Design principles for enhanced up-scaling of flow-through capacitive deionization for water desalination

电容去离子 海水淡化 压力降 模块化设计 工艺工程 缩放比例 计算机科学 电容感应 材料科学 环境科学 电气工程 工程类 机械 化学 膜 生物化学 操作系统 物理 数学 几何学
作者
Johan Nordstrand,Joydeep Dutta
出处
期刊:Desalination [Elsevier BV]
卷期号:500: 114842-114842 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.desal.2020.114842
摘要

To develop efficient and cost-effective desalination technologies is crucial for addressing the globally increasing needs for drinking water. One such desalination technology that is growing is capacitive deionization (CDI), wherein ions are electrically removed from water passing through or between two porous conducting electrodes. As the CDI field grows, design principles for scaling from small CDI cells to larger units and modules will become increasingly important. Thus, we have investigated the flow distribution in single flow-through CDI cells and interconnected modules to determine architectural principles that can feasibly reduce the pressure drop with good throughput, thus increasing energy efficiency. The most important principles found include massive parallelism, open regions to symmetrically distribute flow, and tailoring the permeability of the electrodes and spacers. Crucially, we demonstrate how simply rerouting the flow reduces the pressure drop through the cell by a factor of four in a two-cell system. Finally, we leverage the found principles to a cylindrical CDI cell well-adapted to modular up-scaling. In conclusion, implementing the design principles leads to a significant reduction in pressure drop and energy consumption of a CDI system, which is essential for upscaling to larger modular systems for practical use.

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