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深共晶溶剂流电极在高压脱盐中的应用：基于流电极电容去离子技术的新型高效脱盐策略
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年07月19日 来源：Desalination 8.4
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为解决传统水基流电极在电容去离子(FCDI)系统中电压限制(1.23 V)导致的效率瓶颈，研究人员创新性地采用胆碱氯化物-尿素(ChCl-U)深共晶溶剂(DES)作为流电极电解质。通过掺杂20 wt%水优化粘度与电导率，在2.2 V高压下实现83%脱盐效率和0.17 mg/cm2·min脱盐速率，1H NMR证实产物无溶剂残留。该研究为开发高效FCDI系统提供了新思路。
全球淡水资源短缺与水质恶化正成为严峻挑战，传统脱盐技术如反渗透(RO)能耗高，而电容去离子(CDI)技术又受限于间歇操作和电极污染问题。流电极电容去离子(FCDI)虽能实现连续运行，但水基电解质在超过1.23 V时会发生电解，不仅浪费能量还会因pH波动影响出水质量。如何突破电压限制、提升脱盐效率，成为该领域亟待解决的科学难题。
为攻克这一瓶颈，研究人员将目光投向深共晶溶剂(DES)——这种由氢键供受体组成的低共熔混合物，具有比水更宽的电化学窗口。研究团队选择成本低廉、易获取的胆碱氯化物-尿素(ChCl-U)体系，通过系统调控其流变学特性和电化学行为，首次将其应用于FCDI流电极。相关成果发表在《Desalination》期刊。
研究采用循环伏安法(CV)验证DES的电压稳定性，结合流变仪和电化学阻抗谱(EIS)分析水掺杂对粘度、电导率的影响。采用单循环独立浓缩室(SCSC)构型的FCDI装置，在2.2 V高压下测试不同水含量(10-30 wt%)DES流电极的脱盐性能，通过1H NMR和差示扫描量热法(DSC)表征溶剂稳定性。
3.1 DES流电极的流变学与稳定性
CV曲线显示ChCl-U在2.2 V内保持准矩形响应，远优于水基电解质的1.23 V极限。掺杂20 wt%水使粘度从1.14 Pa·s降至0.04 Pa·s，电导率提升至27.29 mS/cm。频率扫描显示该配方具有独特弹性主导(G′>G″)的凝胶特性，DSC证实其熔点低至-20°C，确保低温适用性。
3.2 脱盐性能对比
传统1 g/L NaCl流电极在1.2 V时脱盐效率仅79%，且出水pH升至9。而20 wt%水含量的DES流电极在2.2 V下实现83%效率，脱盐速率达0.17 mg/cm2·min，出水pH稳定在7.5-8.2。30 wt%水配方虽电流提升至94 mA，但因DES结构破坏导致pH异常升高。
3.3 溶剂迁移分析
1H NMR谱图证实，得益于阴离子交换膜的阻隔作用，稀释流中未检测到ChCl或尿素信号，表明DES组分未发生跨膜迁移。
该研究开创性地证明DES流电极可突破传统FCDI的电压限制，通过"高压不电解"特性将操作窗口扩展79%。优化的20 wt%水-ChCl-U配方在效率、速率与水质间取得最佳平衡，其凝胶态特性可能促进电极颗粒的导电网络形成。虽然DES成本(约�1.6/kg)高于盐水电解质，但更高的能量利用率可抵消膜面积需求，为开发新一代高压脱盐系统奠定基础。未来需进一步研究DES长期接触对离子交换膜稳定性的影响，以及工业化放大后的经济可行性。
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