Permselective and ion-selective carbon nanopores and next-generation technologies for electrochemical water treatment

Abstract

Owing to an expanding economy and growing population, there is increasing consumer demand for freshwater. However, with global climate change and water pollution issues, there is rising water stress in many countries worldwide. Electrochemical water desalination technologies such as capacitive deionization (CDI) utilize electrical energy to store ions in porous materials and provide energy-efficient water desalination. However, due to the cation and anion exchange process during the charging and discharging processes, CDI is considered suitable for low salinity water desalination (salinity of 1-10 g/L). This dissertation explores novel approaches to next-generation CDI for better desalination performances and water desalination at high ionic strength. In particular, the ability of sub-nanometer carbon pores (ultramicropores) to enable highly efficient CDI even at seawater salinity is demonstrated based on unexpected simulation predictions. This unique ability originates from the energy barrier of ion solvation for pores smaller than the solvation shell. Consequently, uncharged carbon ultramicropores behave ionophobic and overcome the limitation of CDI only to be suitable for remediation of brackish water. Ultramicropores also provide novel perspectives for ion separation via the interplay of intrinsic and kinetic ion selectivity. This work also establishes electrocatalytic fuel cell desalination, whereby conventional fuel cell technology can easily be adapted to generate electricity, heat, and desalinated water concurrently.

Als Resultat der boomenden Wirtschaft und dem weltweiten Bevölkerungswachstum steigt auch der Bedarf an Süßwasser stetig an. Angesichts des globalen Klimawandels und der vorherrschenden Wasserverschmutzung ist die Wasserknappheit längst nicht mehr nur auf einzelne Regionen begrenzt, sondern herrscht bereits in vielen Ländern auf der ganzen Welt vor. Elektrochemische Wasserentsalzungstechnologien wie die kapazitive Deionisation (CDI) nutzen elektrische Energie, um Ionen in porösen Materialien zu speichern und bieten somit die Grundlage für eine energieeffiziente Technologie zur Wasserentsalzung. Aufgrund des Kationen- und Anionenaustausches während des Lade- und Entladevorgangs ist die CDI jedoch nur für die Entsalzung von Brackwasser (Salinität von 1 bis 10 g/L) geeignet. In der vorliegenden Dissertationsschrift werden neue Ansätze für die nächste Generation an CDI zur Verbesserung der Entsalzungsleistung sowie der Wasserentsalzung bei hoher Ionenstärke untersucht. Insbesondere wird auch anhand unerwarteter Simulationsvorhersagen gezeigt, dass Kohlenstoffporen im Subnanometerbereich (Ultramikroporen) eine hocheffiziente CDI selbst beim Salzgehalt von Meerwasser ermöglichen. Diese einzigartige Fähigkeit ergibt sich aus der Energiebarriere der Ionensolvatation für Poren, die kleiner sind als die Solvatationsschale. Folglich verhalten sich ungeladene Kohlenstoff-Ultramikroporen ionophob und überwinden die Beschränkung der CDI, so dass sie für die Aufarbeitung von Brackwasser geeignet sind. Ultramikroporen bieten zusätzlich neue Perspektiven für die Ionentrennung durch das Zusammenspiel von intrinsischer und kinetischer Ionenselektivität. Mit dieser Arbeit wird ebenfalls die elektrokatalytische Brennstoffzellenentsalzung eingeführt, wobei die herkömmliche Brennstoffzellentechnologie leicht angepasst werden kann, um gleichzeitig Strom, Wärme und entsalztes Wasser zu erzeugen.