Zavedené elektromembránové procesy, jako je elektrodialýza a elektrodeionizace, představují významnou skupinu technologií pro desalinaci vody, selektivní separaci látek či přípravu ultra-čisté vody napříč různými sektory lidského působení. Šoková elektrodialýza (SED) je vznikající, odvozená metoda, která využívá nadlimitního proudu k indukci takzvaného deionizačního šoku a rozšíření iontově ochuzených mezních vrstev membrán do prostoru porézního média. Tím umožňuje produkci čisté, deionizované vody v jednom desalinačním kroku a překonává některé limity stávajících elektrochemických procesů, jako je koncentrační polarizace a limitní proudová hustota.
Doposud byly funkce šokové elektrodialýzy demonstrovány pouze na malých laboratorních zařízeních s kapacitou v řádech setin, maximálně desetin mililitru vyprodukovaného odsoleného roztoku za minutu. Tato diplomová práce se věnuje testování a charakterizaci přepracované a ve všech ohledech zvětšené šokově-elektrodialyzní jednotky s o jeden až dva řády větší kapacitou a designem umožňujícím zapojení několika desalinačních komor současně, která byla vyvinuta ve spolupráci s firmami MemBrain s.r.o a MEGA a.s. Experimentální výsledky ukazují schopnost odstranit více než 99 % solí v závislosti na vloženém napětí v potenciostatickém režimu a bezrozměrném parametru, který škáluje průchozí proud proudem limitním, v režimu galvanostatickém. Výkon zařízení je rovněž funkcí velikosti pórů a povrchového náboje porézního média stejně jako jeho tvaru a velikosti. Práce též hodnotí a diskutuje výsledky zcela prvních experimentů provedených na dvoukomorovém uspořádání SED. Ačkoliv naměřená data ukazují zvýšenou spotřebu elektrické energie a destabilizaci výkonu dvoukomorového zařízení, konstrukční změny rozdělovače, optimální výběr porézního média a dalších funkčních prvků, mohou významně zlepšit efektivitu procesu i funkčnost celého zařízení.
Annotation in English
Incumbent electromembrane processes including electrodialysis and electrodeionization present important technologies for desalination, selective separation and ultra-pure, industrial water production. Shock electrodialysis (SED) is a rising technology, that utilizes over-limiting current to induce a deionization shock and expand the ion-depleted zones from the membranes into a porous medium. With that, SED is capable of production of fresh, deionized water in single-step desalination process and therefore overcomes some of the limits associated with the common technologies, such as concentration polarization and limiting current.
Up until now, SED functionalities have been demonstrated only on small scale laboratory units with very low capacities. This thesis focuses on characterization of redesigned, in all dimensions larger shock electrodialysis unit with one to two order of magnitude larger water production capacity and multi-stack ready design, that was developed in cooperation with Czech companies Membrain s.r.o. and MEGA a.s. Results discover the ability to remove more than 99 % of present ions, depending on applied voltage in potentiostatic mode and dimensionless parameter, that scales the applied current by the limiting current, in galvanostatic mode. The performance of the device is also a function of the pore size and surface charge of the porous medium as well as its size and shape. In this work, also early results achieved on two-stack arrangement of the SED unit are reported. Although the presented data show increment in energy consumption and destabilization of the process, design changes to the separator, optimization of the porous material and other functional components may significantly improve the effectivity of the process and performance of the device itself.
Zavedené elektromembránové procesy, jako je elektrodialýza a elektrodeionizace, představují významnou skupinu technologií pro desalinaci vody, selektivní separaci látek či přípravu ultra-čisté vody napříč různými sektory lidského působení. Šoková elektrodialýza (SED) je vznikající, odvozená metoda, která využívá nadlimitního proudu k indukci takzvaného deionizačního šoku a rozšíření iontově ochuzených mezních vrstev membrán do prostoru porézního média. Tím umožňuje produkci čisté, deionizované vody v jednom desalinačním kroku a překonává některé limity stávajících elektrochemických procesů, jako je koncentrační polarizace a limitní proudová hustota.
Doposud byly funkce šokové elektrodialýzy demonstrovány pouze na malých laboratorních zařízeních s kapacitou v řádech setin, maximálně desetin mililitru vyprodukovaného odsoleného roztoku za minutu. Tato diplomová práce se věnuje testování a charakterizaci přepracované a ve všech ohledech zvětšené šokově-elektrodialyzní jednotky s o jeden až dva řády větší kapacitou a designem umožňujícím zapojení několika desalinačních komor současně, která byla vyvinuta ve spolupráci s firmami MemBrain s.r.o a MEGA a.s. Experimentální výsledky ukazují schopnost odstranit více než 99 % solí v závislosti na vloženém napětí v potenciostatickém režimu a bezrozměrném parametru, který škáluje průchozí proud proudem limitním, v režimu galvanostatickém. Výkon zařízení je rovněž funkcí velikosti pórů a povrchového náboje porézního média stejně jako jeho tvaru a velikosti. Práce též hodnotí a diskutuje výsledky zcela prvních experimentů provedených na dvoukomorovém uspořádání SED. Ačkoliv naměřená data ukazují zvýšenou spotřebu elektrické energie a destabilizaci výkonu dvoukomorového zařízení, konstrukční změny rozdělovače, optimální výběr porézního média a dalších funkčních prvků, mohou významně zlepšit efektivitu procesu i funkčnost celého zařízení.
Annotation in English
Incumbent electromembrane processes including electrodialysis and electrodeionization present important technologies for desalination, selective separation and ultra-pure, industrial water production. Shock electrodialysis (SED) is a rising technology, that utilizes over-limiting current to induce a deionization shock and expand the ion-depleted zones from the membranes into a porous medium. With that, SED is capable of production of fresh, deionized water in single-step desalination process and therefore overcomes some of the limits associated with the common technologies, such as concentration polarization and limiting current.
Up until now, SED functionalities have been demonstrated only on small scale laboratory units with very low capacities. This thesis focuses on characterization of redesigned, in all dimensions larger shock electrodialysis unit with one to two order of magnitude larger water production capacity and multi-stack ready design, that was developed in cooperation with Czech companies Membrain s.r.o. and MEGA a.s. Results discover the ability to remove more than 99 % of present ions, depending on applied voltage in potentiostatic mode and dimensionless parameter, that scales the applied current by the limiting current, in galvanostatic mode. The performance of the device is also a function of the pore size and surface charge of the porous medium as well as its size and shape. In this work, also early results achieved on two-stack arrangement of the SED unit are reported. Although the presented data show increment in energy consumption and destabilization of the process, design changes to the separator, optimization of the porous material and other functional components may significantly improve the effectivity of the process and performance of the device itself.
Provoz jednotky šokové elektrodialýzy IV. generace v potenciostatickém i galvanostatickém režimu, s vhodně zvoleným porézním médiem (na výběr maximálně 2 porézní média), a to v závislosti na tzv. bezrozměrném proudu. Cílem práce je experimentálně ověřit a matematicky popsat závislost odsolování na bezrozměrném proudu, tedy proudu nezávislém na náboji vstupujícíh iontů, jejich průtoku a koncentraci. Ověření bude probíhat na jedné komoře (2 membrány, 2 elektrody, 1 porézní médium) a bude rozšířeno dále na nejméně 2 komory (3 membrány, 2 porézní média), ideálně na 3 (4 membrány, 3 porézní média).
Research Plan
Provoz jednotky šokové elektrodialýzy IV. generace v potenciostatickém i galvanostatickém režimu, s vhodně zvoleným porézním médiem (na výběr maximálně 2 porézní média), a to v závislosti na tzv. bezrozměrném proudu. Cílem práce je experimentálně ověřit a matematicky popsat závislost odsolování na bezrozměrném proudu, tedy proudu nezávislém na náboji vstupujícíh iontů, jejich průtoku a koncentraci. Ověření bude probíhat na jedné komoře (2 membrány, 2 elektrody, 1 porézní médium) a bude rozšířeno dále na nejméně 2 komory (3 membrány, 2 porézní média), ideálně na 3 (4 membrány, 3 porézní média).
Recommended resources
[1] DENG, Daosheng, E. Victoria DYDEK, Ji-Hyung HAN, Sven SCHLUMPBERGER, Ali MANI, Boris ZALTZMAN a Martin Z. BAZANT, 2013. Overlimiting Current and Shock Electrodialysis in Porous Media. Langmuir. 29(52), 16167?16177. ISSN 0743-7463. Dostupné z: doi:10.1021/la4040547.
[2] BAZANT, Martin Z., Ethelmae Victoria DYDEK, Daosheng DENG a Ali MANI, 2011. Method and Apparatus for Desalination and Purification. 20110308953. 22.
[3] NIKONENKO, Victor V., Anna V. KOVALENKO, Mahamet K. URTENOV, Natalia D. PISMENSKAYA, Jongyoon HAN, Philippe SISTAT a Gérald POURCELLY, 2014. Desalination at overlimiting currents: State-of-the-art and perspectives. Desalination. 342, Special Issue: Electromembrane Processes for Desalination, 85?106. ISSN 0011-9164. doi:10.1016/j.desal.2014.01.008.
[4] NAM, Sungmin, Inhee CHO, Joonseong HEO, Geunbae LIM, Martin Z. BAZANT, Dustin Jaesuk MOON, Gun Yong SUNG a Sung Jae KIM, 2015. Experimental Verification of Overlimiting Current by Surface Conduction and Electro-Osmotic Flow in Microchannels. Physical Review Letters. 114(11), 114501. ISSN 0031-9007. doi:10.1103/PhysRevLett.114.114501.
[5] MISHCHUK, N. A. a P. V. TAKHISTOV, 1995. Electroosmosis of the second kind. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 95(2), 119?131. ISSN 0927-7757. doi:10.1016/0927-7757(94)02988-5.
[6] ZABOLOTSKY, Victor I., Victor V. NIKONENKO a Natalia D. PISMENSKAYA. 1996. On the role of gravitational convection in the transfer enhancement of salt ions in the course of dilute solution electrodialysis. Journal of Membrane Science. 119, 171?181. ISSN 0376-7388. doi: 10.1016/0376-7388(96)00121-4.
[7] ČÍŽEK, Jan, 2018. Optimalizace porézního materiálu v modulu šokové elektrodialýzy. Liberec. Bakalářská práce. Technická univerzita v Liberci. Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií.
[8] KOSINA, Jakub, 2018. Separace diluátu a koncentrátu v modulu šokové elektrodialýzy. Liberec. Bakalářská práce. Technická Univerzita v Liberci. Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií.
Recommended resources
[1] DENG, Daosheng, E. Victoria DYDEK, Ji-Hyung HAN, Sven SCHLUMPBERGER, Ali MANI, Boris ZALTZMAN a Martin Z. BAZANT, 2013. Overlimiting Current and Shock Electrodialysis in Porous Media. Langmuir. 29(52), 16167?16177. ISSN 0743-7463. Dostupné z: doi:10.1021/la4040547.
[2] BAZANT, Martin Z., Ethelmae Victoria DYDEK, Daosheng DENG a Ali MANI, 2011. Method and Apparatus for Desalination and Purification. 20110308953. 22.
[3] NIKONENKO, Victor V., Anna V. KOVALENKO, Mahamet K. URTENOV, Natalia D. PISMENSKAYA, Jongyoon HAN, Philippe SISTAT a Gérald POURCELLY, 2014. Desalination at overlimiting currents: State-of-the-art and perspectives. Desalination. 342, Special Issue: Electromembrane Processes for Desalination, 85?106. ISSN 0011-9164. doi:10.1016/j.desal.2014.01.008.
[4] NAM, Sungmin, Inhee CHO, Joonseong HEO, Geunbae LIM, Martin Z. BAZANT, Dustin Jaesuk MOON, Gun Yong SUNG a Sung Jae KIM, 2015. Experimental Verification of Overlimiting Current by Surface Conduction and Electro-Osmotic Flow in Microchannels. Physical Review Letters. 114(11), 114501. ISSN 0031-9007. doi:10.1103/PhysRevLett.114.114501.
[5] MISHCHUK, N. A. a P. V. TAKHISTOV, 1995. Electroosmosis of the second kind. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 95(2), 119?131. ISSN 0927-7757. doi:10.1016/0927-7757(94)02988-5.
[6] ZABOLOTSKY, Victor I., Victor V. NIKONENKO a Natalia D. PISMENSKAYA. 1996. On the role of gravitational convection in the transfer enhancement of salt ions in the course of dilute solution electrodialysis. Journal of Membrane Science. 119, 171?181. ISSN 0376-7388. doi: 10.1016/0376-7388(96)00121-4.
[7] ČÍŽEK, Jan, 2018. Optimalizace porézního materiálu v modulu šokové elektrodialýzy. Liberec. Bakalářská práce. Technická univerzita v Liberci. Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií.
[8] KOSINA, Jakub, 2018. Separace diluátu a koncentrátu v modulu šokové elektrodialýzy. Liberec. Bakalářská práce. Technická Univerzita v Liberci. Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií.
Enclosed appendices
Žádné
Appendices bound in thesis
-
Taken from the library
Yes
Full text of the thesis
Appendices
Reviewer's report
Supervisor's report
Defence procedure record
Defence procedure records are not shown to unauthorized users.