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dc.contributor.authorJuchen, Patricia Trevisani
dc.date.accessioned2022-12-06T11:38:43Z
dc.date.available2022-12-06T11:38:43Z
dc.date.issued2022-11-18
dc.identifier.citationJUCHEN, Patricia Trevisani. Electrochemical desalination using polyglycerol activated carbon: electrode, cell, and process development. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17124.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17124
dc.description.abstractCapacitive deionization (CDI) has emerged as a promising electrochemical technology for the desalination of brackish water, which promotes the electrosorption of ions in the electrical double layer. In recent years, there has been significant growth in studies on capacitive deionization, however, challenging issues still persist, such as obtaining low-cost carbon electrodes with high electrosorption capacity and stability over electrosorption/desorption cycles, as well as a better understanding of how the hydrodynamic aspects influence mass transfer and process efficiency. In this sense, the objective of this thesis was to develop an activated carbon electrode using a polymer obtained from residual glycerol from biodiesel as a precursor and to investigate the effects of the architecture of different CDI cells on electrochemical desalination. The results showed that it was possible to prepare electrodes using residual glycerol polymer as the precursor. In electrosorption experiments, the PGAC electrode demonstrated stability over 50 cycles, applying voltages of 1.1 V and 1.2 V, in a symmetrical configuration, desirable behavior to allow the process for long periods of operation. However, when applying 1.4 V, the positive electrode potential exceeded the limit potential of anodic stability, causing oxidation reactions at the anode and, consequently, loss of desalination capacity. The asymmetric and membrane configurations (MCDI) were also analyzed in order to improve the salt adsorption capacity (SAC). Using an asymmetric configuration, it was possible to minimize the deleterious effect of co-ion repulsion, since there was an increase in charge efficiency (QE) from 62.9% to 88.4%. In the MCDI configuration, the application of ion exchange membranes led to a significant increase in the values of SAC and QE. This improvement is attributed to the presence of co-ions repelled from the micropores and which are prevented from migrating into the solution due to the presence of the membrane. These co-ions then accumulate in the macropores of the material, constituting an additional force of attraction of the counter-ions, since electroneutrality must be maintained. These results showed that the PGAC electrode, in addition to being a low-cost material, proved to be promising for brackish water desalination by capacitive deionization. In sequence, the comparison of the different CDI cells showed that the cell architectures influenced the mass transfer and kinetics of the process. For a thinner electrode, the flow-by cell (FBC) showed better desalination performance compared to the flow-through cell (FTC), due to the lower resistance to charging of the electrical double layer and higher diffusion in the micropores. However, for a thicker electrode a notable reduction of SAC occurred in the FBC, a result attributed to the lower mass transfer from the electrode surface to the adsorption active sites. This effect did not occur when using FTC, because in this architecture the convective transport of mass in the interstitial pores promotes a faster kinetics when compared to FBC. Considering these results, a percolation flow cell (PFC) was proposed, to combine the beneficial aspects of previously investigated cell architectures. With the flow of electrolyte percolating through the electrode and being perpendicular to the electric field, the PFC allowed the increase of optimized salt removal (OSR), due to faster mass transfer promoted by the permeation of the electrolyte through the carbon film of the electrode. An investigation of the particle size used in the preparation of the electrode showed that this size directly influences the mass transfer phenomenon, being possible to increase the kinetics constants with smaller particles, but they promoted a lower SAC due to changes in textural properties. These results showed that there is an ideal particle size to obtain a high OSR value. Finally, galvanostatic and quasi-single-pass mode analysis were analyzed using PFC. The results showed that higher flux flow and current density accelerate the kinetics, but quickly reach the cutting potential, affecting the OSR. Therefore, the operating conditions that showed to be more effective to obtain the highest OSR value were 7 ml min-1 and 1 mA cm-2, highlighting the importance of simultaneously analyzing SAC value and cycle time.eng
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.language.isoengeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectDesalinationeng
dc.subjectCapacitive deionizationeng
dc.subjectPolyglycerol activated carboneng
dc.subjectCrude glyceroleng
dc.subjectElectrode stabilityeng
dc.subjectPotential of zero chargeeng
dc.subjectCell architectureeng
dc.subjectMass transfereng
dc.subjectDessalinizaçãopor
dc.subjectDeionização capacitivapor
dc.subjectCarvão ativado de poliglicerolpor
dc.subjectGlicerol residualpor
dc.subjectEstabilidade do eletrodopor
dc.subjectPotencial de carga zeropor
dc.subjectArquitetura da célulapor
dc.subjectTransferência de massapor
dc.titleElectrochemical desalination using polyglycerol activated carbon: electrode, cell, and process developmenteng
dc.title.alternativeDessalinização eletroquímica usando carvão ativado de poliglicerol: desenvolvimento do eletrodo, célula e processopor
dc.typeTesepor
dc.contributor.advisor1Ruotolo, Luís Augusto Martins
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6167735734348703por
dc.description.resumoA deionização capacitiva (DIC) surgiu como uma tecnologia eletroquímica promissora para a dessalinização de água salobra, a qual promove a eletrossorção de íons na dupla camada elétrica. Nos últimos anos, houve um crescimento significativo dos estudos sobre deionização capacitiva, porém, questões desafiadoras ainda persistem, como a obtenção de eletrodos de carbono de baixo custo, com alta capacidade de eletrossorção e estabilidade ao longo dos ciclos de eletrossorção/dessorção, assim como um melhor entendimento como os aspectos hidrodinâmicos que influenciam a transferência de massa e a eficácia do processo. Neste sentido, o objetivo desta tese foi desenvolver um eletrodo de carvão ativado utilizando como precursor um polímero obtido a partir do glicerol residual do biodiesel e investigar os efeitos da arquitetura de diferentes células DIC na dessalinização eletroquímica. Os resultados mostraram que foi possível preparar eletrodos empregando como precursor o polímero de glicerol residual. Nos experimentos de eletrossorção, o eletrodo PGAC demonstrou estabilidade ao longo de 50 ciclos, aplicando-se voltagens de 1,1 V e 1,2 V, na configuração simétrica, comportamento desejável para permitir o processo por longos períodos de operação. No entanto, ao se aplicar 1,4 V, o potencial do eletrodo positivo ultrapassou o potencial limite de estabilidade anódica, ocasionando reações de oxidação no ânodo e, consequentemente, perda da capacidade de dessalinização. As configurações assimétrica e com membrana (MCDI) foram também analisadas com o intuito de melhorar a capacidade de adsorção de sal (salt adsorption capacity - SAC). Utilizando-se configuração assimétrica foi possível minimizar o efeito deletério da expulsão de co-íons, visto que houve um aumento de eficiência de carga (QE) de 62,9% para 88,4%. Já na configuração MCDI, a aplicação de membranas de troca iônica levou a um aumento significativo dos valores de SAC e QE. Essa melhoria é atribuída à presença dos co-íons repelidos dos microporos e que são impedidos de migrar para a solução devido à presença da membrana. Esses co-íons acumulam-se então nos macroporos do material, constituindo-se em uma força de atração adicional dos contra-íons, uma vez que a eletroneutralidade deve ser mantida. Esses resultados mostraram que o eletrodo PGAC, além de ser um material de baixo custo, revelou-se promissor para dessalinização de água salobra por deionização capacitiva. Na sequência, a comparação de diferentes células de DIC evidenciou que suas arquiteturas influenciaram na transferência de massa e cinética do processo. Para um eletrodo de menorespessura, a célula flow-by (CFB) apresentou melhor performance de dessalinização comparada à célula flow-through (CFT), devido à menor resistência ao carregamento da dupla camada elétrica e maior difusão nos microporos. Porém, para um eletrodo mais espesso, uma notável redução de SAC ocorreu na CFB, resultado atribuído à menor transferência de massa da superfície do eletrodo até os sítios ativos de adsorção. Este efeito não ocorreu ao se usar a CFT, pois nesta arquitetura o transporte convectivo de massa nos poros intersticiais promoveu uma cinética mais rápida quando comparada à CFB. Considerando esses resultados, uma célula de fluxo com percolação (CFP) foi proposta para combinar os aspectos benéficos das arquiteturas de célula investigadas anteriormente. Com o fluxo do eletrólito percolando o eletrodo e sendo perpendicular ao campo elétrico, a CFP permitiu aumentar o parâmetro “optimized salt removal” (OSR), devido à transferência de massa mais rápida promovida pela permeação do eletrólito através do filme de carbono do eletrodo. Uma investigação do tamanho de partícula utilizado na elaboração do eletrodo mostrou que esse tamanho influencia diretamente no fenômeno de transferência de massa, sendo possível aumentar as constantes cinéticas com partículas menores, porém as mesmas promoveram um SAC menor devido a alterações nas propriedades texturais. Esses resultados evidenciaram que existe um tamanho de partícula ideal para obter um valor elevado de OSR. Por fim, a análise do modo galvanostático e quase single-pass foram analisadas utilizando a CFP. Os resultados mostraram que a vazão e a densidade de corrente mais elevadas aceleram a cinética, mas atingem rapidamente o potencial de corte, afetando o OSR. Logo as condições operacionais que mostraram serem mais efetivas para obter o maior valor de OSR foram 7 ml min-1 e 1 mA cm-2, evidenciando a importância de analisar simultaneamente o SAC e o tempo de ciclo.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApor
dc.description.sponsorshipIdFinance Code 001por
dc.description.sponsorshipIdGrant numbers 2020/12706-9por
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/2447516579663597por


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