海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，常見(jiàn)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(shí)現(xiàn)水資源利用的開(kāi)源增量技術(shù)，可以增加淡水總量，且不受時(shí)空和氣候影響，可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補(bǔ)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(guó)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(tuán)隊(duì)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(dú)特的泡沫結(jié)構(gòu)增強(qiáng)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如高效的能源利用效率、相對(duì)較低的造價(jià)成本及對(duì)環(huán)境十分友好，近年來(lái)受到研究人員的廣泛關(guān)注，并被作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的新型海水淡化候選技術(shù)之一。
其中，流動(dòng)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(wú)限吸附容量和較高的鹽離子吸附速率，一度被認(rèn)為是進(jìn)行高效海水脫鹽和資源富集濃縮的強(qiáng)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(wèn)題，這削弱了集流體對(duì)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(duì)集流體進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而擴(kuò)大電荷傳輸面積和減小電荷傳輸距離，對(duì)提高FCDI脫鹽性能和推動(dòng)海水凈化工業(yè)化進(jìn)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(lái)增強(qiáng)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(lái)提高集流體對(duì)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(guò)程，提高了FCDI裝置脫鹽能力(圖1)。對(duì)不同孔徑的集流體進(jìn)行電場(chǎng)和流場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)，孔徑在30ppi時(shí)，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(shí)，在脫鹽實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步對(duì)模擬海水、南海和黃海海水分別進(jìn)行脫鹽測(cè)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(dá)到99.9%，能成功將海水淡化。該工作對(duì)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(jìn)具有深遠(yuǎn)意義。
上述工作得到了科技部國(guó)家重大研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)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(chǎng)模擬圖；(b) 三維泡沫集流體電場(chǎng)模擬圖；(c) 傳統(tǒng)二維平面裝置有效電場(chǎng)分布圖；(d) 三維泡沫集流體有效電場(chǎng)分布圖。
圖3. (a) 模擬海水長(zhǎng)期脫鹽試驗(yàn)；(b) 不同海水樣品的除鹽效率；(c) 黃海和(d)南海真實(shí)海水樣品的長(zhǎng)期脫鹽試驗(yàn)。
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