Technoeconomic Analysis of Brackish Water Capacitive Deionization: Navigating Tradeoffs between Performance, Lifetime, and Material Costs

电容去离子 海水淡化 资本成本 微咸水 环境科学 工艺工程 营业成本 计算机科学 能源消耗 工程类 废物管理 电气工程 化学 盐度 生物 生态学 生物化学
作者
Steven Hand,Jeremy S. Guest,Roland D. Cusick
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:53 (22): 13353-13363 被引量:89
标识
DOI:10.1021/acs.est.9b04347
摘要

Capacitive deionization (CDI), a class of electrochemical separation technologies, has been proposed as an energy-efficient brackish water desalination method. Previous studies have focused on improving capacity and energy consumption through material (e.g., ion-selective membranes [IEMs], charged carbon) and operational modifications, but there has been no analysis that directly links lab-scale experimental performance to capital and operating costs of full-scale water production. In this study, we developed a parameterized process model and technoeconomic analysis framework to project capital and operating costs at the million gallon per day scale based on reported material and operational characteristics for constant current CDI with and without low ($20 m –2 )- and high-cost ($100 m –2 ) IEMs. Using this framework, we conducted global sensitivity and uncertainty analyses for water price across the reported CDI design space. Our results show that the operating constraints of brackish water desalination lead to capital costs 2–14 times greater than operating costs (particularly for MCDI). While MCDI outperforms CDI, IEM prices dictate the threshold at which MCDI is more cost-effective. The high relative capital costs highlight the importance of achieving system lifetimes at 2 years or beyond. Last, we set performance and areal cost benchmarks for material-based CDI performance and lifetime improvements.

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