SUPERVISOR
Ahmad Moheb,Hasti Hashemi nejad
احمد محب (استاد مشاور) هستی هاشمی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Hossein Dallalzadeh Atoufi
حسین دلال زاده عطوفی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Experimental Study of Capacitive Deionization (CDI) for Desalinate Water
Water is the most essential element for durability and survival of environment to the extent that a human cannot alive without water more than three days. Given the importance of water and the daily growth of the world’s population, the challenge for the society will be to provide safe water. According to the United Nations, clean water was known as a fundamental right for humans and international societies and governments have the responsibility to provide this. One of the most important factors that may change water safety is salinity which is recognized as a factor that indicates the presence of water-soluble salts. This factor is determined as Electrical Conductivity (EC). The Salinity of potable water that affects the taste of water, reduces the tendency of the water usage, has undesirable effects during treatment, water treatment plant facilities, and network utilization, and also affects plant growth. Therefore, having access to fresh and clean water for drinking, health, agriculture and the industry (nationally or globally) should always be a key priority. For this purpose, brackish and saline water can be considered as a source of water supply and are approved among select important strategies and develop desired goals that is to provide fresh water. According to the description provided, the aim of this research is to investigate a new approach with lower cost and lower energy consumption compared to the conventional methods as a Capacitive Deionization (CDI) that is tested in order to remove salt and decrease the electrical conductivity of water. In this method by making input feed solution with sodium chloride and preparing the electrodes were covered with Activated Carbon Clothes (ACC), CDI system was launched as a batch reactor and after doing preliminary tests and investigating numerous factors on the efficiency of desalination process by the CDI method, the effect of four parameters such a duration of tests, initial concentration of feed solution, applied voltage, and pH of the solution on three response including Percentage of EC removal, chloride removal and sodium ion removal was examined. In this study, design of experiments was performed by Response Surface Methodology (RSM) and by the Design Expert V. 9.0.6.2 software. After statistical analysis by the software and offering a fit model based on results, extreme reliance of the responses on the initial concentration of salt in feed solution and lack of dependence on the applied voltage in defined range in tests was observed. As a numerical report the maximum efficiency of EC removal, Cl - removal, and Na + removal was obtained about 57%, 70% and 25% respectively. Finally, to assess this research the results of the tests were compared to the results of common adsorption process with activated carbon and also with one of the previous researches. The result of this comparison indicates that this recent research has more than fifty percent ability in removal of EC compared to the two cases mentioned in spite of spending less time and cost. Thus, the use of CDI method in order to desalinating brackish water or water with low and moderate salt concentration ca be introduced as an affordable method and if further improve more than now, it will be more effective than common methods. Key Words Fresh water, Electrical Conductivity (EC), Brackish water, Desalination, Activated Carbon Cloth (ACC), Capacitive Deionization (CDI), Response Surface Methodology (RSM).
آب از ضروریترین عناصر موجود برای پایداری و بقای محیطزیست است تا آنجا که انسان بیش از سه روز توانایی زنده ماندن بدون وجود آب را نخواهد داشت، بنابراین با گسترش روز به روز جمعیت، چالش اصلی جوامع انسانی تأمین آب سالم مورد نیاز امروز و فردای افراد است، از این رو بر طبق اعلام سازمان ملل متحد، آب پاک، بهعنوان یک حق اساسی بشر شناخته شده است و جوامع بینالمللی و دولتها میبایست در تأمین این حق اساسی تلاش خود را انجام دهند. یکی از عوامل مهم که در سلامت آب تغییر ایجاد مینماید، شوری آب است که بهعنوان یک عامل که نشاندهندهی حضور نمکهای محلول در آب است تعریف میشود. این عامل در آب با عنوان هدایت الکتریکی و یا کل مواد جامد محلول مورد سنجش قرار میگیرد. وجود شوری در آب آشامیدنی علاوه بر تأثیر بر طعم و مزهی آب، تمایل به استفاده از آب را کاهش میدهد، دارای اثرهای نامطلوب در مراحل تصفیه، تأسیسات تصفیهخانه و شبکهی بهرهبرداری میباشد و نیز بر رشد گیاهان تأثیرگذار خواهد بود؛ بنابراین نه تنها در سطح ملی بلکه در سطح جهانی استفاده از آب شیرین و تازه استحصالشده به عنوان مصارف شرب، بهداشت، کشاورزی و صنعت در اولویت قرار دارد. به این منظور میتوان آبهای لبشور و شور را به عنوان یک منبع تأمین آب در نظر گرفته و آن را در زمرهی انتخاب راهبردهای مهم و توسعهی اهداف مورد نظر که تأمین آب شیرین است، منظور نمود. با توجه به توضیحات ارائه شده، هدف از این پژوهش بررسی روشی جدید با صرف انرژی و هزینهی کمتر نسبت به روشهای متداول با عنوان روش یونزدایی خازنی است که به منظور حذف نمک و کاهش هدایت الکتریکی آب، مورد آزمون قرار گرفته است. در این روش با ساخت محلول خوراک ورودی توسط نمک سدیم کلرید و ساخت الکترودها با پوشش کربن فعال، سامانهی یونزدایی خازنی به صورت راکتور بسته راهاندازی شد و پس از انجام آزمایشهای مقدماتی و بررسی عوامل متعدد بر روی کارایی فرایند نمکزدایی توسط روش یونزدایی خازنی، تأثیر چهار عامل از جمله مدت زمان انجام آزمایشها، غلظت اولیهی محلول ورودی، ولتاژ اعمالی و pH محلول در سامانه بر روی سه پاسخ درصد حذف هدایت الکتریکی، درصد حذف یون کلر و درصد حذف یون سدیم مورد بررسی قرار گرفت. طراحی آزمایشها در این پژوهش بر پایهی روش رویهی پاسخ و توسط نرمافزار Design Expert V. 9.0.6.2 انجام پذیرفت. پس از تجزیه و تحلیل آماری نتایج توسط نرمافزار و ارائهی مدل مناسب منطبق بر نتایج، وابستگی شدید پاسخها به غلظت اولیهی نمک در محلول ورودی و عدم وابستگی آنها به ولتاژ اعمالی البته در محدودهی مورد تعریف در آزمایشها مشاهده شد. همچنین نتایج آزمایشها نشان از بیشینهی حذف حدود 54 درصد برای حذف هدایت الکتریکی و نیز حدود 70 درصد و 24 درصد به ترتیب برای حذف یون کلر و یون سدیم بود. در انتها نیز به منظور سنجش این پژوهش، نتایج حاصل شده از آن با نتایج حاصل از فرایند جذب متداول توسط کربن فعال پودری و نیز یک نمونه پژوهش انجام گرفته در گذشته مقایسه شد که نتیجهی این مقایسه حاکی از آن بود که این پژوهش با صرف زمان و هزینهی کمتر نسبت به دو مورد ذکر شده بیش از 50 درصد توانایی در حذف هدایت الکتریکی را دارا است؛ بنابراین استفاده از روش یونزدایی خازنی به منظور نمکزدایی از آب لبشور و یا با غلظت پایین و متوسط نمک میتواند به عنوان روشی با صرفهی اقتصادی و در صورت بهبود بیشتر آن، به عنوان روشی کارآمدتر از روشهای متداول معرفی شود. کلمات کلیدی: آب شیرین، هدایت الکتریکی، آب لبشور، پوشش کربن فعال، نمکزدایی، یونزدایی خازنی، روش رویهی پاسخ.