Функционализированные углеродные материалы, полученные из рисовой шелухи, для применения в мембранной и инверсионной емкостной деионизации

Авторы

  • А.Ю. Захаров Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан
  • А.В. Тукешева Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан
  • Е.С. Ихсанов Казахский национальный университет им. аль-Фараби, пр. аль-Фараби, 71, Алматы, Казахстан
  • Ж.А. Супиева Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Казахский национальный университет им. аль-Фараби, пр. аль-Фараби, 71, Алматы, Казахстан
  • Ж.Е. Аяганов Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Казахский национальный университет им. аль-Фараби, пр. аль-Фараби, 71, Алматы, Казахстан
  • В.В. Павленко Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Казахский национальный университет им. аль-Фараби, пр. аль-Фараби, 71, Алматы, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc22(1)37-48

Ключевые слова:

емкостная деионизация воды, инверсная емкостная деионизация, активированный уголь, биоуголь

Аннотация

Емкостная деионизация воды (ЕДВ) привлекает пристальное внимание как перспективная, недорогая и энергоэффективная технология опреснения воды. Невысокая стоимость устройства, в первую очередь, обусловливается возможностью использования углеродных материалов из природного сырья. Одна из последних концепций развития ЕДВ подразумевает применение инвертированного профиля потенциала в процессе работы (сорбция при 0 В, десорбция при небольшом значении потенциала), что дополнительно снижает энергопотребление системы. Для работы такой системы необходимо использование углеродных материалов, несущих поверхностный заряд, который обеспечит сорбцию при отсутствии внешнего потенциала. В данной работе авторы представляют простую двухстадийную методологию создания высокопористых углеродных материалов из рисовой шелухи и их последующую химическую функционализацию азотсодержащими группами –NO2 и –NH2, несущими отрицательный и положительный заряды, соответственно. За счет использования модифицированных материалов удалось достичь высоких значений удельной емкости в 253 Ф/г. Применение полученных материалов в качестве электродов в мембранных и инверсионных ячейках ЕДВ продемонстрировало их высокую эффективность, увеличив на 15% (до 16,91 мг/г) максимальную удельную адсорбционную емкость (УАЕ) по сравнению с симметричными мембранными ячейками с использованием немодифицированных углей.

Библиографические ссылки

(1). Fricke K. (2014). Analysis and Modelling of Water Supply and Demand Under Climate Change, Land Use Transformation and Socio-Economic Development: The Water Resource Challenge and Adaptation Measures for Urumqi Region, Northwest China. Springer International Publishing. ISBN: 978-3-319-37647-9

(2). He C, Liu Z, Wu J, Pan X, Fang Z, Li J, & Bryan, BA (2021) Nature Communications 12(1): 4667. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25026-3

(3). Qin Y, Mueller ND, Siebert S, Jackson RB, AghaKouchak A, Zimmerman JB, Tong D, Hong C, & Davis SJ (2019) Nature Sustainability 2(6):515–523. https://doi.org/10.1038/s41893-019-0294-2

(4). Liu X, Shanbhag S, Bartholomew TV, Whitacre JF, Mauter MS (2021) ACS ES&T Engineering 1(2):261-273. https://doi.org/10.1021/acsestengg.0c00094

(5). Bales C, Lian B, Zhu Y, Zhou H, Wang Y, Fletcher J, & Waite TD (2023) Desalination 559:116647. https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.116647

(6). Tan C, He C, Tang W, Kovalsky P, Fletcher J, Waite TD (2018) Water Research 147:276-286. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.09.056

(7). Gude VG (2016) Water Research 89: 87-106. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.11.012

(8). Suss ME, Porada S, Sun X, Biesheuvel PM, Yoon J, Presser V (2015) Energy & Environmental Science 8(8):2296-2319. https://doi.org/10.1039/C5EE00519A

(9). Volfkovich YuM (2020) Russian Journal of Electrochemistry 56(1):18–51. https://doi.org/10.1134/S1023193520010097

(10). Folaranmi G, Bechelany M, Sistat P, Cretin M, Zaviska F (2020) Membranes 10(5):96. https://doi.org/10.3390/membranes10050096

(11). Cheng Y, Hao Z, Hao C, Deng Y, Li X, Li K, Zhao Y (2019). RSC Advances 9(42):24401-24419. https://doi.org/10.1039/C9RA04426D

(12). Barcelos KM, Oliveira KSGC, Ruotolo LAM (2020) Desalination 492: 114594. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114594

(13). Zakharov A, Tukesheva A, Pavlenko V, Bin Haque SF, Ferraris J, Zakhidov A, Tazhibayeva, T, Bazarbayeva T(2023) Bulletin of the Karaganda University. ‘Physics’ Series, 111(3): 16-33. https://doi.org/10.31489/2023PH3/16-33

(14). Kim M, Cerro M, Hand S, & Cusick RD (2019). Water Research 148: 388-397 https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.10.044

(15). Lee JH, Choi JH (2012) Journal of Membrane Science 409–410:251-256. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.03.064

(16). Pawlowski S, Huertas RM, Galinha CF, Crespo J G, & Velizarov S (2020) Desalination 476: 114183. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.114183

(17). Hu CC, Hsieh CF, Chen YJ, Liu CF (2018)Desalination 442: 89-98. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.05.013

(18). Sayed ET, Olabi AG, Shehata N, Radi MA, Muhaisen OM, Rodriguez C, Atieh MA, & Abdelkareem MA (2023) Ain Shams Engineering Journal 14(8): 102030. https://doi.org/10.1016/j.asej.2022.102030

(19). Zeng ZH, Yan LL, Li GH, Rao PH, Sun YR, & Zhao ZY (2023) New Carbon Materials 38(5): 837-860. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(23)60779-6

(20). Arkhipova EA, Novotortsev RYu, Ivanov AS, Maslakov KI, & Savilov SV (2022). Journal of Energy Storage 55: 105699. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105699

(21). Pavlenko V, & Supiyeva Zh (2020) Eurasian Chemico-Technological Journal 22(4): 277. https://doi.org/10.18321/ectj996

(22). Silva AP, Argondizo A, Juchen PT, & Ruotolo LAM (2021) Separation and Purification Technology 271:118872. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118872

(23). Tian W, Zhang H, Duan X, Sun H, Shao G, Wang S (2020) Advanced Functional Materials 30(17):1909265. https://doi.org/10.1002/adfm.201909265

(24).Matsagar BM, Yang RX, Dutta S, Ok YS, & Wu K CW (2021) Journal of Materials Chemistry A 9(7):3703-3728. DOI: https://doi.org/10.1039/D0TA09706C

(25). Yao Z, Shao P, Fang D, Shao J, Li D, Liu L, Huang Y, Yu Z, Yang L, Yu K, & Luo X (2022) Chemical Engineering Journal 427: 131470. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131470

(26).Wu T, Wang G, Dong Q, Qian B, Meng Y, Qiu J (2015) Electrochimica Acta 176: 426-433. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.07.037

(27).Niu R, Li H, Ma Y, He L, Li J (2015)Electrochimica Acta 176: 755-762. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.07.012

(28).Li F, Ahmad A, Xie L, Sun G, Kong Q, Su F, Ma Y, Chao Y, Guo X, Wei X, Chen CM (2019). Electrochimica Acta 318:151-160 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.06.057

(29). Watkins JD, Lawrence R, Taylor JE., Bull SD, Nelson GW, Foord JS, Wolverson D, Rassaei L, Evans NDM, Gascon SA, Marken F (2010). Physical Chemistry Chemical Physics 12(18): 4872-4878. https://doi.org/10.1039/B927434K

(30). Pantarotto D, Singh R, McCarthy D, Erhardt M, Briand JP, Prato M, Kostarelos K, & Bianco A (2004) Angewandte Chemie International Edition 43(39): 5242-5246. https://doi.org/10.1002/anie.200460437

(31). Biniak S, Szymański G, Siedlewski J, Świątkowski A (1997) Carbon 35(12): 1799-1810. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(97)00096-1

(32). Fretz SJ, Agostini M, Jankowski P, Johansson P, Matic A, Palmqvist AEC (2020) Batteries & Supercaps 3(8): 757-765. https://doi.org/10.1002/batt.202000027

(33). Teng W, Wu Z, Fan J, Zhang W, Zhao D (2015). Journal of Materials Chemistry A 3(37): 19168-19176. https://doi.org/10.1039/C5TA05320J

(34). Abe M, Kawashima K, Kozawa K, Sakai H, & Kaneko K (2000) 16(11): 5059-5063. https://doi.org/10.1021/la990976t

(35). Landon J, Gao X, Omosebi A, Liu K (2021). E Environmental Science: Water Research & Technology 7(5): 861-869. https://doi.org/10.1039/D1EW00005E

(36). Zhao S, Yan T, Wang H, Zhang J, Shi L, & Zhang D (2016) ACS Applied Materials & Interfaces 8(28): 18027-18035. https://doi.org/10.1021/acsami.6b03704

(37). Choi JH, Yoon DJ (2019) Water Research, 157:167-174. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.03.083

(38). Gao X, Omosebi A, Landon J, Liu K (2015)Environmental Science & Technology 49(18):10920–10926. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02320

(39). Haq O, Choi DS, Choi JH, & Lee YS (2020)Journal of Industrial and Engineering Chemistry 83:136-144. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.11.021

Загрузки

Опубликован

25-03-2024

Как цитировать

Захаров, А., Тукешева, А., Ихсанов, Е., Супиева, Ж., Аяганов, Ж., & Павленко, В. (2024). Функционализированные углеродные материалы, полученные из рисовой шелухи, для применения в мембранной и инверсионной емкостной деионизации. Горение и плазмохимия, 22(1), 37–48. https://doi.org/10.18321/cpc22(1)37-48

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)