Thermodynamic Energy Efficiency of Electrochemical Systems Performing Simultaneous Water Desalination and Electricity Generation

海水淡化 电容去离子 工艺工程 可再生能源 发电 环境科学 计算机科学 化学 工程类 电气工程 热力学 功率(物理) 物理 生物化学
作者
I. Atlas,Shada Abu Khalla,Matthew E. Suss
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:167 (13): 134517-134517 被引量:21
标识
DOI:10.1149/1945-7111/abb709
摘要

An emerging class of electrochemical systems utilize redox-active chemicals as input to simultaneously desalinate water and produce electricity within a single cell. This contrasts with traditional desalination technologies, such as reverse osmosis, electrodialysis and capacitive deionization, which consume net electricity during desalination. The underlying reason is that traditional desalination technologies perform solely a separation process, while such chemical-energy driven systems perform a combined process consisting of a spontaneous chemical reaction and a separation. Thermodynamic energy efficiency (TEE) of traditional technologies is defined as the ratio of the minimum energy to drive the separation process reversibly to the energy needed to perform the separation in practice. However, such a definition is not appropriate for systems which co-generate electricity and desalinated water. We propose that for these latter systems, TEE should be defined as the device electricity output divided by the maximum available energy. We develop a theoretical framework predicting the maximum available energy yielded by a combined redox reaction-desalination process. We utilize our framework to explore various input redox chemistries, and predict a maximum energy output of up to ∼25.74 kWh per m 3 of desalinated seawater. We further introduce and experimentally characterize a desalination fuel cell driven by a hydrogen-oxygen redox couple, and apply our model to provide a first-time quantification of its TEE.

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