Fabricación y caracterización de electrodos nanoestructurados a base de composites de carbón activado/óxido de zinc para remoción de metales pesados en agua mediante desionización capacitiva

Abstract

El presente trabajo estudia la desionización capacitiva (CDI) para remover metales pesados, específicamente cobre y cobalto. El principio consiste en aplicar una diferencia de poten- cial entre electrodos porosos, haciendo que los iones disueltos migren hacia el electrodo de carga opuesta (electrosorción), mientras el agua fluye perpendicular al campo eléctrico. Los electrodos, con sustrato de grafito y una película gruesa de un composite carbón acti- vado/ZnO como material electroactivo, fueron caracterizados mediante difracción de rayos X, microscopia electrónica de barrido, espectroscopia de dispersión de rayos X, método Brunauer-Emmett-Teller y voltamperometría cíclica. Esto permitió analizar la estructura del electrodo, estimar el ancho de los rods de ZnO (∼ 450 nm), el tamaño de poro (8 nm), la composición del composite y su capacitancia específica (37,86 ± 0,94 F/g). Se ensambló una celda CDI con diez electrodos y espaciadores, evaluando su desempeño con solu- ciones de CuCl2 y CoCl2 (10 mM) a distintos caudales (35∼105 mL/min) y los siguientes parámetros: capacidad de adsorción de sal (SAC), tasa de adsorción de sal (ASAR), masa

de soluto removido (Neff), eficiencia de remoción de sal (nd) y consumo energético espe- cífico (SEC). Para CuCl2, a 95 mL/min se obtuvieron los mayores SAC (1,526 mg · g−1), ASAR (0,00678 mg · s−1 · g−1) y Neff (22,40 mg); mientras que a 35 mL/min, se alcanzaron los valores más altos de nd (6,89 %) y SEC (344,84 Wh/m3). CoCl2 mostró menores valo- res en todos los parámetros. Finalmente, se evaluó una mezcla de CuCl2 y CoCl2 a menor concentración (6 mM cada una) y adicionando la operación con caudales menores (15 y 25 mL/min), alcanzando un rendimiento superior: SAC de 2,08 mg · g−1, Neff de 30,56 mg, ASAR de 0,00678 mg · s−1 · g−1, nd de 16,84 % y SEC de 347,57 Wh/m3. Estos resultados sugieren que reducir la concentración y la caudal mejora notablemente la eficiencia de la celda CDI.

This work studies capacitive deionization (CDI) for the removal of heavy metals, specifi- cally copper and cobalt. The principle is based on applying a potential difference between porous electrodes, causing dissolved ions to migrate toward the oppositely charged electro- de (electrosorption), while water flows perpendicularly to the electric field. The electrodes, composed of a graphite substrate and a thick film of a activated carbon/ZnO composite as the electroactive material, were characterized using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, Brunauer-Emmett-Teller method, and cyclic voltammetry. These techniques allowed the analysis of the electrode structure, esti- mation of ZnO rod width (∼450 nm), pore size (8 nm), composite composition, and specific capacitance (37.86 ± 0.94 F/g). A CDI cell was assembled with ten electrodes and spacers, and its performance was evaluated using 10 mM solutions of CuCl2 and CoCl2 at different flow rates (35∼105 mL/min) by measuring the following parameters: salt adsorption capacity

(SAC), salt adsorption rate (ASAR), effective salt removal mass (Neff), salt removal efficiency (nd), and specific energy consumption (SEC). For CuCl2, the highest values of SAC (1.526 mg · g−1), ASAR (0.00678 mg · s−1 · g−1), and Neff (22.40 mg) were obtained at 95 mL/min, while the highest nd (6.89 %) and SEC (344.84 Wh/m3) were recorded at 35 mL/min. CoCl2 showed lower values across all parameters. Finally, a mixed solution of CuCl2 and CoCl2 at lower concentration (6 mM each) and additionally operating at lower flow rates (15 and 25 mL/min), yielding superior performance: SAC of 2.08 mg · g−1, Neff of 30.56 mg, ASAR of 0.00678 mg · s−1 · g−1, nd of 16.84 %, and SEC of 347.57 Wh/m3. These results suggest that reducing feed concentration and flow rate significantly improves the CDI cell’s adsorption and removal efficiency.