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电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

地球是一个名副其实的水球,70%的地球表面被水所覆盖;而这些水中97%的是海洋中的水,仅有3%的淡水资源;可怜的是这3%中的淡水资源,大部分都被冻住了。因此,人类活动能使用的水是少之又少的。对于一些靠海的地区,海水淡化成为了一种获得饮用水的重要方法。

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

图1

 

海水淡化的技术有很多种,如电渗析法、蒸馏法、反渗透法等。近年来,电容去离子(CDI)作为一种海水淡化的技术,逐渐受到人们的关注。利用电化学方法去除溶液中的盐离子的概念最早见于1960年美国内政部的文件,1996由 Farmer等研究人员命名为电容去离子(CDI)。CDI被认为是一种更加节能的海水淡化方式,这主要是因为其他的海水淡化技术是需要将水取出来,而CDI是将海水中的更加少量的盐分离出来。

 

电容脱盐的原理和超级电容器一样,都是遵循双电层吸附机理,既:在带电电极界面会吸附电荷相反的离子;(吸附层分为stern 层和扩散层)正负离子在界面相互吸引构建的双电层不仅仅储存了能量,而且也储存了离子。电容脱盐(CDI)正是基于这种机理从而可以将溶液中的离子去除。吸附后的离子,依靠正负极的短接就可以将吸附的离子释放出来,因此电极材料可以反复使用。由于和超级电容器有很多共同点,因此CDI材料的设计可以借鉴超级电容器材料的设计思路。炭材料也是最早被应用于CDI的电极材料。

电容去离子的测试装置

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

图2

 

CDI的测试时在流动的液体中进行的。如图2所示,使用电极材料组装成对称装置,电极之间采用隔网分开,防止电极接触,并能保证电解质溶液能顺利流动。溶液中的盐离子浓度主要是通过电导率仪来间接的测试。对于强电解质(NaCl),在较低的浓度下,溶液的电导率和盐离子的浓度是成正相关关系的。因为溶液的电导率也受到温度的影响,因此测试过程中需要保持恒定的温度。

电容脱盐性能评价:

(1)      恒电压法

对于组装好的对称电极施加恒定的电压,测试电导率随着时间的变化(图3),也可以转化成溶液中盐浓度随着时间的变化。恒电压法能够精确的控制装置的电压窗口,保证器件能够在水溶液的稳定电压窗口能进行脱盐。

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

图3

 

(2)      恒电流法

对于组装好的对称电极施加恒定的电流,测试电导率随着时间的变化,也可以转化成溶液中盐浓度随着时间的变化。恒电流法一般较少使用,主要因为是随着脱盐过程的进行,溶液中的离子浓度会下降;为了维持电流,两端施加的电压会升高,有可能会超过水的分解电压,因此较少使用。

(3)      电容脱盐的循环稳定性测试一般采用恒压方式来进行,在脱盐时,施加恒定的电压;并测试溶液电导率随时间的变化;达到一定的脱盐量后,对电极材料进行正负极短接,吸附的离子会释放到溶液中去,溶液电导率增加。如此反复测试,可以表征材料脱盐的循环使用寿命。

脱盐性能评价中需要有三个比较重要的参数:脱盐量(SAC)、脱盐速率(SAR)和电荷效率和电荷效率(如下表所示)。

 

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

图4

脱盐的电压,初始盐的浓度和溶液的流速对于脱盐性能具有重要的影响。如图4所示,随着电压的升高,材料的脱盐量和脱盐速度都有增加。不过脱盐的电压不能高于水的分解电压,否则会造成水的电解。初始盐浓度增加,材料的脱盐量会上升;而合适的流速是保证良好脱盐性能的关键。除此之外,电极材料的孔道结构以及制备电极的密实程度,则对材料的脱盐速率有很大的影响。如图5所示,材料的压的比较紧实且没有大孔的时候,溶液迁移的通道较少,因此溶液扩散的速度较慢,而过于松散的结构则会导致较长的扩散通道。

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

图5

电容去离子(CDI):海水淡化技术了解一下

图6

当然除了这些外在因素对材料脱盐性能的影响,材料本身的性质对于脱盐性能起决定性作用。在超级电容器中,炭材料的孔径大小,孔结构,以及材料的表面的亲疏水性质对材料的电容性能影响很大;炭材料的这些性质也影响着材料的脱盐性能。但是对于超级电容器来讲,溶液中离子的重排也能带来能量的储存,但是对于脱盐来讲,却没有贡献吸附量。如图6所示:当对材料提供两个电子的时候,为了维持电荷平衡,有可能会出现三种情况:(1)直接吸附两个电荷相反离子(对脱盐有贡献);(2)排出两个电荷相反的电荷(对脱盐有相反的贡献);(3)吸附一个电荷相反的离子,排出一个电荷相同的离子(对脱盐没有贡献);这三种情况对于电容的消耗是相同的,但是对于脱盐的贡献却不同。电极材料在进行脱盐过程中,三种情况都会存在,这是导致电极材料电荷效率降低的原因之一。(未完待续。。。)

 

参考文献:

1. Capacitive Deionization — defining a class of desalination technologies. arXiv:1709.05925 Freely accessible [physics.app-ph].

2. Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2296–2319.

3. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 13907–13943

4. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 470–496

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