Fabricación y caracterización de electrodos, estructurados a base de composites de ZnO/carbón activado, para desalinización de agua mediante desionización capacitiva

Abstract

La desionización capacitiva (CDI) es una tecnología que consiste en la electrosorción de especies iónicas provenientes de un electrolito el cual se encuentra contenido entre dos electrodos muy próximos y en presencia de un campo eléctrico. Para la construcción de un módulo o dispositivo de desalinización de agua, basado en desionización capacitiva, se fabricaron dos tipos de electrodos: uno de carbón activado y otro de carbón activado con óxido de zinc, el proceso de fabricación consiste en la conformación de una película sobre una lámina de grafito. Las características más relevantes de los electrodos tales como su morfología, superficie específica, capacitancia, resistencia eléctrica laminar, porosidad, etc. son estudiadas y analizadas con el uso de diversas técnicas, logrando establecer una clara distinción en las propiedades que corresponden a cada tipo electrodo. Se añade que al medir la capacitancia específica de ambos electrodos se obtuvieron lo valores: 69,4 F/g y 309,9 F/g para los electrodos de carbón activado y carbón activado con óxido de zinc respectivamente, además el valor de la superficie específica fue de 33 m2/g para el electrodo de carbón activado frente al valor de 182 m2/g correspondiente al electrodo de carbón activado con óxido de zinc. Partiendo del estudio de los modelos de doble capa de carga, se analiza como base teórica el modelo planteado por Gouy-Chapman y Stern (GCS) para entender los fenómenos electroquímicos e interpretar los resultados. Se evaluó el proceso de desalinización del agua en función a ciertos parámetros estandarizados siendo el más relevante la capacidad de adsorción de sal (SAC) cuyo valor es de 10,2 mg/g para el módulo de desalinización que contiene electrodos de carbón activado, configurado con nueve pares de electrodos de 100 cm2 cada uno y espesor de película de 102 µm. Mientras que el SAC para el módulo que contiene electrodos de carbón activado con óxido de zinc, configurado con 05 pares de electrodos de 49 cm2 cada uno y espesor de película de 50,8 µm fue de 11,2 mg/g. El consumo energético específico (SEC) del proceso de desalinización ha sido evaluado solo para el dispositivo que agrupa los electrodos de carbón activado, el cual se efectúa a 1,2 V con una concentración inicial del electrolito de NaCl igual a 0,21 Molar y un caudal de ingreso de agua salada correspondiente a 55 ml/min. Este valor de consumo energético ha sido calculado en 217,8 Wh/m3 y corresponde específicamente al volumen de agua recuperada en el proceso de desalinización.

Capacitive deionization (CDI) is a technology that consists of the electrosorption of ionic species from an electrolyte which is contained between two closely spaced electrodes in the presence of an electric field. For the construction of a water desalination module or device, based on capacitive deionization, two types of electrodes were manufactured: one of activated carbon and the other of activated carbon with zinc oxide, the manufacturing process consists of forming a thin film on a graphite sheet. The most relevant characteristics of the electrodes such as their morphology, specific surface, capacitance, laminar electrical resistance, porosity, etc. are studied and analyzed with the use of different techniques, establishing a clear distinction in the properties corresponding to each type of electrode. It is added that when measuring the specific capacitance of both electrodes, the following values were obtained: 69.4 F/g and 309.9 F/g for the activated carbon and activated carbon electrodes with zinc oxide, respectively. In addition, the value of the specific surface area was 33 m2/g for the activated carbon electrode compared to 182 m2/g corresponding to the activated carbon electrode with zinc oxide. Starting from the study of the double charge layer models, the model proposed by Gouy-Chapman and Stern (GCS) is analyzed as a theoretical basis to understand the electrochemical phenomena and to interpret the results. The water desalination process was evaluated according to certain standardized parameters, the most relevant being the salt adsorption capacity (SAC), whose value is 10.2 mg/g for the desalination module containing activated carbon electrodes, configured with nine pairs of electrodes of 100 cm2 each and a film thickness of 102 µm. While the SAC for the module containing activated carbon electrodes with zinc oxide, configured with 05 electrode pairs of 49 cm2 each and film thickness of 50.8 µm was 11.2 mg/g. The specific energy consumption (SEC) of the desalination process has been evaluated only for the device grouping the activated carbon electrodes, which is carried out at 1.2 V with an initial concentration of NaCl electrolyte equal to 0.21 Molar and an inlet flow rate of salt water corresponding to 55 ml/min. This energy consumption value has been calculated at 217.8 Wh/m3 and corresponds specifically to the volume of water recovered in the desalination process.