Scale-up of continuous capacitive deionization processes

Köller, Niklas; Crespo, João Paulo Serejo Goulão; Wessling, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2025-02126

Scale-up of continuous capacitive deionization processes = Scale-up von Prozessen zur kontinuierlichen kapazitiven Deionisierung

Köller, Niklas^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Niklas Köller

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - Chemical process engineering ; 51

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Crespo, João Paulo Serejo Goulão (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-02126
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1005953/files/1005953.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Entsalzung (frei) ; Ladungsübertrager (frei) ; Maßstabsvergrößerung (frei) ; Salzrückgewinnung (frei) ; current collectors (frei) ; desalination (frei) ; flow-electrode capacitive deionization (frei) ; kapazitive Deionisierung (frei) ; salt recycling (frei) ; scale-up (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Sicherer Zugang zu sauberem Trinkwasser, einem menschlichen Grundrecht, ist in vielen Regionen nach wie vor unmöglich. Wasserknappheit und Verteilungsprobleme verschärfen sich durch Bevölkerungswachstum und die Folgen des Klimawandels. Angesichts dieser Herausforderung sind innovative Technologien erforderlich, um Trinkwasser aus Salzwasser zu gewinnen und Abwässer aus industriellen oder landwirtschaftlichen Prozessen aufzubereiten. Die kapazitive Deionisierung mit Fließelektroden (FCDI) als elektrisch getriebenes Verfahren zeichnet sich durch einen kontinuierlichen Betrieb und eine hohe Energieeffizienz aus, insbesondere bei der Behandlung von Wässern mitniedrigem Salzgehalt. Studien zu FCDI im Labormaßstab zeigen das Potential der Technologie. Zumeist wurden synthetische Salzlösungen verwendet. Nun ist es erforderlich, die Wirksamkeit der Technologie in größerem Maßstab und mit realen Feedlösungen zu validieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Anwendungsmaßstab der FCDI-Technologieauf Pilotmaßstab vergrößert und die Technologie in realen Entsalzungs- und Salzrecyclinganwendungen eingesetzt, gleichzeitig wurden neue Komponenten und Materialien zur Verbesserung der Kosteneffizienz entwickelt. Im Rahmen der Maßstabsvergrößerung wurden verschiedene Moduldesigns und Bauformen für Ladungsübertrager getestet. In den Experimenten wurden die Konzentrationsänderung in den FCDI-Modulen gemessen und zur Charakterisierung der Entsalzungsleistung verwendet. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit war die Entwicklung eines Stacking-Konzepts für FCDI-Module im Pilotmaßstab. Das Konzept wurde im Vergleich zu einem etablierten elektrisch-getriebenen Entsalzungsverfahren (Elektrodialyse) bewertet. Die spezifische Entsalzungsleistung der FCDI-Module im Pilotmaßstab war geringer als im Labormaßstab; hier besteht Potential für zukünftige Optimierungen. Im Vergleich zur Elektrodialyse benötigt FCDI eine größere Membranfläche, was zu höheren Investitionskosten führt. Um die Kosten der FCDI-Module zu senken, wurden neue Ladungsübertrager entwickelt. Diese konnten zu geringeren Kosten hergestellt werden und erreichten einen verbesserten Salztransport. Außerdem wurde ein Wire-Mesh Sensor entwickelt, der in Zukunft für die Untersuchung und Verbesserung von FCDI eingesetzt werden kann. Die Anwendung von FCDI in praxisnahen Wasserentsalzungs- und Salzrückgewinnungsanwendungen ist für die Verbesserung der Technologie entscheidend. Nur durch solche Anwendungen können die Vor- und Nachteile von FCDI umfassend verstanden und iterative Verbesserungen umgesetzt werden. Die Maßstabsvergrößerung ist der wichtigste Schritt, um die Anwendung in der Praxis zu ermöglichen. Diese Arbeit demonstriert die ersten Schritte in Richtung einer industriellen Anwendung. Zukünftige Forschung sollten die Skalierung von neuen Modulkonzepten fokussieren und neue Anwendungsfelder für FCDI erschließen.

Clean water, a fundamental human right, remains unattainable in many regions due to scarcity exacerbated by growing populations and climate change. Innovative technologies are required to extract potable water from saline sources and reclaim wastewater from industrial or agricultural processes. Removal of salt ions necessitates energy-intensive approaches. Therefore, developing novel, energy-efficient desalination and salt recycling techniques is imperative. Among these techniques, electrically-driven Flow-electrode Capacitive Deionization (FCDI) stands out due to its continuous operation and energy efficiency, particularly in treating low-salinity feed water. Despite promising results from laboratory-scale studies using mostly synthetic salt solutions, there has been a critical need to validate the technology’s efficacy at larger scales and with real-world feed solutions. This thesis undertook the scale-up of FCDI technology and deployed it in real-world desalination and salt recycling scenarios while innovating new components and materials to enhance cost-effectiveness. Scale-up involved experiments with various module configurations and current collector architectures. In these experiments, the concentrations of the produced solutions were quantified and used as performance metrics. A central outcome of this thesis was the development of a stacking concept for FCDI modules at the pilot scale. The concept was evaluated against an established electrically driven desalination technology (Electrodialysis). The specific desalination performance of FCDI modules at the pilot scale was lower than at the laboratory scale, indicating potential for future optimization. Compared to Electrodialysis, FCDI requires more membrane area, resulting in a disadvantage in capital cost. A new current collector architecture was established to reduce the cost of FCDI modules. Finally, a wire mesh sensor was developed, which could be used to investigate and improve FCDI in the future. The practical application of FCDI in real-world water treatment tasks is crucial for advancing the technology. Only through such applications can the merits and shortcomings of FCDI be understood comprehensively - leading to iterative improvements of the technology. Scale-up is the most crucial step in enabling real-world applications. This thesis provides a roadmap and takes the first steps towards industrial application. Future research should focus on scale-up with novel module concepts and identification of new applications for FCDI.

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