode. Compared to CDI cell without CEM and AEM coating, MCDI exhibits enhanced salt removal efficiency. When Nafion and APPO are used as CEM and AEM, optimized salt removal performance as high as 82.1% is observed when 1.2 V is applied for 3 min during absorption process and -1.0 V is applied for 1 min during desorption.
In this study, polysufone (PSf) was used as a base polymer to synthesize sulfonated polysulfone (SPSf) and aminated polysulfone (APSf) as cation and anion exchange polymers, respectively. Then the ion exchange polymers were coated onto the surface of commercial carbon electrodes. To compare the capacitive deionization (CDI) and membrane capacitive deionization (MCDI) processes, the pristine carbon electrodes and ionic polymer coated electrodes were tested under various operating conditions such as feed flow rate, adsorption time at fixed desorption time, and feed concentration, etc., in terms of effluent concentration and salt removal efficiency. The MCDI was confirmed to be superior to the CDI process. The performance of MCDI was 2-3 times higher than that of CDI. In particular, the reverse desorption potential was a lot better than zero potential. Typically, the salt removal efficiency 100% for 100 mg/L NaCl was obtained for MCDI at feed flow rate of 15 ml/min and adsorption/desorption time of 3 min/1 min and applied voltages 1.0 V for adsorption and -0.3 V for desorption process, and for 500 mg/L, the salt removal efficiency 91% was observed.
We prepared heterogeneous ion exchange membranes (hetero-IEMs) for the application of membrane capacitive deionization (MCDI). Hetero-IEMs were fabricated by compressing the mixture of ion exchange resin powders and liner low density polyethylene (LLDPE). Characterization and MCDI desalination experiments were carried for the fabricated membranes. Electrical resistance of membrane decreased and water content increased with increasing the resin content in the hetero-IEMs. However, transport number indicating permselectivity of membrane was similar with that of commercial homogenesous ion exchange membrane. The results of MCDI desalination experiments showed that the adsorption amount for hetero-IEM was about 90% of that of homogeneous membrane due to the high electrical resistance of hetero-IEM. Although desalination performance of hetero-IEM decreased compared with homogeneous membrane, it was thought to be applicable to MCDI because of simple preparation and low price.
We fabricated a composite carbon electrode to remove nitrate ions selectively from a mixed solution of anions. The electrode was fabricated by coating the surface of a carbon electrode with the nitrate-selective anion exchange resin (BHP55, Bonlite Co.) powder. We performed capacitive deionization (CDI) experiments on a mixed solution containing chloride, nitrate, and sulfate ions using a BHP55 cell constructed with the fabricated electrode. The removal of nitrate ions in the BHP55 cell was compared to that of a membrane capacitive deionization (MCDI) cell constructed with ion exchange membranes. The total quantity of ions adsorbed in BHP55 cell was $38.3meq/m^2$, which is 31% greater than that of MCDI cell. In addition, the number of nitrate adsorption in the BHP55 cell was $15.9meq/m^2$ (42% of total adsorption), 2.1 times greater than the adsorption in the MCDI cell. The results showed that the fabricated composite carbon electrode is very effective in the selective removal of nitrate ions from a mixed solution of anions.
Yoon, Hongsik;Min, Taijin;Lee, Gunhee;Park, Inyong;Han, Bangwoo;Kang, Bo Sik;Ryu, Kyungha;Lee, Jiho
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.24
no.5
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pp.563-571
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2021
In this study, calcium alginate based cation exchange membrane was prepared and used to develop membrane capacitive deionization (MCDI) system for effective hardness control. As a major result, the MCDI with Ca-alginate membrane showed 27% better deionization capacity than the MCDI with a commercial cation exchange membrane. This superior improvement in the deionization capacity was expected to be due to the high ratio of transport number/electrical resistance (Sc/Rratio) of Ca-alginate membrane. In addition, the MCDI with Ca-alginate membrane showed better deionization performance than the MCDI with Ca-alginate coating. This was because the space between the electrode and the Ca-alginate membrane was utilized for ion adsorption. The preliminary results indicated that the MCDI with Ca-alginate membrane can be a viable technique for the hardness control.
A stable desalination method of the hardness substance such as $Ca^{2+}$ by controlling the total charge (TC) supplied to the membrane capacitive deionization (MCDI) cell was studied. The adsorption (1.5 V) and desorption (0.0 V) were repeated 30 times while varying the TC in the adsorption process. The concentration and pH of effluent, adsorption and desorption amounts, current densities and cell potentials were analyzed in the desalination process. The maximum allowable charge (MAC) of the carbon electrode used in MCDI cell was measured to be 46 C/g. As a result of operation at TC (40 C/g) below the MAC value, electrode reactions did not occur, resulted in the stable desalination characteristics for a long-term operation. When operating at TCs (50, 60 C/g) above the MAC value, however, the concentration and pH of effluent varied greatly. Also, the scale was formed on the electrode surface due to electrode reactions, and the electric resistance of the cell gradually increased. It was thus concluded that it is possible to remove stably the hardness substance without any electrode reactions by controlling the charge supplied to MCDI cell during the adsorption process.
Recent studies explore a wide array of desalination and water treatment methods, encompassing membrane processes such as reverse osmosis (RO), nanofiltration (NF), and electrodialysis (ED) to advanced capacitive deionization (CDI) and its membrane variant (MCDI). Comparative analyses reveal ED's cost-effectiveness in low-salinity scenarios, while hybrid systems (NF-MCDI, RO-NF-MCDI) show improved salt removal and energy efficiency. Novel ion separation methods (NF-CDI, NF-FCDI) offer enhanced efficacy and energy savings. These studies also highlight the efficiency of these methods in treating complex wastewater specific to various industries. Environmental impact assessments emphasize the need for sustainability in system selection. Additionally, the integration of microfabricated sensors into membranes allows real-time monitoring, advancing technology development. These studies underscore the variety and promise of emerging desalination and water treatment technologies. They provide valuable insights for enhancing efficiency, minimizing energy usage, tackling industry-specific issues, and innovating to surpass conventional method limitations. The future of sustainable water treatment appears bright, with continual advancements focused on improving efficiency, minimizing environmental impact, and ensuring adaptability across diverse applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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