利用分级电场和电极盐度进行多级流动电极电容去离子的海水淡化

《Desalination》：Seawater desalination by multistage flow-electrode capacitive deionization with graded electric field and electrode salinity

本研究提出多阶段流电极电容去离子（MS-FCDI）策略，通过梯度电场（1.0-3.2V）和电极盐浓度调控（20-35g/L），显著提升海水淡化脱盐效率至99%以上，同时降低比能耗21%-30%。实验表明三阶段和六阶段配置相比单阶段能效更高，且维持线性电压电流特性。 techno-economic分析验证了三阶段配置的工程可行性，实现稳定pH（8.5）和低能耗（21.3-22.1kWh/m3）。

　　海水淡化技术在应对自然灾害对淡水资源的影响、解决全球水资源短缺以及缓解地区性缺水问题中扮演着重要角色。随着人口增长和气候变化的加剧，对高效、可持续的海水淡化方法的需求日益增加。传统的海水淡化技术，如热驱动法（如多效蒸馏和多级闪蒸）和压力驱动膜工艺（如超滤和反渗透），虽然已广泛应用于实际中，但它们通常面临较高的能耗、昂贵的维护成本以及可能产生二次污染等挑战。因此，科学家们一直在探索更高效、更环保的替代方案。

近年来，膜电容去离子（MCDI）技术因其较低的预处理要求、易于操作、离子选择性和环境可持续性而受到关注。然而，MCDI在处理高盐度水时受到限制，主要是由于固定电极的有限电荷存储能力和电极的退化问题，导致需要间歇运行和定期维护，从而增加了能耗。为了解决这一问题，研究人员提出了流电极电容去离子（FCDI）技术，该技术通过将固定电极替换为可流动的电极——碳基浆料——实现了连续运行和高效处理高盐度水的能力。流电极浆料可以在电极室和再生模块之间不断循环，这使得FCDI系统能够有效应对盐度变化，并且通过模块或膜堆叠，或增加流电极体积，可以轻松实现规模化生产。

FCDI技术的稳定运行依赖于系统保持在欧姆（线性电压-电流，V-I）区域。为了延长这一线性V-I范围，已有多种策略被提出，包括增加碳负载、提高流电极和进水溶液的盐度，以及通过引入添加剂（如碳黑、碳纳米管、氧化还原对、钛网和三维镍泡沫）或使用导电填料（如离子交换树脂、碳布和碳毡）来增强电荷或离子的导电性。然而，流电极在运行过程中盐的积累会形成反向浓度梯度，从而阻碍离子的传输。这一现象改变了FCDI的V-I特性，削弱了有效电场，最终导致脱盐效率下降。

为了克服这些局限性，多级操作策略已被广泛应用于反渗透和电渗析等技术，以降低能耗并提高性能。同样，多级FCDI（MS-FCDI）和MCDI系统也通过减少离子积累，提高了脱盐能力和能量效率。在FCDI中，有三种主要的多级配置：模块堆叠、膜堆叠和串联配置。模块堆叠增加了单个FCDI单元的数量，而膜堆叠则在一个模块内引入多个离子交换膜（IEM）对，类似于电渗析。相比之下，串联配置将多个FCDI模块依次排列，允许海水依次流经各个单元进行逐步脱盐。

这些多级配置已被证明能够提高脱盐性能和能量效率。例如，Yang等人[43]表明，一个五级FCDI堆叠可以实现与单个模块相当的脱盐效率，而不会增加流电极通道的压力负担。Cho等人[44]引入了一种紧凑的三维蜂窝结构以增强集成度。Ma等人[45]利用膜堆叠提高了平均脱盐率（ASRR）和能量归一化脱盐率（ENRS），而Xu等人[19]则集成了膜-电流收集器结构，实现了稳定且高效的低盐度脱盐。最近，Ma等人[46]开发了一个三级串联FCDI系统，其流电极呈单向流动，且各阶段电场逐渐减小，有效降低了能耗。

尽管已有这些进展，大多数现有研究忽略了流电极和进水溶液之间的盐度浓度梯度变化——这是一个影响离子传输和能量效率的关键因素。此外，多级操作的机制仍然不够清晰，且在实际海水淡化中应用这些配置的研究也较为有限。要解决这些挑战，不仅需要设计多级系统，还需要对各阶段的电场强度和流电极盐度进行精确控制，以确保整个脱盐过程的稳定和高效。虽然模块堆叠、膜堆叠和串联配置可以集成到大型系统中以提高紧凑性和处理能力，但本研究采用串联配置，以便在每个阶段进行独立调节。这种灵活性对于实施分级电场和盐度策略至关重要，有助于维持线性V-I操作，提高电荷利用率，并减少因反向梯度和极限电流效应导致的能量损失。

本研究旨在实现以下目标：首先，通过电化学分析研究流电极和淡水之间的盐度浓度梯度如何影响FCDI的V-I特性，强调分级操作的重要性；其次，评估在分级电场（1.2–3.2 V）条件下，单级和多级FCDI系统的脱盐性能；第三，评估同时控制电场和流电极盐度梯度的MS-FCDI系统的性能；第四，对MS-FCDI海水淡化系统进行技术经济分析（TEA），以量化能耗、系统复杂性和脱盐效率之间的权衡；最后，使用优化条件下的实际海水样品验证MS-FCDI的性能。总体而言，本研究旨在为海水淡化提供一种可扩展且节能的解决方案，同时为FCDI的多级操作提供机制性的见解。

在实验中，流电极的制备是关键步骤之一。流电极由14.8克活性炭粉末（Strem Chemical）和0.4克碳黑（100%压缩，99.9%，Strem Chemical）分散在80毫升的氯化钠（NaCl，≥99%，Macklin）溶液中，盐度浓度范围为20–35克/升。混合物通过磁力搅拌器（SH-7，Faithful?）在夜间进行充分搅拌。所有溶液均使用纯水系统（Unique-R20，Ruisijie）制备的去离子水，所有化学品均按照标准进行使用。流电极的制备过程直接影响其电荷存储能力和离子传输效率，因此必须严格控制其成分和制备条件。

在电化学特性方面，研究发现增加盐度浓度可以显著提高FCDI的脱盐效率。然而，在脱盐过程中，流电极电解液和进水溶液的浓度共同影响离子在膜上的迁移。随着脱盐的进行，进水溶液的浓度会逐渐降低，而盐度则在流电极电解液中积累，形成反向浓度梯度。这一现象改变了FCDI的V-I特性，削弱了有效电场，最终导致脱盐效率下降。为了维持线性V-I行为，研究采用了分级电场和流电极盐度的策略，使各阶段的电场强度和盐度浓度适配，从而优化离子传输路径，减少能量损耗。

实验结果表明，采用分级电场和流电极盐度调整的MS-FCDI系统能够实现超过99%的盐去除率。在相同电压条件下（1.6、2.4或3.2 V），三阶段和六阶段配置显著降低了单位能耗（SEC），相较于单级操作。这种改进的原因在于，多级方法使每个阶段都能在其最佳传输范围内运行，避免了在极限和过极限操作中出现的高能耗和不期望的副反应。此外，技术经济分析进一步表明，三阶段配置在脱盐速率和能量效率之间提供了最佳的平衡。在优化条件下，实际海水淡化实现了超过98%的盐去除率，同时保持了稳定的pH值（约8.5）和较低的能耗（21.3–22.1 kWh/m3），这得益于有效的阶段特异性能量分配。

本研究的结果强调了MS-FCDI技术在实际海水淡化中的应用潜力。通过分级电压和流电极盐度控制，该技术能够实现稳定的、高效的脱盐过程，同时减少能耗和副反应。这些特性使得MS-FCDI成为一种可扩展、节能的海水淡化技术。此外，本研究还为FCDI的多级操作提供了机制性的理解，有助于未来在不同应用场景中优化和改进该技术。

研究团队在实验过程中采用了多种手段，包括流电极的制备、电化学分析以及实际海水样品的测试。流电极的制备过程确保了其电荷存储能力和离子传输效率，而电化学分析则揭示了不同盐度梯度对FCDI性能的影响。实际海水样品的测试进一步验证了MS-FCDI在真实环境中的脱盐效果。这些实验结果不仅展示了MS-FCDI的高效性，还为未来的技术改进提供了数据支持。

在技术经济分析方面，研究团队评估了MS-FCDI系统的能耗、系统复杂性和脱盐效率之间的权衡。分析结果表明，三阶段配置在脱盐效率和能耗之间达到了最佳平衡，而六阶段配置则进一步降低了能耗，但增加了系统复杂性。因此，三阶段配置更适合实际应用，尤其是在需要平衡效率和成本的场景中。此外，技术经济分析还考虑了不同操作条件下的成本效益，为大规模推广MS-FCDI提供了理论依据。

本研究的成果具有重要的实际意义。通过优化操作条件，MS-FCDI系统能够实现高效的海水淡化，同时保持较低的能耗和稳定的pH值。这些特性使得MS-FCDI在实际应用中具备优势，尤其是在处理高盐度海水时。此外，本研究还为未来的技术发展提供了方向，如进一步优化流电极的成分和结构，或探索更高效的电场控制策略。

在总结和展望部分，研究团队指出MS-FCDI技术在海水淡化中的应用前景广阔。通过分级电场和流电极盐度控制，该技术能够实现稳定的、高效的脱盐过程，同时降低能耗和副反应的风险。未来的研究可以进一步探索不同盐度梯度对FCDI性能的影响，优化流电极的成分和结构，以及开发更高效的电场控制策略。此外，研究团队还计划将MS-FCDI技术应用于其他水处理场景，如废水处理和离子分离，以拓宽其应用范围。

总之，本研究通过实验和分析，展示了MS-FCDI技术在海水淡化中的高效性和稳定性。通过分级电场和流电极盐度控制，该技术能够实现超过99%的盐去除率，同时降低单位能耗至21.3–22.1 kWh/m3。这些成果不仅为海水淡化提供了新的解决方案，也为未来的技术改进和应用拓展奠定了基础。