通过磁流电极电容去离子化（MF-FCDI）技术增强NH4+回收过程中离子力的分析

《Separation and Purification Technology》：Analysis of ion forces in the process of enhancing NH 4+ recovery by magnetic flow electrode capacitive deionization (MF-FCDI)

本研究系统探究磁辅助流动电化学去离子（MF-FCDI）中磁场方向、位置及强度对NH4+迁移的影响，结合洛伦兹力与电场协同作用，优化磁场配置（220 mT中央施加），实现0.311 μmol·cm?2·min?1的高效盐分去除及4.61 μmol·J?1的能效，为资源回收提供新策略。

　　

韩梦瑶|陈晓轩|张佳媛|牛建瑞|穆思图|史永坤|张静|刘春|马俊俊

河北科技大学环境科学与工程学院，石家庄 050018，中国

摘要

流式电极电容去离子化（FCDI）是一种有前景的技术，能够高效地从废水中回收有价值的资源，如NH₄⁺。虽然在使用磁性碳（MC）电极方面已经取得了一些进展，但目前的研究主要集中在对MC颗粒本身的磁控上，而忽略了磁场对离子迁移的直接影响。因此，系统地研究磁场配置的优化以及NH₄⁺迁移的定量力分析仍然十分缺乏。这一空白阻碍了精确调控离子轨迹以提高系统性能的策略的发展。在本研究中，我们系统地探讨了磁场方向、位置和强度对磁性FCDI系统（MF-FCDI）中NH₄⁺迁移的影响。分析表明，磁场通过洛伦兹力与电场和流体动力阻力共同作用，调节离子轨迹并加速其迁移。在优化条件下，当220 mT的磁场中心施加在阴极侧且MC（Fe:C = 1:1）时，系统实现了0.311 μmol·cm^?2·min^?1的平均盐去除率（ASRR）和4.61 μmol·J^?1的能量归一化盐去除率（ENRS）。这项工作提出了一种磁辅助策略，实现了NH₄⁺的高效回收和电极的便捷分离。

引言

氨是水环境中常见的营养污染物，主要来源于现代农业中氮基肥料的广泛使用。这些肥料的过度使用和随后的径流导致水体中氨氮的过量积累，引发富营养化，从而大幅降低溶解氧，破坏水生生态系统并降低水质。因此，开发高效且可持续的废水氨去除技术至关重要。

传统的生物硝化-反硝化方法是应用最广泛的方法，但其缺点包括高能耗（硝化过程需要大量曝气）和反硝化过程中频繁需要外部碳源。该方法在碳氮比较低的废水中效果尤为有限，且无法回收氨氮[1]。空气剥离[2]、离子交换[3]和膜分离[4]等技术也存在高能耗/化学消耗、二次污染以及高资本/运营成本等问题。

电容去离子化（CDI）作为一种低能耗、环保的技术已经出现，但仍受到共离子效应和电极吸附能力有限的限制。为了解决这些问题，开发了膜电容去离子化（MCDI）以提高电荷效率[5]，随后又出现了流式电极电容去离子化（FCDI），它利用流动的碳悬浮液实现连续脱盐[6]。在电场作用下，离子被流式电极颗粒电吸附，部分离子被吸附在双电层中[7]，另一部分储存在电解质中，饱和电极通过电荷中和得到再生[8]。除了与标准海水淡化技术共有的优点（如高脱盐能力、连续处理和低能耗）外，FCDI还具有独特的资源回收潜力，尤其是在NH₄⁺的修复方面[9]，[10]。与主要为了纯化的简单盐离子（如Na⁺）的去除不同，NH₄⁺的回收具有更大的经济价值。在FCDI系统中，NH₄⁺在电场作用下向阴极迁移。重要的是，阴极电吸附过程自然形成了局部碱性环境，促进了富集的NH₄⁺离子转化为NH₃·H₂O。这种独特的机制将简单的污染物去除转化为增值的氮回收，提供了一种比传统脱盐或生物方法更可持续的解决方案。然而，FCDI在再生过程中仍存在离子积累和电极分离效率低的问题。

磁辅助FCDI（MF-FCDI）解决了这些问题。陈等人[11]合成了负载镍的磁性碳颗粒，通过外部磁铁在2分钟内实现了电极分离，能耗降低了50%以上，氨回收率提高了20%。徐等人[12]发现磁场使脱盐率提高了78.9%，后来使用可编程脉冲磁场使盐去除率提高了67.7%，但能耗较高[13]，同时开发了磁阵列设计来调控颗粒团聚[14]。江等人[15]表明垂直磁场使脱盐率提高了25.2%，但缺乏定量力分析。更重要的是，最近的研究为该领域提供了新的见解。史等人构建了一个“工程化可持续多孔碳”的技术框架，强调性能的突破性改进依赖于精确的杂原子协调[16]。同时，另一篇概念性综述关注了向“体积吸附能力（VAC）驱动系统”的转变，总结了诸如机械压缩[17]等致密化策略。然而，所倡导的致密化方法通常是静态的、物理上不可逆的过程，难以与注重流体特性的FCDI技术兼容。

在本研究中，我们合成了不同Fe₃O₄负载量的磁性活性炭电极，并优化了磁场以平衡活性和密度。我们定量分析了迁移力，并验证了电极在五个连续电吸附周期内的稳定性。此外，我们还阐明了磁增强离子迁移的机制，为MF-FCDI在氨废水处理中的应用提供了理论基础。

部分摘录

磁性碳（MC）的制备与表征

• (1)
  MC的制备

磁性碳（MC）的制备遵循了我们之前工作中的协议[18]。简要来说，将氨铁草酸盐（AR级，中国新华制药试剂有限公司）和活性炭（AC，颗粒状，比表面积1200 m²·g^?1，中国XFNANO材料科技有限公司）按质量比1:2、1:1和2:1混合，分别命名为MC-1、MC-2和MC-3。混合物在300 rpm下搅拌2小时，然后通过0.45 μm醋酸纤维素过滤器过滤。

表征

• (1)
  扫描电子显微镜（SEM）

通过扫描电子显微镜（SEM）研究了MC-1、MC-2和MC-3样品的形态，代表性图像见图2a。能量分散X射线光谱（EDS）元素映射证实了铁在MC样品上的分布（图2b）。观察到一个明显趋势：初始铁前体含量的增加导致碳基质上铁物种的覆盖率更高。

结论

本研究采用机制驱动的方法优化了MC-FCDI技术以去除NH₄⁺。对NH₄⁺离子进行了理论力分析，确定了最佳策略，预测单侧阴极磁场（220 mT）可以最大化系统性能。这归因于这种配置能够协同促进阳离子的电迁移，同时稳定流式电极。后续的实验验证了这些结果。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52300006）、河北省重点科技支撑计划（编号：252S3601D）和河北省重大科技专项（编号：23293601Z）的资助。