การแยกไอออนด้วยความจุไฟฟ้า ( CDI ) เป็นเทคโนโลยีในการแยกไอออนออกจากน้ำโดยการใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้ากับอิเล็กโทรดสองตัว ซึ่งมักทำจากคาร์บอนพรุน^{[ 1 ]}กล่าวอีกนัยหนึ่ง CDI เป็นวิธีการดูดซับด้วยไฟฟ้าโดยใช้ตัวกลางดูดซับและสนามไฟฟ้าเพื่อแยกไอออนและอนุภาคที่มีประจุ^{[ 2 ]}แอนไอออน ซึ่งเป็นไอออนที่มีประจุลบ จะถูกแยกออกจากน้ำและเก็บไว้ในอิเล็กโทรดที่มีขั้วบวก ในทำนองเดียวกัน แคตไอออน (ประจุบวก) จะถูกเก็บไว้ในแคโทด ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดที่มีขั้วลบ

ปัจจุบัน CDI ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำกร่อยซึ่งเป็นน้ำที่มีความเข้มข้นของเกลือต่ำหรือปานกลาง (ต่ำกว่า 10 กรัม/ลิตร) ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}เทคโนโลยีอื่นๆ สำหรับการแยกไอออนออกจากน้ำ ได้แก่การกลั่นการออสโมซิสย้อนกลับและการอิเล็กโทรไดอะลิ ซิส เมื่อเทียบกับการออสโมซิสย้อนกลับ และการกลั่น CDI ถือเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำกร่อย^{[ 6 ]}ทั้งนี้เป็นเพราะ CDI กำจัดไอออนของเกลือออกจากน้ำ ในขณะที่เทคโนโลยีอื่นๆ สกัดน้ำออกจากสารละลายเกลือ^{[ 5 ] [ 7 ]}

ในอดีต CDI ถูกเรียกในชื่อ การกำจัดแร่ธาตุด้วยไฟฟ้าเคมี "กระบวนการดูดซับด้วยไฟฟ้าเพื่อแยกเกลือออกจากน้ำ" หรือการดูดซับไอออนของเกลือด้วยไฟฟ้า นอกจากนี้ยังเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า การแยกเกลือด้วยความจุ หรือในเอกสารทางการค้าว่า "CapDI"

ในปี พ.ศ. 2503 แนวคิดเรื่องการกำจัดแร่ธาตุออกจากน้ำด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีได้รับการรายงานโดย Blair และ Murphy ^{[ 8 ]}ในการศึกษาครั้งนั้น สันนิษฐานว่าไอออนจะถูกกำจัดออกไปโดยปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีกับกลุ่มเคมีเฉพาะบนอนุภาคคาร์บอนในอิเล็กโทรด ในปี พ.ศ. 2511 Reid ได้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญในเชิงพาณิชย์และการใช้งานในระยะยาวของ CDI ^{[ 9 ]}ในปี พ.ศ. 2514 Johnson และ Newman ได้นำเสนอทฤษฎีการขนส่งไอออนในอิเล็กโทรดคาร์บอนพรุนสำหรับ CDI และการจัดเก็บไอออนตามกลไกตัวเก็บประจุ^{[ 10 ]}ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2533 เป็นต้นไป CDI ได้รับความสนใจมากขึ้นเนื่องจากการพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดใหม่ เช่น คาร์บอนแอโรเจลและอิเล็กโทรดคาร์บอนนาโนทิวบ์^{[ 11 ]}ในปี พ.ศ. 2539 Farmer และคณะยังได้แนะนำคำว่า capacitive deionization และใช้คำย่อ "CDI" ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันเป็นครั้งแรก^{[ 1 ]}ในปี พ.ศ. 2547 ได้มีการนำเทคโนโลยีการแยกไอออนด้วยเมมเบรนแบบคาปาซิทีฟมาใช้ในสิทธิบัตรของ Andelman ^{[ 12 ]}

โดยการใส่เยื่อแลกเปลี่ยนไอออนสองแผ่น จะได้ CDI รูปแบบที่ดัดแปลงแล้ว ซึ่งก็คือ Membrane Capacitive Deionization ^{[ 12 ]}การดัดแปลงนี้ช่วยปรับปรุงเซลล์ CDI ในหลายด้าน:

• โคไอออนจะไม่ออกจากอิเล็กโทรดในระหว่างขั้นตอนการดูดซับ ดังที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น (ดูคำอธิบายในหัวข้อการดูดซับไอออนในชั้นไฟฟ้าคู่) แต่เนื่องจากการรวมเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน โคไอออนเหล่านี้จะถูกเก็บไว้ในรูพรุนระหว่างอนุภาคของอิเล็กโทรด ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับเกลือ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• เนื่องจากไอออนร่วมเหล่านี้ไม่สามารถออกจากอิเล็กโทรดได้ และเนื่องจากเงื่อนไขความเป็นกลางทางไฟฟ้าใช้ได้กับรูพรุนระหว่างอนุภาค ไอออนตรงข้ามเพิ่มเติมจึงต้องผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งส่งผลให้มีการดูดซับเกลือที่สูงขึ้นด้วย^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• การใช้งาน MCDI ในโหมดกระแสคงที่สามารถผลิตน้ำจืดที่มีความเข้มข้นของน้ำทิ้งคงที่ได้ (ดูข้อมูลเพิ่มเติมในหัวข้อ แรงดันคงที่เทียบกับกระแสคงที่)
• พลังงานที่ต้องการป้อนเข้าของ MCDI ต่ำกว่าของ CDI ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

เซลล์ CDI สามารถทำงานได้ทั้งในโหมดแรงดันคงที่หรือโหมดกระแสคงที่

เพื่อให้เซลล์ CDI มีประสิทธิภาพสูง วัสดุอิเล็กโทรดคุณภาพสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในกรณีส่วนใหญ่ คาร์บอนเป็นตัวเลือกที่ใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดแบบรูพรุน ในส่วนของโครงสร้างของวัสดุคาร์บอนนั้น มีข้อควรพิจารณาหลายประการ เนื่องจากความสามารถในการดูดซับเกลือด้วยไฟฟ้าสูงมีความสำคัญพื้นที่ผิวจำเพาะและการกระจายขนาดรูพรุนของคาร์บอนที่ไอออนสามารถเข้าถึงได้ควรมีขนาดใหญ่ นอกจากนี้ วัสดุที่ใช้ควรมีความเสถียรและไม่ควรเกิดการเสื่อมสภาพทางเคมีของอิเล็กโทรด (การเสื่อมสภาพ) ในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้สำหรับ CDI ไอออนควรสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วผ่านเครือข่ายรูพรุนของคาร์บอน และการนำไฟฟ้าของคาร์บอนควรสูง สุดท้าย ต้นทุนของวัสดุอิเล็กโทรดก็เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องนำมาพิจารณาด้วย^{[ 29 ]}

ปัจจุบันถ่านกัมมันต์ (AC) เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไป เนื่องจากเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าที่สุดและมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง สามารถผลิตได้จากแหล่งธรรมชาติหรือแหล่งสังเคราะห์ วัสดุคาร์บอนอื่นๆ ที่ใช้ในการวิจัย CDI ได้แก่ คาร์บอนมีรูพรุนแบบเรียงตัว คาร์บอนแอโรเจล คาร์บอนที่ได้จากคาร์ไบด์ท่อนาโนคาร์บอนกราฟีนและคาร์บอนแบล็ก [ ^{5 ] งาน}วิจัยล่าสุดระบุว่ารูพรุนขนาดเล็ก โดยเฉพาะรูพรุน < 1.1  นาโนเมตร มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการดูดซับเกลือใน CDI ^{[ 30 ]}เพื่อลดข้อเสียที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนมวลและการทับซ้อนของชั้นไฟฟ้าคู่ และในขณะเดียวกันก็ใช้ประโยชน์จากพื้นที่ผิวที่สูงขึ้นและสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้นซึ่งมาพร้อมกับโครงสร้างรูพรุนขนาดเล็ก ความพยายามอย่างต่อเนื่องในการสร้างสรรค์นวัตกรรมได้พยายามที่จะรวมข้อดีของรูพรุนขนาดเล็กและรูพรุนขนาดกลางโดยการสร้างคาร์บอนที่มีรูพรุนแบบลำดับชั้น (HPCs) ที่มีระดับความพรุนหลายระดับ^{[ 31 ]}

อย่างไรก็ตาม ถ่านกัมมันต์มีราคาถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นๆ ซึ่งมีราคา 50 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมขึ้นไป โดยถ่านกัมมันต์ทั่วไปมีราคาถูกกว่าอิเล็กโทรดถ่านกัมมันต์ชนิดพิเศษที่มีความบริสุทธิ์สูง และสามารถกำจัดเกลือได้มากเท่ากันสำหรับกระแสไฟฟ้าที่กำหนด การเพิ่มประสิทธิภาพจากถ่านกัมมันต์ชนิดใหม่ยังไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นให้มีการใช้งานในขณะนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากแอปพลิเคชัน CDI เกือบทั้งหมดที่กำลังพิจารณาอย่างจริงจังในระยะใกล้เป็นแอปพลิเคชันแบบอยู่กับที่ ซึ่งขนาดของหน่วยเป็นปัจจัยรอง^{[ 4 ]}

ในปัจจุบัน วัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้หลักการทางเคมีรีดอกซ์กำลังได้รับการศึกษามากขึ้นเรื่อยๆ เช่น โซเดียมแมงกานีสออกไซด์ (NMO) และสารอนาล็อกของพรัสเซียนบลู (PBA)

เนื่องจากปริมาณไอออนในน้ำถูกแยกออกจากกันในระหว่างวัฏจักรการดูดซับ CDI เอนโทรปีของระบบจึงลดลง และจำเป็นต้องใช้พลังงานจากภายนอก พลังงานป้อนเข้าทางทฤษฎีของ CDI สามารถคำนวณได้ดังนี้:

${\displaystyle \Delta G=R*T*\Phi _{v,fresh}*(C_{feed}-C_{fresh})\left[{\frac {ln\alpha }{1-\alpha }}-{\frac {ln\beta }{1-\alpha }}\right]}$

โดยที่Rคือค่าคงที่ของแก๊ส (8.314 J mol ⁻¹ K ⁻¹ ), T คืออุณหภูมิ (K), Φ คืออัตราการไหลของน้ำจืดที่ไหลออก (m ³ /s), C คือความเข้มข้นของไอออนในน้ำป้อน (mol/m ³ ) และC คือความเข้มข้นของไอออนในน้ำจืดที่ไหลออก (mol/m ³ ) ของเซลล์ CDI αถูกกำหนดให้เป็นC /C และβเป็นC /C โดยที่C คือความเข้มข้นของไอออนในน้ำเข้มข้นที่ไหลออก

ในทางปฏิบัติ ความต้องการพลังงานจะสูงกว่าพลังงานที่ป้อนเข้าตามทฤษฎีอย่างมาก (20 เท่าหรือมากกว่า) ^{[ 32 ]}ความต้องการพลังงานที่สำคัญซึ่งไม่ได้รวมอยู่ในความต้องการพลังงานตามทฤษฎี ได้แก่ การสูบน้ำ และการสูญเสียในเซลล์ CDI เนื่องมาจากความต้านทานภายใน หากเปรียบเทียบ MCDI และ CDI ในแง่ของพลังงานที่ต้องการต่อไอออนที่ถูกกำจัดออกไป MCDI จะมีความต้องการพลังงานต่ำกว่า CDI ^{[ 21 ]}

เมื่อเปรียบเทียบ CDI กับรีเวิร์สออสโมซิสของน้ำที่มีความเข้มข้นของเกลือต่ำกว่า 20 mM การวิจัยในระดับห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าการใช้พลังงานในหน่วย kWh ต่อ m³ ^ของน้ำจืดที่ผลิตได้นั้นอาจต่ำกว่าสำหรับ MCDI เมื่อเทียบกับรีเวิร์สออสโมซิส^{[ 5 ] [ 33 ]}

ในปี 2550 โรงงาน CDI ขนาดเต็มรูปแบบที่มีกำลังการผลิต 10,000 ตันต่อวันถูกสร้างขึ้นในประเทศจีนเพื่อปรับปรุง คุณภาพ น้ำที่นำกลับมาใช้ใหม่โดย ESTPURE ^{[ 34 ]}โครงการนี้ช่วยลดปริมาณของแข็งที่ละลายทั้งหมดจาก 1,000  มก./ลิตร เหลือ 250  มก./ลิตร และความขุ่นจาก 10 NTU เหลือ 1 NTU ซึ่งเป็นหน่วยที่บ่งบอกถึงความขุ่นของของเหลว การกู้คืนน้ำสามารถทำได้ถึง 75% ระดับการใช้พลังงานไฟฟ้าอยู่ที่ 1 kWh/m³ ^และต้นทุนในการบำบัดน้ำอยู่ที่ 0.22 ดอลลาร์สหรัฐ/m³ ^{โครงการ}ขนาดใหญ่อื่นๆ สามารถดูได้จากตารางด้านล่าง

การแยกไอออนด้วยไฟฟ้าสามารถใช้กำจัดสารกำจัดวัชพืชที่เป็นพิษเช่น ไดควอตและพาราควอตออกจากสารละลายในน้ำได้ การทดสอบโดยใช้ถ่านกัมมันต์สามารถกำจัดได้มากกว่า 98% ^{[ 37 ]}

• ห้องปฏิบัติการวิจัย FCDIกลุ่มวิจัยของ ดร. ดง กุก คิม สถาบันวิจัยพลังงานแห่งเกาหลี สาธารณรัฐเกาหลี