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)研究成果以“Flow-electrode capacitive deionization utilizing three-dimensional foam current collector for real seawater desalination”為題發(fā)表在 Water Research ( Water Res., 220, 118642(2022)) 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，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，近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注，并被作為未來實(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)行電場和流場模擬發(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。

　　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家重大研發(fā)專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)目的支持。

　　(來源：中科院固體物理研究所)