Using Ultramicroporous Carbon for the Selective Removal of Nitrate with Capacitive Deionization

电容去离子 硝酸盐 氯化物 化学 硫酸盐 无机化学 吸附 微型多孔材料 离子 碳纤维 循环伏安法 电极 电化学 材料科学 有机化学 复合材料 物理化学 复合数
作者
Steven A. Hawks,Maira R. Cerón,Diego I. Oyarzun,Tuan Anh Pham,Cheng Zhan,Colin K. Loeb,Daniel Mew,Amanda Deinhart,Brandon C. Wood,Juan G. Santiago,Michael Stadermann,Patrick G. Campbell
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:53 (18): 10863-10870 被引量:119
标识
DOI:10.1021/acs.est.9b01374
摘要

The contamination of water resources with nitrate is a growing and significant problem. Here we report the use of ultramicroporous carbon as a capacitive deionization (CDI) electrode for selectively removing nitrate from an anion mixture. Through moderate activation, we achieve a micropore-size distribution consisting almost exclusively of narrow (<1 nm) pores that are well suited for adsorbing the planar, weakly hydrated nitrate molecule. Cyclic voltammetry measurements reveal an enhanced capacitance for nitrate when compared to chloride as well as significant ion sieving effects when sulfate is the only anion present. We measure high selectivities (S) of both nitrate over sulfate (SNO3/SO4 = 17.8 ± 3.6 at 0.6 V) and nitrate over chloride (SNO3/Cl = 6.1 ± 0.4 at 0.6 V) when performing a constant voltage CDI separation on 3.33 mM/3.33 mM/1.67 mM Cl/NO3/SO4 feedwater. These results are particularly encouraging considering that a divalent interferant was present in the feed. Using molecular dynamics simulations, we examine the solvation characteristics of these ions to better understand why nitrate is preferentially electrosorbed over sulfate and chloride.

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