锌空气电池在水淡化中的应用

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Application of a Zn-air battery in water desalination

本研究开发了锌-空气海水淡化电池（ZADB），系统评估了不同盐浓度、电流和阴极液浓度对脱盐性能的影响。结果表明，ZADB在2500 ppm NaCl下盐排斥率达98.5%，电流增至2 mA时脱盐效率显著提升，达12.15 μg/cm2·min。引入氧气纳米气泡（O?NBs）可使盐排斥率提高12%，归因于O?浓度增加至36 ppm。研究证实ZADB在海水淡化中的潜力，优化条件可提升能效与脱盐效果。

　　锌-空气脱盐电池（Zn–air desalination batteries, ZADBs）作为一种新型的水处理技术，正逐渐受到全球科学家和工程师的关注。随着人口增长、城市化进程加快以及对可持续能源和水资源的需求增加，传统脱盐方法如反渗透（reverse osmosis）和蒸馏（distillation）面临着能源消耗高、成本昂贵以及环境影响大的挑战。因此，开发一种既能脱盐又能发电的高效、可持续的水处理技术成为研究的重点。ZADBs作为一种具有双重功能的系统，通过电化学反应同时实现水的脱盐和能量的储存，为应对日益增长的水资源压力和能源需求提供了一种创新的解决方案。

本研究围绕ZADBs的性能展开，重点评估了其在不同盐度、电流强度和阴极液浓度下的脱盐效果。实验装置包括锌阳极、阴离子交换膜（AEM）、阳离子交换膜（CEM）以及空气阴极，这些组件共同构成了一个闭环系统，通过离子迁移实现水的净化。在实验过程中，研究人员测试了不同浓度的NaCl溶液（2500?ppm、5000?ppm和7500?ppm），发现当盐度较低时，脱盐效率较高，达到98.5%。然而，随着盐度的增加，盐度的去除率下降至59.7%，这表明高盐度可能对脱盐过程产生一定的阻碍作用。这种影响可能源于离子之间的相互作用，以及在高浓度下膜材料对离子迁移的限制。尽管如此，ZADBs仍然在高盐度条件下表现出良好的脱盐能力，尤其是在使用氧气纳米气泡（oxygen nanobubbles, NBs）的情况下，盐度去除率提升了约12%，显示出NBs在提升系统性能方面的潜力。

实验还研究了电流强度对脱盐效果的影响。在保持其他条件不变的情况下，当电流从1?mA增加到2?mA时，盐度去除率和盐度去除速率均有所提升，尤其是在高盐度条件下，这种提升更为显著。例如，在7500?ppm的NaCl溶液中，盐度去除率从1?mA时的93.7%提升至2?mA时的98.2%，这表明电流强度的提高有助于增强电化学反应的效率，从而改善脱盐性能。然而，电流强度的提升也会对系统的能量转换效率产生影响，如在2500?ppm的NaCl溶液中，电流从1?mA增加到2?mA时，电荷效率从46.6%下降至23.4%，这说明在低盐度条件下，提高电流可能会带来能量利用效率的降低。但随着盐度的增加，电荷效率反而有所上升，表明系统在高盐度条件下能够更好地利用输入的能量，从而提高整体的脱盐能力。

此外，研究还探讨了阴极液浓度对系统性能的影响。结果显示，即使将阴极液的NaOH浓度从4?mM提高到8?mM，脱盐效率和电荷效率均保持稳定，没有明显的负面影响。这表明阴极液的浓度在一定范围内对ZADBs的性能影响较小，而溶解氧（dissolved oxygen, DO）浓度可能是影响系统性能的关键因素。通过使用氧气纳米气泡，研究人员成功地将阴极液中的DO浓度从8.6?ppm提升至33–36?ppm，从而显著提高了系统的脱盐能力。这种改进不仅增强了阴极反应的效率，还促进了离子在膜中的迁移，为提高ZADBs的整体性能提供了新的思路。

ZADBs的脱盐能力不仅限于NaCl溶液，还能够有效处理LiCl和Na?SO?等其他类型的盐水。实验中，当使用5000?ppm的LiCl和NaCl混合溶液作为进水时，系统的脱盐率达到了93.8%至97.3%，表明ZADBs在处理多种盐分的水体方面具有广泛的应用前景。这一特性使得ZADBs在面对不同来源的盐水时，能够提供更加灵活和多样化的解决方案，特别是在处理含有复杂离子成分的废水或海水时，具有重要的实际意义。

在实验过程中，研究人员还对系统的运行机制进行了深入分析。锌阳极在放电过程中被氧化，生成Zn2?离子，这些离子通过AEM迁移至阴极液中，而钠离子则通过CEM迁移至阴极液。与此同时，空气阴极中的氧气被还原，形成水分子，这一过程不仅提供了能量，还促进了离子的迁移和分离。整个脱盐过程伴随着电流的流动，通过外部电路实现能量的回收和再利用，从而减少了对传统能源的依赖。此外，系统在运行过程中表现出良好的稳定性，尤其是在高盐度和高电流条件下，其脱盐能力和能量转换效率均未出现明显的下降，这表明ZADBs具有较高的可靠性和适应性。

从经济和能源角度来看，ZADBs虽然尚未进行大规模的商业化应用，但其在实验室条件下的表现已经展现出一定的竞争力。已有研究表明，ZADBs能够以较低的能耗实现水的脱盐，相较于传统的反渗透技术，其单位能耗显著降低。此外，锌作为阳极材料，不仅储量丰富，而且成本相对较低，这为ZADBs的广泛应用提供了基础条件。然而，目前的研究主要集中在实验室规模，因此在实际应用中，仍需进一步优化系统设计，提高其规模化运行的能力，同时评估其在不同环境条件下的经济可行性。

为了进一步提升ZADBs的性能，未来的研究方向应包括多个方面。首先，需要对系统的电化学行为进行更深入的分析，例如通过引入参考电极监测阳极和阴极的电位变化，以更好地理解反应动力学和系统限制因素。其次，研究应扩展到不同的操作条件，如不同流速对离子迁移和停留时间的影响，从而优化系统的设计参数。此外，膜材料的耐久性和电极的抗腐蚀能力也是需要重点研究的方向，特别是在长期运行过程中，如何防止膜和电极的结垢和劣化，是提升系统稳定性的重要课题。最后，为了推动ZADBs从实验室走向实际应用，还需要开发更加智能化的实时监控系统，以确保在复杂和动态的水处理环境中，系统能够持续高效地运行。

总体而言，ZADBs作为一种新型的脱盐技术，其在处理高盐度水体和实现能量回收方面展现出巨大的潜力。通过优化电流强度、阴极液浓度和进水成分，可以进一步提升系统的脱盐效率和能量转换能力。同时，引入氧气纳米气泡等创新手段，也为改善系统性能提供了新的可能。尽管在实际应用中仍面临一定的挑战，但ZADBs的研究成果为可持续水资源管理提供了一条新的路径，特别是在能源和水资源日益紧张的背景下，其双重功能和高效性能值得进一步推广和应用。