Till innehåll på sidan

At the Mountains of Modeling

Multiscale Simulations of Desalination by Capacitive Deionization

Tid: Fr 2022-12-16 kl 13.00

Plats: FB53 AlbaNova, Roslagstullsbacken 22

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/8537018117

Språk: Engelska

Ämnesområde: Material- och nanofysik Fysik

Respondent: Johan Nordstrand , Material- och nanofysik

Opponent: Professor Maarten Biesheuvel, WETSUS, European centre of excellence for sustainable water technology

Handledare: Professor Joydeep Dutta, Material- och nanofysik; Professor Oscar Tjernberg, Material- och nanofysik

Exportera till kalender

QC 221125

Abstract

Över 2 miljarder människor lever i dag i områden med vattenbrist, samtidigt som det finns enorma mängder saltvatten i haven. Kapacitiv avjonisering (CDI) kan hantera detta genom avsaltning av vatten med hjälp av elektrokemiska celler. När CDI-fältet expanderar blir också modellering allt viktigare. Speciellt med multiskalemodellering finns möjligheten att driva innovationer från material till pilotanläggningar. 

Vårt jobb har varit som att klättra upp för ett berg. I den inledande delen undersökte vi den makroskopiska nivån, som handlar om hur avsaltningsenheterna fungerar. Ett viktigt steg för att simulera dynamiken i processen har varit utvecklingen av ELC modellen. Till skillnad från tidigare modeller som kunde vara instabila för en enda avsaltningscell så kunde ELC-modellen hantera travar med över 100 celler. Det gör det möjligt att simulera komplexa uppskalade strukturer, såsom bipolära elektroder, ohmsk laddning, och asymmetrisk design. Vidare upp i berget finns mesoskalan. Den visar på de lokala mekanismerna bakom det makroskopiska beteendet. En viktig del har varit den dynamiska Langmuir-modellen (DL), som har visat hur isotermbaserad modellering kan ge stabila och smidiga simuleringar. Utvecklingen i isoterm-, dubbellager-, och kretsmodeller gör det även möjligt att välja lämpliga metoder att stödja sig mot beroende på situation. Nära toppen av berget finns mikroskalan, som handlar om det atomära beteendet som bestämmer de mesoskopiska egenskaperna. Här har vi upptäckt en stegmekanism för jontransport i kristaller av berlinerblått. Detta innebär att katjoner klättar längs ramar som utgörs av negativa grupper i kristallstrukturen.

Slutligen hissar vi flaggan genom att kombinera resultaten från alla nivåer. Multiskalemodellen visar att vi kan förutsäga laddningstrender i CDI baserat på atomstrukturen i elektroden. Multiskalemodellen gjorde det också möjligt att gå baklänges och att identifiera mekanismer på mikroskala genom att beräkna den makroskopiska effekten av olika fall och jämföra med experimentella data. Multiskaleberget är massivt och har stor potential. En dröm är att framtida forskning ska utöka koncepten från den här avhandlingen, i CDI och vidare.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-321885