كاربست باتري نمك‌زدايي فلز-هوا(الكترودياليز خوداتكاء) در فرايند نمكزدايي: مطالعه تجربي و مدل‌سازي رياضي

با توجه به محدوديت منابع آب شيرين و افزايش تقاضاي جهاني، توسعه فناوري‌هاي الكتروشيميايي پايدار براي نمك‌زدايي آب اهميت فزاينده‌اي يافته است. سلول نمك‌زدايي مبتني بر باتري آلومينيوم-هوا امكان حذف يوني مؤثر از آب شور همراه با بازيابي انرژي را فراهم مي‌كند. در اين پژوهش، نمونه روميزي آزمايشگاهي سلول باتري نمك‌زدايي شامل آند آلومينيومي، كاتد هوا كربني و سه محفظه الكتروليت جداشده با غشاهاي تبادل يوني كاتيوني و آنيوني ساخته شد و مورد بررسي قرار گرفته است. محلول 10 ميلي مولار NaOH به عنوان كاتوليت و آنوليت و محلول NaCl و Na2SO4 با غلظتهاي 100 و 200 ميلي مولار به عنوان خوراك مورد استفاده قرار گرفته است. در اين مطالعه، ابتدا تحليل فاكتوريل چندمتغيره براي شناسايي اثر مستقل و متقابل عوامل عملياتي شامل شدت جريان الكتريكي، دبي جريان خوراك، زمان عمليات، غلظت نمك و نوع نمك انجام شد. نتايج نشان داد كه زمان با افزايش قابل ملاحظه ٪80 و شدت جريان الكتريكي با سهم واريانس حدود 24٪ به عنوان عوامل مستقل بر عملكرد حذف نمك بيشتر از اثر عوامل ديگر تاثير مثبت دارد. در حاليكه اثر غلظت اوليه و نوع نمك منفي است و با افزايش سطح آنها، عملكرد نمك‌زدايي به ترتيب ٪13 و ٪21 كاهش مي‌يابد. اثر متقابل زمان و جريان الكتريكي، به‌طور مستقيم باعث رشد عملكرد نمك‌زدايي مي‌شود، چرا كه عملكرد نمك‌زدايي به‌طور مستقيم با حاصل‌ضرب جريان و زمان، يا همان بار الكتريكي عبوري (Q)، مرتبط است. تحليل واريانس نشان داد كه براي انرژي توليدي سلول، متغيرهاي زمان، غلظت اوليه، جريان الكتريكي و نوع نمك به‌عنوان عوامل اصلي معني‌دار شناسايي شده‌اند (05/0‎>p). در ميان آن‌ها، شدت جريان الكتريكي بزرگ‌ترين ضريب مثبت (12/53) و بيشترين سهم (حدود ٪59) را در تغييرات انرژي توليدي سلول دارد و پس از آن زمان (حدود ٪47) قرار مي‌گيرد. اين امر نشان مي‌دهد كه تغيير شدت جريان الكتريكي و زمان عمليات دو عامل كليدي در تعيين انرژي خالص توليدشده توسط باتري نمك‌زدايي آلومينيوم-هوا هستند. علاوه بر آن، برهم‌كنش‌هاي عوامل نيز اثرات معني‌داري بر پاسخ نشان دادند. اين تحليل امكان اولويت‌بندي عوامل كليدي و طراحي شرايط عملياتي بهينه را فراهم كرد. به منظور مطالعه رفتار، يك مدل دوبعدي با رابط‌هاي نرنست-پلانك و توزيع جريان نوع سوم با استفاده از نرم‌افزارCOMSOL Multiphysics توسعه يافت تا توزيع پتانسيل، غلظت يوني و جريان‌هاي يوني در سلول شبيه‌سازي شوند. اين مدل رفتار حالت گذرا، تغييرات غلظت نمك در تانك خوراك را با زمان و رفتار ديناميكي سلول را با خطاي كمتر از ٪10 پيش‌بيني كرد. اين مدل امكان تحليل دقيق تعاملات انتقال جرم و بار را فراهم كرده و به شناسايي عوامل محدودكننده عملكرد سلول و نقاط بحراني قطبش غلظتي كمك كرد. نتايج شبيه‌سازي تأييد كرد كه افزايش چگالي شدت جريان الكتريكي باعث افزايش نرخ حذف نمك مي‌شود، اما افت محسوس غلظت در مجاورت سطح غشا تشديد شده و كاهش تند غلظت منجر به آغاز ناحيه قطبش غلظتي در نزديكي غشا شده است. از اينرو تنظيم نسبت I_app⁄C_0 براي جلوگيري از افت كامل غلظت نزديك غشا از اهميت ويژه برخوردار است.

Electrochemical desalination, metal–air desalination cell, multivariable factorial analysis, Nernst–Planck, tertiary current distribution, concentration polarization

Application of Metal-Air Desalination Battery (Self-Powered Electrodialysis) in Desalination Process: Experimental Study an‎d Mathematical Modeling

مهندسي شيمي

Given limited freshwater resources an‎d increasing global deman‎d, the development of sustainable electrochemical desalination technologies has become increasingly important. The metal–air desalination cell is an innovative system based on a three-compartment aluminum–air battery that enables efficient ion removal from saline water while allowing energy recovery. In this study, a laboratory-scale three-compartment cell was developed, consisting of an aluminum anode, a carbon air cathode, an‎d three electrolyte compartments separated by cation- an‎d anion-exchange membranes. NaOH was used as both anolyte an‎d catholyte, while NaCl an‎d Na₂SO₄ solutions at various concentrations served as the feed. In this study, multivariable factorial analysis was conducted to eva‎luate the independent an‎d interactive effects of operating parameters, including electric current, feed flow rate, operating time, salt concentration, an‎d salt type. The results indicated that operating time an‎d electric current had the strongest positive influence on salt removal, while higher initial salt concentration an‎d salt type had a negative effect, reducing desalination performance. Moreover, the interaction between time an‎d electric current enhanced desalination efficiency, as performance is directly related to the passed electric charge (Q), defined as the product of current an‎d time. Analysis of variance showed that for the energy produced by the cell, the variables of time, initial concentration, electric current, an‎d salt type were identified as significant main factors (p<‎0.05). Among them, electric current has the largest positive coefficient (53.12) an‎d the greatest share in the variations of the energy produced by the cell, followed by time. This indicates that changing the electric current intensity an‎d operating time are two key factors in determining the net energy produced by the aluminum–air desalination battery. In addition, interactions among the factors also showed significant effects on the response. This analysis made it possible to prioritize key factors an‎d design optimal operating conditions. To study the behavior, a two-dimensional model with Nernst–Planck interfaces an‎d tertiary current distribution was developed using COMSOL Multiphysics to simulate the potential distribution, ionic concentration, an‎d ionic currents in the cell. This model predicted transient behavior, concentration changes in the tanks over time, an‎d the dynamic behavior of the cell. This model enabled a precise analysis of mass an‎d charge transfer interactions an‎d helped identify performance-limiting factors of the cell an‎d critical points of concentration polarization. The simulation results confirmed that increasing current density increases the salt removal rate, but a noticeable concentration dro‎p in the vicinity of the membrane surface is intensified, an‎d a sharp decrease in concentration leads to the onset of the concentration polarization region near the membrane. Moderate currents create a better ionic distribution. The summary of activities indicates that combining factorial analysis an‎d mass an‎d charge transfer modeling enables the identification of effective factors, optimization of the design, an‎d prediction of the performance of the aluminum–air desalination battery. The system has the capability of effective desalination, simultaneous energy recovery, an‎d stable performance, an‎d can be used as a novel solution for supplying freshwater under water-scarcity conditions an‎d in low-energy regions.

5

160105