CH720316A1 - Modul, Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Deionisierung von Ionen-enthaltenden Lösungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul (1) bzw. ein Verfahren zur kapazitiven Deionisierung einer lonen-enthaltenden Lösung (4) insbesondere einer wässrigen lonen-enthaltenden Lösung, wobei das Modul zwei beabstandeten Elektroden (2, 3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) einen von der ionenhaltigen Lösung durchströmbaren Raum (5) begrenzen, und eine Spannungsquelle (6) für das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektroden (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten Elektrode (2) oder der zweiten Elektrode (3) auf ihrer der anderen Elektroden zugewandten Oberfläche eine elektrisch isolierende Trennschicht (7) und auf dieser Trennschicht (7) eine Adsorptionsschicht (8) zumindest teilweise aus einem ferroelektrischen Material aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung umfassend ein solches Modul und die Verwendung eines solchen Moduls zur Wasseraufbereitung.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein Modul, eine Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zur kapazitiven Deionisierung von Ionen-enthaltenden Lösungen, insbesondere wässrigen Lösungen, bei welchem eine mit einem Dielektrikum isolierte elektrische Spannungsquelle in einem Raum, der von dieser Lösung durchflossen wird, ein elektrisches Feld aufbaut, das in dort vorhandenem ferroelektrischem Material zur Ausbildung starker Dipole führt. In den an den Dipolen gebildeten elektrischen Doppelschichten werden die Ionen elektrosorbiert. Mindestens eine der mit der Spannungsquelle verbundenen Elektroden ist mit einem Dielektrikum isoliert. Dies verhindert die Faraday-Reaktion. Im Vergleich zum Stand der Technik erlaubt die Erfindung die Anwendung viel höherer Spannungen, was zu höheren Salzadsorptionskapazitäten, weniger Energieverbrauch und kürzeren Prozesszeiten führt. Damit wird die Wirtschaftlichkeit des umweltfreundlichen Verfahrens zur kapazitiven Deionisierung massiv verbessert, was dieser Technologie zugleich viele neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

[0002] Erfindungsgemässe Module, Vorrichtungen und Verfahren eignen sich zum Bespiel hervorragend für viele Anwendungen, für die üblicherweise die Methode des Ionenaustauschs eingesetzt wird. Die Regeneration von Ionenaustauschern erfolgt mit teils gefährlichen oder umweltschädlichen Chemikalien wie Laugen, Säuren oder hochkonzentrierten Salzlösungen. Ein weiterer Nachteil der Ionenaustauscher ist ihre beschränkte Nutzungsdauer. Sie müssen in regelmässigen Abständen vollständig erneuert werden, weil sie nach einer gewissen Nutzungszeit nur noch ungenügend regeneriert werden können.

[0003] Rund 500 Millionen Menschen sind heute auf Wasser angewiesen, das aus Entsalzungsanlagen stammt, die täglich weltweit etwa hundert Millionen Kubikmeter Trinkwasser produzieren. Die WHO rechnet damit, dass bis in das Jahr 2050 rund fünf Milliarden Menschen in Regionen leben werden, die durch Wasserknappheit gefährdet sind. Heute wird Trinkwasser am häufigsten entweder durch Destillation oder mittels Umkehrosmose gewonnen. Wegen der für die Destillation benötigten grossen Energiemengen wird die Destillation nur in Grossanlagen und an Orten eingesetzt, wo Energie reichlich und günstig zur Verfügung steht, also in der Nähe von Oel- oder Erdgasfeldern. Solche Anlagen zur Meerwasseraufbereitung tragen mit ihrem hohen Ausstoss an CO2wesentlich zur kritischen Aufheizung des Weltklimas bei. Salzwasser ist hoch korrosiv, insbesondere bei höheren Temperaturen, deshalb müssen speziell geeignete Metalle und Legierungen eingesetzt werden, was entsprechende Auswirkungen auf die Anlage-, Unterhalts- und Betriebskosten, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Einrichtungen hat.

[0004] Deutlich weniger Energie als die Destillation verbraucht die Entsalzung mittels Umkehrosmose. Dabei trennt eine semipermeable Membrane das entsalzte vom salzhaltigen Wasser. Letzteres wird einem Druck ausgesetzt, der höher sein muss als der Druck, der durch das osmotische Verlangen zum Konzentrationsausgleich besteht. Obwohl der Energieverbrauch mit Druckaustauschern gesenkt werden kann, ist er bei dieser Entsalzungstechnik immer noch hoch. Auch die Methode der Elektrodialyse dient der Entfernung von Ionen aus Lösungen und kann vorteilhaft durch die erfindungsgemässe Variante der kapazitiven Deionisierung ersetzt werden.

[0005] Elektrodialyse und Umkehrosmose sind membranbasierte Prozesse. Neben den hohen Energiekosten und den Beschaffungskosten tragen einige der Eigenschaften von Membranen zusätzlich zu den Betriebskosten bei. Dies gilt insbesondere für ihre Neigung zum sogenannten „Fouling“. Hierbei handelt es sich um einen meist sehr hartnäckigen Bewuchs mit Bakterien, der zur vollständigen Verblockung der Membrane führen kann. Eine andere Art des Verblockens, sogenanntes „Scaling“, entsteht durch eine Anlagerung von nichtorganischen Teilchen an die Membranwand. Die gebräuchlichste Massnahme gegen Scaling und Fouling ist die Rückspülung. Diese beeinflusst jedoch die Kostensituation zusätzlich negativ, denn sie muss bei stark belasteten Lösungen viertel- bis halbstündlich durchgeführt werden, was einen hohen Energieverbrauch zur Folge hat. Zudem steht die Anlage zu diesem Zeitpunkt still und kann nicht produzieren. Auch der Chemikalienverbrauch und die Entsorgung der Reinigungslösung stellen eine Kostenbelastung dar. Durchschnittlich entstehen bei diesen Verfahren neben 100 Millionen Kubikmetern Trinkwasser täglich auch 160 Millionen Kubikmeter Salzsole. Würden diese umweltgerecht wieder in die Ozeane zurückgeführt, so wäre dies ein echtes Kreislaufsystem. Die Chemikalien, die gegen Scaling und Fouling der Membranen eingesetzt werden müssen, sind jedoch in diesen Solen ebenfalls enthalten und vergiften die Ozeane.

Stand der Technik

[0006] Die Anwendung eines elektrischen Feldes zur Isolierung von Ionen aus wässrigen Lösungen ist als kapazitive Deionisierung („CDI“ = „capacitive deionization“) erstmals 1960 von Blair und Murphy (Electrochemical Demineralization of Water with Porous Carbon Electrodes of Large Surface Area, Blair et al., in Advances in Chemistry 27 (1960), 206) beschrieben worden. Dabei wird ein Elektrolyt, beziehungsweise eine ionenhaltige Flüssigkeit 14, in den Zwischenraum 15 zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden 12,13 eines Kondensators gebracht (Figur 1), wobei die Elektroden eine poröse Schicht aus kohlenstoffbasierendem Material aufweisen. Entsprechend ihrer Polarität wandern die geladenen Teilchen zu der Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung und bilden auf deren Oberfläche eine elektrische Doppelschicht 17 („EDL“ = „Electric Double Layer“), in welcher die Ionen elektrosorbiert werden. Die Deionisierung dauert in einer CDI-Zelle so lange an, bis die Doppelschicht gesättigt ist. Für die darauffolgende Regenerationsphase wird eine Sole in den Zwischenraum gebracht und die Spannung zwischen den Elektroden zurückgesetzt oder sogar umgekehrt. Die Ionen diffundieren aus der Doppelschicht zurück in die Sole. Ein bestimmtes Volumen an Sole wird im Allgemeinen mehrere Male zur Regeneration der Elektroden verwendet, wobei sich die lonenkonzentration in der Sole mit jedem Mal weiter erhöht.

[0007] Im Gegensatz zu den heute zur Entsalzung am meisten verwendeten Methoden, Destillation und Umkehrosmose, wird für die kapazitive Deionisierung CDI vergleichsweise wenig Energie benötigt, weil mit dieser Technik eine geringe Menge Salz von einer grossen Menge Wasser getrennt wird, während bei den vorgenannten Methoden eine grosse Menge Wasser von einer geringen Menge Salz getrennt wird. Trotz dieses wichtigen Vorteils hat die kapazitive Deionisierung bisher nur für wenige, spezielle Anwendungen Eingang in die industrielle Praxis gefunden. Der Grund dafür liegt in den sehr geringen Durchsätzen pro Zeiteinheit, welche CDI-Zellen (oder auch CDI-Module genannt) gemäss dem aktuellen Stand der Technik aufweisen.

[0008] Die Kapazität von CDI-Zellen wächst nachweislich linear mit der angelegten Spannung. Weil schon oberhalb von Spannungen, die über 1.23 V liegen, die Faraday-Reaktion unter Zersetzung des Wassers einsetzt und weitere Nebenreaktionen die Kohlenstoffelektroden irreversibel schädigen, werden in der der Praxis CDI-Zellen lediglich mit Spannungen von weniger als 2 V betrieben. Dies bedingt, dass der Abstand zwischen den Elektroden sehr klein, im Bereich von 50 bis 300 Mikrometern, gehalten werden muss, was entsprechend negative Folgen für die pro Zeiteinheit erzielbare Menge an deionisierter Flüssigkeit hat. Das Ausmass der Elektrosorption hängt neben der angelegten Spannung ab von der Architektur der Vorrichtung und der Art und der Grösse der Poren in den Elektroden.

[0009] In den letzten Jahren wurde deshalb weltweit sehr viel Aufwand für Forschung und Entwicklung getrieben, mit dem Ziel trotz der geringen Spannung die Produktionsleistung von CDI-Vorrichtungen zu steigern. So wurde vorgeschlagen, die lonenlösung statt zwischen den Elektroden („Flow between“) durch diese hindurchzuleiten („Flow through“). Mit dem Einbau von lonenaustauschmembranen vor den Elektroden („MCDI“ = „membrane capacitive deionization“) konnte die Effizienz der Energienutzung verbessert werden, weil so Co-Ionen blockiert werden. Es wurde die Anwendung von Flüssigelektroden vorgeschlagen, bei welchen Suspensionen von Kohlenstoffpartikeln als Elektroden benutzt werden. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Arbeitsweise, weil die getrennten lonenströme nach dem Durchlaufen der Zelle zu einer konzentrierten Sole vereinigt und die suspendierten Kohlenstoffpartikel dabei entladen werden. Sie können nach der Abtrennung erneut in die Zelle eingespeist und wieder als Elektrode verwendet werden. Für kleine Ionen wie das Lithium- oder das Natrium-Kation wurden Elektroden für Interkalation entwickelt. Bei diesen werden die Ionen nicht nur durch elektrische Ladungen gebunden, sondern in Kristallstrukturen eingelagert, ohne dass jedoch deren Struktur verändert wird. Für die Zellarchitektur können neben der Form einer flachen Kammer auch andere Bauweisen wie beispielsweise Wickelmodule zum Einsatz kommen. Eine kompakte Bauweise kann erreicht werden durch die Anordnung von CDI-Kammern in Serie.

[0010] In zahlreichen Publikationen und Patentschriften wurde die Anwendung besonders poröser Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Graphen, Aerogelen oder Nanoröhrchen, beschrieben. Gleichzeitig wurde versucht, die Verteilung der Porengrössen zu optimieren. Die Elektrosorption findet hauptsächlich in den Mikroporen statt, die eine Grösse von weniger als 2 Nanometern aufweisen. Mesoporen mit einer Grösse zwischen 2 und 50 Nanometern verbinden die Mikroporen. Makroporen mit einer Grösse von mehr als 50 Nanometern stellen die durchgehende Verbindung zwischen den einzelnen Partikeln sicher.

[0011] Der Stand der Technik bezüglich kapazitiver Deionisierung CDI ist ausführlich beschrieben von Meijun Lin et al. in Sustainability 14 (2022) 14429. Alle bisher bekannten Varianten der kapazitiven Deionisierung weisen einige gravierende Nachteile auf. Der Durchfluss pro Zeiteinheit und die Bindungskapazität für die Ionen ist gering. Die Herstellung von beschichteten, porösen Elektroden und von semipermeablen Membranen ist aufwendig und teuer. Sie neigen zur Verstopfung und müssen entweder aufwendig gereinigt und mit Chemikalien regeneriert und trotz dieser Massnahmen regelmässig ersetzt werden. Der grösste Nachteil der bisher bekannten CDI-Vorrichtungen und CDI-Verfahren besteht jedoch in der geringen Entsalzungskapazität, respektive der geringen Produktionskapazität entsprechender Anlagen, bedingt durch die Begrenzung der anwendbaren Spannung.

Zusammenfassung der Erfindung

[0012] Entgegen geltender Lehrmeinung, dass die Elektroden für CDI-Verfahren elektrisch leitend sein müssen, wurden überaschenderweise nun ein neuartiges Konzept für ein CDI-Modul bzw. eine CDI-Vorrichtung und ein neues Verfahren zur kapazitiven Deionisierung gefunden, bei welchem die Elektrosorption nicht - respektive nicht nur - an einem elektrisch leitenden Material erfolgt. Das Ziel der Erfindung ist die Deionisierung von Elektrolytlösungen, d.h. lonen-enthaltenden Lösungen, unter Anwendung von hohen Spannungen bis in den Bereich von mehreren hundert Volt, oder sogar mehrere tausend Volt, und damit eine Vervielfachung der Produktionskapazität von CDI-Vorrichtungen. Dies kann erfindungsgemäss erreicht werden durch die Verwendung von ferroelektrischen, statt auf Kohlenstoff basierenden, Materialien. Ferroelektrika bilden beim Anlegen einer Spannung starke Dipole aus, an welchen die Ionen elektrosorbiert werden. Das Auftreten der Faraday-Reaktion wird in erfindungsgemässen Modulen bzw. Vorrichtungen durch die Isolierung von mindestens einer der Elektroden verhindert. D.h. mindestens eine der Elektroden wird mit einer Trennschicht und mit einer auf der Trennschicht aufgebrachten Adsorptionsschicht, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthält, beschichtet. Die nicht mit ferroelektrischem Material beschichtete andere Elektrode besteht in einer Ausführungsform aus einem porösen Material, das auf Kohlenstoff basiert und eine spezifische Oberfläche von mehr als 500 m<2>/g aufweist.

[0013] Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche 1, 12, 16 und 17.

Kurzbeschreibung der Figuren

[0014] Weitere Einzelheiten der Erfindung und insbesondere beispielhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Moduls, der vorgeschlagenen Vorrichtung und des vorgeschlagenen Verfahrens werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: ein aus dem Stand der Technik bekanntes CDI-Modul; Fig. 2: eine erste bevorzugte Ausführungsform eines CDI-Moduls gemäss vorliegender Erfindung; Fig. 3: eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines CDI-Moduls gemäss vorliegender Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

[0015] Im Folgenden wird die Adsorptionsschicht 8, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthält, auch als „ferroelektrische Schicht“ bezeichnet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sie zu 100% aus ferroelektrischem Material besteht. Sie könnte zwar zu 100% aus ferroelektrischem Material bestehen, wird aber in der Regel noch einen gewissen Anteil eines Binders und allenfalls weiteren Hilfsmitteln enthalten.

[0016] Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Modul 1 zur kapazitiven Deionisierung von Ionen-enthaltenden Lösungen 4 ist in Figur 2 gezeigt und umfasst zwei beabstandeten Elektroden 2, 3, wobei die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 einen von der lonen-enthaltenden Lösung durchströmbaren Raum 5 begrenzen, und eine Spannungsquelle 6 für das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3, wobei die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 auf ihrer der anderen Elektrode zugewandten Oberfläche eine elektrisch isolierende Trennschicht 7 und auf der Trennschicht 7 eine Adsorptionsschicht 8 zumindest teilweise aus einem ferroelektrischen Material aufweisen.

[0017] Für die Trennschichten 7 können unabhängig voneinander unterschiedliche Materialien gewählt werden. Bevorzugt wird für die beiden Trennschichten 7 dasselbe Material verwendet. Dies gilt auch für die Adsorptionsschichten 8, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthalten: D.h. für die Adsorptionsschichten 8, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthalten, können unabhängig voneinander unterschiedliche Materialien gewählt werden. Bevorzugt wird jedoch für die beiden Adsorptionsschichten 8, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthalten, dasselbe Material verwendet.

[0018] Für die Elektroden 2 und 3 werden für Elektroden üblicherweise verwendete, leitende Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Aluminium, Edelmetallen oder Graphit verwendet. Die Elektroden können unabhängig voneinander verschieden beschaffen sein. Vorteilhafterweise weisen sie eine aufgeraute oder poröse Oberfläche zur besseren Verbindung mit dem Material der isolierenden nächsten Trennschicht 7 auf, welche als Isolator fungiert. Das Material der Elektroden kann auch beispielsweise auf der Rückseite einer Folie oder einer Leiterplatte aufgebracht sein. Die Elektroden 2 und 3 sind durch eine Trennschicht 7 eines Isolators getrennt vom Raum 5, der vom Elektrolyten durchströmt wird. Die Trennschichten 7 verhindern einerseits den direkten Kontakt der Elektroden mit dem Elektrolyten und der bzw. den Adsorptionsschichten 8, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthalten, gleichzeitig aber auch, dass Ladungen im System wandern können. Beides unterbindet die Faraday-Reaktion und ermöglicht so die Anwendung hoher Spannungen. Die Isolations-, respektive Trennschicht 7 kann unterschiedlich aufgebaut sein. Es kann ein dünner Film aus einem Polymer wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyacryl, Polyester oder Polyvinylidenfluorid aufgebracht werden, der zudem bereits einen Anteil an ferroelektrischem Nanomaterial wie zum Beispiel Bariumtitanat BaTiO3in feiner Verteilung enthalten kann. Solche Filme finden breite Verwendung für den Bau von Kondensatoren. Eine weitere Möglichkeit, die Faraday-Reaktion zu verhindern, besteht darin, die den Elektroden zugewandten Teile der Adsorptionsschicht 8, welche zumindest teilweise ein ferroelektrisches Material enthält, mit einem hydrophoben, zum Beispiel thermoplastischen, Polymer zu versehen, respektive zu imprägnieren. Beim Anlegen einer Spannung werden die ferroelektrischen Domänen in den ferroelektrischen Schichten 8 polarisiert. An den so entstandenen Dipolen bilden sich elektrische Doppelschichten, in welchen die Ionen elektrosorbiert und damit der lonen-enthaltenden Lösung 4 entzogen werden.

[0019] Die ferroelektrischen Schichten 8 können durch einen Abstandshalter räumlich fixiert werden, der die erste beschichtete Elektrode 2 und die zweite beschichtete Elektrode 3 hält und für einen Abstand von bis zu mehreren Millimetern zwischen den ferroelektrischen Schichten 8 sorgt. Beim Anlegen einer Spannung werden die ferroelektrischen Schichten 8 polarisiert. Nun wird eine lonen-enthaltende Lösung 4 in den Raum 5, der durch die beiden Elektroden 2, 3 begrenzt wird, eingebracht. Die Ionen wandern zu den polarisierten ferroelektrischen Schichten 8, und bilden dort jeweils eine elektrische Doppelschicht aus. Es kann zum Beispiel vorgesehen werden, dass sobald die Leitfähigkeit der eingebrachten Lösung einen bestimmten Wert erreicht hat, die Ionen-befreite Lösung aus dem Raum 5 des Moduls 1 ausgebracht wird. Wird die Lösung 4 im Kreislauf durch den Raum 5 zirkuliert und die Leitfähigkeit der Lösung kontinuierlich gemessen, so sinkt dieser Wert beständig ab, bis die elektrischen Doppelschichten gesättigt sind und die Leitfähigkeit einen konstant tiefen Wert erreicht hat. Bei Unterbrechung oder Umkehrung der Spannung diffundieren die Ionen vergleichsweise sehr rasch in die Lösung zurück. Durch dieses Verfahren kann also nicht nur eine De-Ionisierung von Lösungen stattfinden, sondern die Ionen von bestimmten Wertstoffen können in konzentrierter Form gewonnen werden.

[0020] Figur 3 zeigt ein CDI-Modul gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist nur Elektrode 2 mit einer Trennschicht 7 und einer Adsorptionsschicht 8 aus einem ferroelektrischen Material beschichtet. Die zweite Elektrode 3 verfügt über keine Trennschicht, ist jedoch mit einer Adsorptionsschicht 8' aus einem kohlenstoffbasierenden Material beschichtet. Die Trennschicht 7 verhindert einerseits den direkten Kontakt zwischen der Elektrode 2 und dem Elektrolyten und andererseits verhindert sie gleichzeitig, dass Ladungen im System wandern können. Beides unterbindet die Faraday-Reaktion und ermöglicht die Anwendung hoher Spannungen, beispielsweise im Bereich von einigen hundert Volt. Die Trennschicht 7 ist auch hier vorzugsweise 50-100 Mikrometer dick und einen Abstandhalter kann vorgesehen werden. Beim Anlegen einer Spannung werden die zweite Elektrode 3 und die ferroelektrische Schicht 8 der ersten Elektrode polarisiert. Nun wird eine lonen-enthaltende Lösung 4 in den Raum 5, der durch die beiden Elektroden 2 und 3 begrenzt wird, eingebracht. Die Ionen wandern zu der polarisierten ferroelektrischen Schicht 8 bzw. zur der Adsorptionsschicht aus kohlenstoffbasierendem Material 8', und bilden dort jeweils eine elektrische Doppelschicht aus. Es kann zum Beispiel vorgesehen werden, dass sobald die Leitfähigkeit der eingebrachten Lösung einen bestimmten Wert erreicht hat, die Ionenbefreite Lösung aus dem Raum 5 des Moduls 1 ausgebracht wird. Wird die Lösung 4 im Kreislauf durch den Raum 5 zirkuliert und die Leitfähigkeit der Lösung kontinuierlich gemessen, so sinkt dieser Wert beständig ab, bis die elektrischen Doppelschichten gesättigt sind und die Leitfähigkeit einen konstant tiefen Wert erreicht hat. Bei Unterbrechung oder Umkehrung der Spannung diffundieren die Ionen vergleichsweise sehr rasch in die Lösung zurück. Durch dieses Verfahren kann also nicht nur eine De-Ionisierung von Lösungen stattfinden, sondern die Ionen von bestimmten Wertstoffen können in konzentrierter Form gewonnen werden

[0021] Erfindungsgemässe Module 1 verfügen vorteilhafterweise über eine Eintrittsöffnung für die Elektrolytlösung, d.h. die lonen-enthaltende Lösung 4, und eine Austrittsöffnung für die deionisierte Flüssigkeit, d.h. die Ionen-befreite Lösung. Die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung (in den Figuren nicht abgebildet) können identisch sein. Der Abstand zwischen den ferroelektrischen Schichten 8 bzw. zwischen einer ferroelektrischen Schicht 8 und einer Adsorptionsschicht aus kohlenstoffbasierendem Material 8' kann in erfindungsgemässen Modulen bzw. Vorrichtungen deutlich grösser sein, als dies bei den Adsorptionselektroden in CDI-Vorrichtungen gemäss dem Stand der Technik, Figur 1, der Fall ist. Er kann bis zu mehreren Millimeter betragen und ist beispielsweise grösser als 1 mm. Dieser Raum 5 kann vorteilhafterweise durch Abstandhalter, sog. Spacer, durchgängig gehalten. Sie verhindern, dass sich die ferroelektrischen Schichten 8 direkt berühren und bestehen aus einem inerten Material wie beispielsweise Glas, Keramik oder einem Polymer und sind so konstruiert, dass der Fluss der lonen-enthaltenden Lösung 4 möglichst gleichmässig ist, und die Ionen über Kanäle, Öffnungen oder Poren des Abstandhalters die ferroelektrische Schicht(en) 8 oder die Adsorptionsschicht aus kohlenstoffbasierendem Material 8' leicht erreichen und durchdringen können.

[0022] Ferroelektrika sind Perowskite und weisen bei Temperaturen unterhalb des sogenannten Curie-Punktes sehr hohe Dielektrizitätskonstanten auf. Sie können demgemäss durch Anlegen elektrischer Spannung stark polarisiert werden. Wichtige Vertreter dieser Verbindungsklasse sind neben BaTiO3auch PbTiO3, CaTiO3und SrTiO3. Ferroelektrisches Verhalten zeigen aber beispielsweise auch die folgenden Verbindungen: LiNbO3NaNbO3, KNbO3, Pb(0.5Sc0.5Nb)O3, Pb(0.33Mg0.67Nb)O3, Pb(0.33Zn0.67Nb)O3, LiTaO3, PbTa2O6, Pb(0.5Fe0.5Ta)O3, SrBi2Ta2O9, Sm(MoO4)3, Eu2(MoO4)3, Pb5GeO11, SrTeO3. Sie bilden untereinander oft Substitutionsmischkristalle wie zum Beispiel BaTiO3-PbTiO3. Dadurch lässt sich der Umwandlungspunkt, die oben genannte Curie-Temperatur, bei welcher der Wechsel von der paraelektrischen zur ferroelektrischen Konfiguration stattfindet, nach oben und nach unten verschieben. Als wichtige Gruppen solcher Mischkristalle seien hier die PZT- (Blei-Zirkonat-Titanat-) und PLZT- (Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-) Keramiken erwähnt, deren Anwendung in der Elektronikindustrie weit verbreitet ist. Die der Elektrosorption dienenden ferroelektrischen Schichten 8 enthalten vorteilhafterweise das ferroelektrische Material als Partikel, gebildet aus ferroelektrischer Keramik in Form von Nanomaterial im Verbund mit geeigneten Bindern und allenfalls weiteren Hilfsmitteln.

[0023] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Moduls enthält daher mindestens eine ferroelektrische Schicht entweder BaTiO3, PbTiO3, CaTiO3oder SrTiO3oder deren Substitutionsmischkristalle. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind beide Elektroden beschichtet und deren ferroelektrische Schichten enthalten entweder BaTiO3, PbTiO3, CaTiO3oder SrTiO3oder deren Substitutionsmischkristalle.

[0024] Die Herstellung von Präparaten aus Ferroelektrika und Bindern für die ferroelektrische Schicht 8, in welcher die Elektrosorption stattfindet, erfolgt nach bekannten Methoden, wie sie z.B. bei der Herstellung von Pigmentpräparaten für unterschiedliche Einsatzgebiete wie Papierdruck oder Massefärbung von Polymeren angewendet werden. Es sind dies beispielsweise Knetung oder auch Nassmahlung mit anschliessender Zerstäubung. Besonders geeignet ist die Herstellung mittels eines Zweiphasenverfahrens. Dabei wird das Ferroelektrikum in einer Nassmühle desaggregiert, respektive gemahlen, bevorzugt in Wasser zusammen mit der für die Herstellung von Suspensionen empfohlenen Tenside, z. B. aus der Gruppe der Fettalkoholethoxylate und - propoxylate, der Alkylglukoside oder der Octyl- und Nonylphenolethoxylate. Zur Erzielung der gewünschten Teilchengrösse zwischen 100 Nanometern und zwei Mikrometern eignen sich besonders die Mühlen des Typs DYNO-MILL ECM-AP der Firma Willy A. Bachofen AG. Anschliessend wird die wässrige Dispersion mit einer Lösung des gewählten Polymers in einem Lösungsmittel versetzt, das mit Wasser eine Mischungslücke aufweist. Nicht-limitierende Beispiele für organische Lösungsmittel, die mit Wasser eine Mischungslücke aufweisen, sind Methylethylketon („MEK“; 2-Butanon), 4-Methoxy-4-methyl-2-pentanon und Propylencarbonat eingesetzt. Es entstehen zwei getrennte Phasen. Bei Zugabe von weiterem Wasser tritt das Lösungsmittel der organischen Phase schliesslich vollständig in die wässrige Phase über und das gewünschte Präparat fällt als leicht abtrennbares Granulat an. Dieses kann nun, allenfalls unter Zusatz von weiteren, filmbildenden Polymeren und Hilfsmitteln zu einer erfindungsgemässen ferroelektrischen Schicht oder mit einem geeigneten Lösungsmittel zu einem gut auftragbaren Lack verarbeitet werden. Geeignete Polymere, die als Binder für die Partikel der Ferroelektrika eingesetzt werden können sind beispielsweise Polyfluorethylen, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol. Besonders geeignet sind Polymere, die selbst schon ferroelektrische Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise Polyvinylidendifluorid PVDF und dessen Derivate wie die Copolymere mit Trifluoroethylen und die Terpolymere mit Chlorofluoroethylen. Daher enthält das ferroelektrische Material in einer bevorzugten Ausführungsform des Moduls 1 nebst anorganischen Ferroelektrika auch Polymere auf der Basis von PVDF und/oder dessen Co- und/oder Ter-polymere, insbesondere PVDF-Copolymere mit Trifluoroethylen und/oder PVDF-Terpolymere mit Chlorofluoroethylen. Die ferroelektrische Schicht 8 kann aber auch aus einer wässrigen Dispersion des Ferroelektrikums mit einem anorganischen Bindemittel wie beispielsweise Gips aufgebaut werden. Daher enthält das ferroelektrische Material in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Moduls 1 Bariumtitanat als Ferroelektrikum und Gips Ca[SO4] 2H2O als Bindemittel. Zur Erhöhung der Porosität und der Benetzbarkeit können die ferroelektrischen Schichten weitere Zusätze enthalten. Genannt seien SiO2, TiO2, oder Al2O3. Die Dicke der ferroelektrischen Schicht beträgt bevorzugt etwa 500 bis 2000 Mikrometer. Besonders leistungsfähig sind solche Module, deren ferroelektrische Schichten sehr porös sind und eine grosse spezifische Oberfläche aufweisen.

[0025] Von Peng Liang et al. ist in Desalination 420, (2017) 63-69 ein besonders interessanter, kontinuierlicher CDI-Prozess beschrieben worden. Statt fester Elektroden aus Aktivkohle werden Flüssigelektroden aus Kohlenstoffsuspensionen verwendet. Auch dieses Prinzip ist übertragbar auf ein Verfahren, in welchem eine wässrige Dispersion eines Ferroelektrikums, wie sie oben zur Herstellung der ferroelektrischen Schicht beschrieben worden ist, als Flüssigelektroden für ein kontinuierlich arbeitendes, erfindungsgemässes Modul eingesetzt wird. Die Ladung von maximal 2 V kann in dieser Vorrichtung gemäss dem Stand der Technik nur durch direkten Kontakt der Kohlenstoffpartikel mit der Elektrode auf die Kohlenstoffpartikel übertragen werden. Dieser Prozess verläuft vergleichsweise langsam. Hingegen entstehen die Dipole in den Partikeln einer Flüssigelektrode in einem erfindungsgemässen Modul momentan beim Anlegen der Spannung. Die Deionisierung läuft deshalb wesentlich schneller ab.

[0026] Deutlich höhere Werte für die Salzadsorptionskapazität können gemäss dem Stand der Technik mit sogenannten Interkalationselektroden erzielt werden. Dabei werden Ionen nicht elektrosorbiert, sondern in ein Kristallgitter eingebaut. Der Prozess wird als „Hybrid Capacitive Deionization“ („HCDI“) bezeichnet und ist gut beschrieben von Zhenzhen Liu et al. in Global Challenges 2021, 5, 2000054. Als Elektrodenmaterial werden Oxide von Übergangsmetallen wie beispielsweise Mn, Ti, Fe, Ni, und Co, polyanionische Phosphate, Analoge von Preussisch Blau wie beispielsweise AXM[M(CN)6] zH2O (0< x ≤ 2; A = Alkalimetallion wie Na; M = Übergangsmetall wie Fe, Co, Mn etc.) oder spezielle, leitende Polymere eingesetzt. Besonders bevorzugte Beispiele der Übergangsmetalloxide sind MnO2, TiO2, V2O5, NaxMnyOz, NaxCoyOzund NaxTiyOz. Wird in einem erfindungsgemässen Modul eine der beschichteten Elektroden durch eine solche Interkalationselektrode ersetzt, so kann mit hohen Spannungen gearbeitet werden und solche Verfahren mit erfindungsgemässen Modulen bzw. Vorrichtungen werden dadurch deutlich kürzer und damit auch wirtschaftlicher. Solche Interkalationselektroden werden bevorzugt in erfindungsgemässen Modulen oder einer Vorrichtung umfassend mindestens ein solches Modul eingesetzt zur Gewinnung von Lithium aus Lösungen, die aus natürlichen Vorkommen stammen oder aus dem Recycling von Batterien.

[0027] Eine Fachperson kann das erfinderische Grundprinzip in weitem Rahmen anwenden und es auf bekannte Architekturen von CDI-Zellen übertragen. So kann beispielsweise eine der beiden Schichten aus Ferroelektrika ersetzt werden mit einem porösen Material auf der Basis von Aktivkohle oder durch eine Interkalationselektrode. Ein erfindungsgemässes Modul kann auch mit Flüssigelektroden ausgestattet sein. Das erfindungsgemässe System funktioniert auch, wenn nur eine der Elektroden durch eine Trennschicht isoliert ist. Eine Erfindungsgemässe CDI-Vorrichtung umfasst zumindest ein, vorzugsweise mehrere, erfindungsgemässe CDI-Module, wobei diese Module vorteilhafterweise in Reihe geschaltet sind.

[0028] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur kapazitiven Deionisierung von lonen-enthaltenden Lösungen 4, insbesondere wässrigen lonen-enthaltenden Lösungen, in einem wie oben näher beschriebenen erfindungsgemässen Modul 1 oder in einer erfindungsgemässen Vorrichtung, welches folgende Schritte aufweist: a) Einbringen einer lonen-enthaltenden Lösung 4 in den von der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 begrenzten Raum 5; b) Anlegen einer Spannung mit der Spannungsquelle 6, wodurch sich die Ionen der lonen-enthaltenden Lösung 4 jeweils zu der oder den polarisierten Schicht/en 8 der beschichteten Elektrode/n bzw. zu der Adsorptionsschicht aus zumindest teilweise kohlenstoffbasierendem Material 8' bewegen, so dass eine Ionenbefreite Lösung erhalten wird; c) Ausbringen der Ionen-befreiten Lösung aus dem Raum (5) bevorzugterweise dann, wenn die Leitungsfähigkeit der Ionen-befreiten Lösung einen bestimmten Wert erreicht hat.

[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die angelegte Spannung höher als 2 V, bevorzugt ist die angelegte Spannung im Bereich von 2-10000 V, 2-5000 V, 2-1000 V, 2-500 V, 2-250 V oder 2-100 V.

[0030] Zur Desorption der in der/n ferroelektrischen Schicht/en 8 bzw. der Adsorptionsschicht aus zumindest teilweise kohlenstoffbasierendem Material 8' adsorbierten Ionen wird das Verfahren um die folgenden zwei weiteren Schritte ergänzt: d) Unterbrechen oder Umkehren der Spannung, wodurch die an der oder den ferroelektrischen Schicht/en 8 bzw. der Adsorptionsschicht aus zumindest teilweise kohlenstoffbasierendem Material 8' adsorbierten Ionen in eine in den Raum 5 eingebrachte Lösung diffundieren, so dass eine an Ionen-angereicherte Lösung erhalten wird; e) Ausbringen der in Schritt d) erhaltenen an Ionenangereicherten Lösung aus dem Raum 5.

[0031] Das erfinderische Verfahren der Deionisierung mit Ferroelektrika unter Anwendung hoher Spannung in Kombination mit der Verhinderung der Faraday-Reaktion durch die Isolierung von mindestens einer der spannungsgebenden Elektroden kann vielseitig eingesetzt werden, beispielsweise für die Meerwasser- und die Brackwasserentsalzung, ferner für die Aufarbeitung von industriellen oder kommunalen Abwässern, für die Entfernung von Schwermetallen wie beispielsweise Blei, Arsen, Chrom, ebenso wie von anderen anorganischen Verunreinigungen wie beispielsweise Sulfaten, Nitraten, Fluoriden, Bromiden, Boraten. Es ist auch geeignet für die Entsalzung von Biomassenhydrolysaten und die Entfernung von organischen Verunreinigungen wie Antibiotika, Pestiziden oder Farbstoffen, für die Reinigung von Insulin und für die Wasserdesinfektion, andererseits auch für die Gewinnung respektive Rückgewinnung von Wertstoffen wie beispielsweise Lithium, insbesondere aus wässrigen Lösungen, sowie die Rückgewinnung von Metallen aus den Abwässern von Erzminen oder Galvanisierungsanlagen.

[0032] Von besonderem Interesse ist der Einsatz von erfindungsgemässen Modulen, Vorrichtungen und Verfahren in Kombination mit anderen Verfahren zur Wasseraufbereitung, zum Beispiel nach einer Wasseraufbereitung mittels Umkehrosmose oder Nanofiltration, als sogenanntes „Polishing“ zur Entfernung letzter Reste von Ionen bei der Herstellung von Reinstwasser für die Elektronik- oder die Pharmaindustrie. Schliesslich können die erfindungsgemässen Module, Vorrichtungen und Verfahren zur Entfernung von radioaktiven Ionen wie zum Beispiel Cäsium aus dem Abwasser von Atomkraftwerken verwendet werden.

[0033] Erfindungsgemässe Verfahren sind wirtschaftlich, umweltfreundlich, vergleichsweise einfach, sicher und robust. Sie können bei Raumtemperatur durchgeführt werden, benötigen wenig Energie und diese kann zu grossen Teilen zurückgewonnen werden. Die eingesetzten Materialien sind leicht erhältlich und ihre Adsorptionsfähigkeit nimmt auch nach sehr vielen Zyklen nicht ab. Die Regeneration ist einfach und benötigt keine Chemikalien. Im Gegensatz zu auf Kohlenstoff basierenden Adsorptionselektroden neigen Ferroelektrika nicht zu schädlichen Nebenreaktionen wie anodische Oxidation und kathodische Reduktion. Dank der pro Zeiteinheit erzielbaren grossen Durchflussmengen ist das erfindungsgemässe Verfahren deutlich wirtschaftlicher als die Verfahren gemäss dem Stand der Technik.

[0034] Die Erfindung wird nun in folgendem nicht-limitierendem Beispiel näher erläutert.

Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemässen Moduls

[0035] Auf eine Polymerfolie oder -Platte, die auf der Rückseite eine Kupferschicht aufweist, wird eine wässrige Dispersion von achtzig Prozent BaTiO3, beispielsweise Produkt 745952 von Sigma Aldrich („nanopowder (cubic)“, 50 nm (SEM)) mit einer Partikelgrösse kleiner als 2 Mikrometer und zwanzig Prozent Gips als ferroelektrische Schicht appliziert. Je nach Viskosität der Dispersion und Art des Auftrags (Tauchverfahren, Rakeln, Ziehstab oder Schleudern) beträgt die Schichtdicke der ferroelektrischen Schicht nach dem Trocknen etwa 500 bis 1'000 Mikron. Durch mehrfaches Auftragen kann die Schichtdicke auch deutlich erhöht werden. Zwei solcher Verbundelektroden werden spiegelbildlich montiert im Sandwich mit einer Gummiplatte von 1 Millimeter Dicke, die Öffnungen für den Durchtritt der lonen-enthaltenden Lösung aufweist und mit zwei Deckplatten gut zusammengepresst, verschraubt und abgedichtet. Wird in diesem erfindungsgemässen Modul beispielsweise eine Spannung von 100 V angelegt, eine Elektrolytlösung im Kreislauf zirkuliert und die Leitfähigkeit kontinuierlich gemessen, so nimmt diese vergleichsweise sehr schnell ab und die Sättigung wird rasch erreicht. D.h. dass die in der Lösung enthaltenen Ionen an den ferroelektrischen Schichten adsorbiert wurden. Die Ionen-befreite Lösung kann nun entnommen werden, durch das Einbringen einer geringen Menge an Wasser in das Modul. Wird bei unterbrochener Spannung weiter zirkuliert, so steigt die Leitfähigkeit kurzzeitig massiv an, da die adsorbierten Ionen nun wieder in die zirkulierende Lösung zurück diffundieren. Dadurch wird eine an Ionen angereicherte Lösung erhalten. Unter Verwendung von Ferroelektrika ist also eine Deionisierung mit hoher Spannung möglich.

Bezugszeichenliste

[0036] 1, 10 Modul zur kapazitiven Deionisierung 2, 12 erste Elektrode 3, 13 zweite Elektrode 4, 14 lonen-enthaltende Lösung 5, 15 Raum, der durch die erste und zweite Elektrode begrenzt wird 6, 16 Spannungsquelle 7 Trennschicht 8 ferroelektrische Schicht 8' Adsorptionsschicht aus zumindest teilweise kohlenstoffbasierendem Material 17 von den adsorbierten Ionen ausgebildete Schicht

Claims (19)

1. Ein Modul (1) zur kapazitiven Deionisierung einer Ionen-enthaltenden Lösung (4), insbesondere einer wässrigen Ionen-enthaltenden Lösung, umfassend zwei beabstandeten Elektroden (2, 3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) einen von der lonen-enthaltenden Lösung durchströmbaren Raum (5) begrenzen, und eine Spannungsquelle (6) für das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2,3), dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten Elektrode (2) oder der zweiten Elektrode (3) auf ihrer der anderen Elektrode zugewandten Oberfläche eine elektrisch isolierende Trennschicht (7) und auf der Trennschicht (7) eine Adsorptionsschicht (8) zumindest teilweise aus einem ferroelektrischen Material aufweist, wobei die nicht mit einer Trennschicht (7) beschichtete Elektrode auf ihrer der andere Elektroden zugewandten Oberfläche eine Adsorptionsschicht (8,8') zumindest teilweise aus einem ferroelektrischen Material oder zumindest teilweise aus einem kohlenstoffbasierenden Material aufweist

2. Das Modul (1) nach Anspruch 1, wobei die von der ersten oder zweiten Elektrode nicht mit einer Trennschicht (7) beschichtete Elektrode aus einem kohlenstoffbasierenden und porösen Material besteht, das vorzugsweise eine spezifische Oberfläche von mehr als 500 m<2>/g aufweist.

3. Das Modul (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) auf ihrer der anderen Elektrode zugewandten Oberfläche jeweils eine elektrisch isolierende Trennschicht (7) und auf der Trennschicht (7) eine Adsorptionsschicht (8) zumindest teilweise aus einem ferroelektrischen Material aufweisen.

4. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, wobei die erste und die zweite Elektrode eine ein ferroelektrisches Material enthaltende Flüssigelektrode mit einer Teilchengrösse des ferroelektrischen Materials von weniger als 2 µm sind, bevorzugt mit einer Teilchengrösse des ferroelektrischen Materials in einem Bereich von 0,01 bis 2 µm.

5. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, wobei der Abstand zwischen den Adsorptionsschichten (8,8') der beiden Elektroden (2) und (3) grösser als 1 mm ist.

6. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, wobei das ferroelektrische Material Partikeln mit einer Grösse von 0.01 bis 2 µm aufweist.

7. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei das ferroelektrische Material entweder BaTiO3, PbTiO3, CaTiO3oder SrTiO3oder deren Substitutionsmischkristalle enthält.

8. Das Modul (1) nach Anspruch 7, wobei das ferroelektrische Material BaTiO3als Ferroelektrikum und Ca[SC4] 2H2O als Bindemittel enthält.

9. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, wobei das ferroelektrische Material nebst anorganischen Ferroelektrika organische Polymere enthält, die bevorzugterweise ebenfalls ferroelektrisch sind, wobei das ferroelektrische Material besonders bevorzugt nebst anorganischen Ferroelektrika Polymere auf der Basis von Polyvinylidendifluorid und/oder dessen Co- und/oder Ter-Polymere enthält, insbesondere dessen Copolymere mit Trifluoroethylen und/oder dessen Terpolymere mit Chlorofluoroethylen.

10. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, umfassend einen Abstandhalter für das Halten der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei der Abstandhalter vorzugsweise aus Glas, aus Keramik oder aus Polymeren besteht.

11. Das Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, wobei die beschichtete Elektrode eine Interkalationselektrode aus Oxiden von Übergangsmetallen, polyanionischen Phophaten, Analogen von Preussisch Blau oder einem leitenden Polymer ist.

12. Ein Verfahren zur kapazitiven Deionisierung von Ionen-enthaltenden Lösungen, insbesondere wässrigen lonen-enthaltenden Lösungen, mit einem Modul (1) gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, welches folgende Schritte aufweist: a) Einbringen einer lonen-enthaltenden Lösung (4) in den von der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) begrenzten Raum (5); b) Anlegen einer Spannung mit der Spannungsquelle (6), wodurch sich die Ionen der lonen-enthaltenden Lösung (4) jeweils zu der oder den polarisierten ferroelektrischen Adsorptionsschicht/en (8) bzw. zu der Adsorptionsschicht aus zumindest teilweise kohlenstoffbasierendem Material (8') bewegen, so dass eine Ionen-befreite Lösung erhalten wird; c) Ausbringen der Ionen-befreiten Lösung aus dem Raum (5) bevorzugterweise dann, wenn die Leitungsfähigkeit der Ionen-befreiten Lösung einen bestimmten Wert erreicht hat.

13. Das Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung höher als 2 V ist, bevorzugt dass die angelegte Spannung im Bereich von 2-10000 V, 2-5000 V, 2-1000 V, 2-500 V, 2-250 V oder 2-100 V ist.

14. Das Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden (2,3) mindestens 10000 V/m beträgt.

15. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, dass es die weiteren Schritte enthält: d) Unterbrechen oder Umkehren der Spannung, wodurch die an der oder den ferroelektrischen Adsorptionsschicht/en (8) bzw. an der Adsorptionsschicht aus zumindest teilweise kohlenstoffbasierendem Material (8') adsorbierten Ionen in eine in den Raum (5) eingebrachte Lösung diffundieren, so dass eine an Ionen-angereicherte Lösung erhalten wird; e) Ausbringen der in Schritt d) erhaltenen an Ionenangereicherten Lösung aus dem Raum (5).

16. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet, dass die lonen-enthaltende Lösung Meerwasser oder Brackwasser oder industrielles Abwasser oder kommunales Abwasser oder Biomassenhydrolysat oder Abwasser von Erzminen oder Abwasser von Galvanisierungsanlagen ist.

17. Eine Vorrichtung zur kapazitiven Deionisierung einer Ionen-enthaltenden Lösung umfassend zumindest ein Modul (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.

18. Verwendung eines Moduls nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 17 zur: – Wasseraufbereitung, Meerwasserentsalzung oder zur Brackwasserentsalzung oder zur Aufarbeitung von industriellen oder kommunalen Abwässern, zur Entfernung von Schwermetallsalzen wie beispielsweise Blei, Arsen, Chrom, ebenso wie von anderen anorganischen Verunreinigungen wie beispielsweise Sulfaten, Nitraten, Fluoriden, Bromiden, Boraten; – Entsalzung von Biomassenhydrolysaten und zur Entfernung von ionischen organischen Verunreinigungen wie Antibiotika, Pestiziden oder Farbstoffen, zur Reinigung von Insulin und zur Wasserdesinfektion, zur Gewinnung von Wertstoffen aus wässrigen Lösungen, zur Rückgewinnung von Metallen aus den Abwässern von Erzminen oder Galvanisierungsanlagen; – Entfernung letzter Reste von Ionen bei der Herstellung von Reinstwasser für die Elektronik- oder die Pharmaindustrie; und/oder – Entfernung von radioaktiven Ionen wie zum Beispiel Cäsium aus dem Abwasser von Atomkraftwerken.

19. Die Verwendung nach Anspruch 18, wobei ein Modul nach einem der Ansprüche 1-11, insbesondere ein Modul nach Anspruch 11, oder eine Vorrichtung umfassend mindestens ein Modul nach Anspruch 11 eingesetzt wird zur Gewinnung von Lithium aus Lösungen, die aus natürlichen Vorkommen stammen oder aus dem Recycling von Batterien.