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科學島團隊在電容去離子技術(shù)海水淡化研究方面取得進

2022-06-15 16:41:21來源：中科院合肥物質(zhì)科學研究所 閱讀量：145 評論

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　　海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，常見方法有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法、以及碳酸銨離子交換法等。海水淡化是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補水等穩(wěn)定供水。
 
　　淡水如果能被大規(guī)模生產(chǎn)，將有效減輕用水壓力，因此世界各國都非常重視，投入了大量科研力量。近期，中科院合肥研究院固體所環(huán)境與能源納米材料中心團隊基于電容去離子技術(shù)發(fā)展了三維泡沫集流體用于海水淡化，利用其獨特的泡沫結(jié)構(gòu)增強集流體與碳漿料之間的電荷傳輸能力，大幅度提高海水脫鹽性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在 Water Research上。
 
　　電容去離子技術(shù) (Capacitive deionization, CDI) 作為一種新興的海水淡化技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的反滲透和電滲析技術(shù)，擁有著得天獨厚的優(yōu)勢，如高效的能源利用效率、相對較低的造價成本及對環(huán)境十分友好，近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注，并被作為未來實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標的新型海水淡化候選技術(shù)之一。
 
　　其中，流動電極電容去離子技術(shù) (Flow electrode capacitive deionization, FCDI) 作為電容去離子技術(shù)的分支，利用活性炭水溶液在裝置內(nèi)形成雙電層吸附鹽離子的原理，憑借著偽無限吸附容量和較高的鹽離子吸附速率，一度被認為是進行高效海水脫鹽和資源富集濃縮的強有力技術(shù)。
 
　　然而，目前的FCDI工藝仍存在電荷傳輸面積有限和電荷傳輸距離較大等問題，這削弱了集流體對活性炭水溶液的電荷傳輸能力，大大降低了FCDI裝置的脫鹽性能。因此，對集流體進行優(yōu)化，進而擴大電荷傳輸面積和減小電荷傳輸距離，對提高FCDI脫鹽性能和推動海水凈化工業(yè)化進程至關(guān)重要。
 
　　鑒于此，研究人員發(fā)展了一種三維泡沫結(jié)構(gòu)式集流體來增強FCDI的脫鹽性能，利用其復(fù)雜的傳質(zhì)孔道、孔道內(nèi)較小的電荷傳輸距離和泡沫表面較大的電荷傳輸面積來提高集流體對碳漿料的電荷傳輸。
 
　　與傳統(tǒng)FCDI裝置相比，新型三維泡沫集流體取代了傳統(tǒng)的二維平面集流體，這使得流道內(nèi)的碳漿料能夠更好地完成電荷傳輸過程，提高了FCDI裝置脫鹽能力(圖1)。對不同孔徑的集流體進行電場和流場模擬發(fā)現(xiàn)，孔徑在30ppi時，泡沫集流體擁有較少的低流速區(qū)域和較大的有效電荷傳輸區(qū)域(圖2)。
 
　　同時，在脫鹽實驗中發(fā)現(xiàn)，30ppi的泡沫集流體具有3.29μmol cm-2 min-1的平均脫鹽速率和93%的電荷傳輸效率。研究人員進一步對模擬海水、南海和黃海海水分別進行脫鹽測試，結(jié)果表明三維泡沫集流體FCDI裝置具有優(yōu)異的海水淡化性能，脫鹽率達到99.9%，能成功將海水淡化。該工作對后續(xù)電容去離子技術(shù)凈水領(lǐng)域的發(fā)展和工業(yè)化推進具有深遠意義。
 
　　上述工作得到了科技部國家重大研發(fā)專項和國家自然科學基金委基金項目的支持。
 


圖1. (a) 傳統(tǒng)二維平面裝置與 (b) 三維泡沫集流體裝置電荷傳輸路徑圖。
 

 

　　圖2. (a) 傳統(tǒng)二維平面裝置電場模擬圖；(b) 三維泡沫集流體電場模擬圖；(c) 傳統(tǒng)二維平面裝置有效電場分布圖；(d) 三維泡沫集流體有效電場分布圖。
 

 

　　圖3. (a) 模擬海水長期脫鹽試驗；(b) 不同海水樣品的除鹽效率；(c) 黃海和(d)南海真實海水樣品的長期脫鹽試驗。
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