Electrochemical Impedance Spectroscopy and Kinetics of Chloride Ion Removal by Electroadsorption

doi:10.7503/cjcu20220528

Abstract

Abstract:

The dynamics of electroadsorption faces the problem of large experimental workload， and can’t directly reveal the rate control steps. In this study， a method to determine the relaxation time of Cl^- adsorbed on activated carbon was proposed based on electrochemical impedance spectroscopy. The speed control step was determined according to the relaxation time. The effects of anode potential， pretreatment time and pretreatment concentration on the electrochemical process were studied. Based on the obtained electrochemical impedance spectroscopy， the relaxation time and coverage of electroadsorbed Cl^- under different conditions were obtained. The results show that the Nyquist plots obtained under different conditions are composed of a capacitive reactance arc and an inductive reactance arc， which represent the charge transfer process of Cl^- on the anode and the adsorption process of Cl^- on the activated carbon electrode， respectively. The relaxation time can be effectively shortened by anode polarization. When the anode polarization is applied， the relaxation time is 2.0×10^-5 s. With the increase of pretreatment time， the relaxation time gradually increases. When the pretreatment time is 180 min， the relaxation time increases to 4.9×10^-5 s. The effect of pretreatment concentration on relaxation time is negligible. The relaxation time shows that the adsorption rate of Cl^- is slower than the diffusion rate， and adsorption is the speed control step of the electroadsorption process. The electrode surface coverage is low， only 10^-4 orders of magnitude. This method is more accurate and intuitive than the kinetic model fitting to determine the control steps， and provides a theoretical and methodological basis for the study of electroadsorption process dynamics.

Key words: Chloride ion, Capacitive deionization, Electrochemical impedance spectroscopy, Dynamics, Relaxation time

CLC Number:

O646.5

TrendMD:

SUN Zhumei, FU Jie, LI Xin, WANG Haifang, LU Jing, TONG Tianxing, ZHU Mingfei, SHU Yude, WANG Yunyan. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Kinetics of Chloride Ion Removal by Electroadsorption[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220528.

Figures/Tables 10

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Anode potential/V	R_a/Ω	R_t/Ω	Anode potential/V	R_a/Ω	R_t/Ω
OCP	42.90	9.60	1.2	51.26	4.80
0.9	46.29	4.40	1.5	55.63	3.20

Anode potential/V	R_a/Ω	R_t/Ω	Anode potential/V	R_a/Ω	R_t/Ω
OCP	42.90	9.60	1.2	51.26	4.80
0.9	46.29	4.40	1.5	55.63	3.20

Time/min	R_a/Ω	R_t/Ω	Time/min	R_a/Ω	R_t/Ω
30	49.15	3.5	120	60.59	5.4
60	51.05	4.8	180	62.39	4.0

Time/min	R_a/Ω	R_t/Ω	Time/min	R_a/Ω	R_t/Ω
30	49.15	3.5	120	60.59	5.4
60	51.05	4.8	180	62.39	4.0

c（Cl^-）/（g·L^-1）	R_a/Ω	R_t/Ω	c（Cl^-）/（g·L^-1）	R_a/Ω	R_t/Ω
1.5	26.17	2.25	3.0	15.86	0.80
2.0	23.58	1.20	4.0	13.62	0.90