NaHCO3的活化作为一种绿色策略，用于增强基于咖啡生物炭的电极的结构性能，从而促进流动电极电容去离子化技术的发展：两阶段热分解的影响

《Desalination》：NaHCO3 activation as a green strategy to reinforce structural properties of coffee biochar-based electrodes for advancing flow-electrode capacitive deionization: Effects of two-stage thermal decomposition

本研究采用NaHCO3和Na2CO3活化咖啡生物炭电极（CBE），通过改进孔隙结构和表面功能提升FCDI系统的脱盐性能。实验表明，NaHCO3活化电极（CBE_NaH）比容最高（0.37 F/g），脱盐效率最优，且循环稳定性良好，为低成本电极开发提供新思路。

　　

Jaegwan Shin|SeungCheol Yang|Kangmin Chon

韩国江原国立大学工程学院环境工程系，江原道春川市江原大学路1号，24341

摘要

流动电极电容去离子化（FCDI）作为一种潜在的海水淡化技术，受到了广泛关注，旨在解决日益严重的水资源短缺问题。然而，为了确保FCDI系统的高淡化性能，需要使用高质量且成本高昂的活性炭，这降低了其实际应用的可行性。本研究提出了基于咖啡生物炭的电极（CBE）作为高质量活性炭的替代品，通过使用更环保的碱剂（如NaHCO₃和Na₂CO₃）对生物炭进行活化处理，改善了其结构性能。NaHCO₃活化的CBE（CBE_NaH）的孔结构和表面功能优于Na₂CO₃活化的CBE（CBE_NaC），因为NaHCO₃活化引起的两阶段热分解产生了更多的氧化还原反应物。因此，使用CBE_NaH的FCDI电池表现出最高的电化学性能（比电容为0.37 F/g），其次是CBE_NaC（比电容为0.09–0.23 F/g）。这些现象使得CBE_NaH的FCDI系统的平均盐去除率高于CBE和CBE_NaC。在测试条件下，FCDI系统的淡化过程主要依赖于电吸附作用，而电渗析作用较弱。尽管反复进行盐水淡化处理，CBE_NaH的淡化性能仍有轻微下降，但仍显示出良好的循环稳定性。因此，CBE_NaH是提高FCDI系统可行性的有前景的替代品，有助于保障替代水资源的供应。

引言

由于工业化加速、人口增长和城市化进程，全球水资源短缺已成为一个严重问题[1]、[2]。海水淡化技术因能够生产农业和便携用水而受到广泛关注，包括多级闪蒸、电渗析和反渗透等技术[1]。尽管这些技术已经成熟，但它们不仅需要较高的运营和资本成本，还需要大规模的基础设施[1]、[3]。相比之下，电容去离子化（CDI）被认为是一种有潜力的海水淡化技术，因为它具有环保和操作简便等优点[4]。在施加外部电压的情况下，CDI系统通过电容电吸附作用从盐水中去除带电离子[3]、[5]。之后，需要通过施加反向电压来再生多孔电极，以恢复CDI系统的电容电吸附能力[4]、[5]。然而，CDI系统的关键缺点限制了其在海水淡化中的应用，例如固定电极的使用、放大规模的限制以及不可避免的再生步骤[6]。

流动电极电容去离子化（FCDI）作为CDI技术的一种改进形式，正逐渐被采用为下一代海水淡化技术，以保障替代水资源的供应[6]、[7]、[8]。在FCDI系统中，流动电极悬浮液的功能等同于传统CDI系统中固定在电流收集器上的静态电极[7]。这种方法通过避免再生步骤并易于扩大海水淡化规模，解决了传统CDI系统的主要问题[6]、[9]。因此，FCDI系统即使在高盐浓度下也能提供优异的淡化性能，同时能耗低且可长期运行[9]。总体而言，FCDI系统的淡化性能主要受电极的物理特性（如孔径分布和比表面积（SSA）的影响，而非FCDI电池的构造或操作模式[2]、[10]、[11]。活性炭（AC）因其高比表面积和成熟的制造工艺而被广泛用作电极材料[12]、[13]。然而，高质量活性炭的成本较高，这影响了FCDI系统的淡化性能，从而降低了其可行性[14]、[15]。此外，活性炭的微孔结构可能导致电双层（EDL）重叠现象，从而抑制FCDI系统的淡化效果[13]、[16]。因此，迫切需要寻找经济可行且高效的替代材料来替代活性炭，以提升FCDI系统的性能。

生物炭是通过有机生物质在厌氧条件下热解产生的副产品，作为CDI系统的电极材料具有巨大潜力，因为它们具有多种优势，如多样的表面官能团、耐恶劣环境（如酸性和碱性介质）、环保性和经济可行性[17]、[18]、[19]。此外，将有机生物质转化为高价值产品还能防止二次环境污染并缓解气候变化[20]。生物炭的物理性质受原材料和热解条件（如热解温度、停留时间和气体气氛）的显著影响[12]。咖啡残渣因其产量巨大（每年6×10⁶吨）、高碳含量以及季节变化下的稳定供应而成为有前景的生物炭原料[21]、[22]。尽管如此，通过简单热解法制备的基于咖啡生物炭的电极（CBE）由于微孔结构不发达和高度疏水性，其淡化性能较弱[13]、[23]。因此，需要改进CBE的物理和化学结构，以增强其在FCDI系统中的淡化效果。

高腐蚀性碱剂（如NaOH和KOH）在化学活化生物炭电极方面表现出巨大潜力，可以改善其结构性能（如孔结构、芳香性和亲水性），这些因素对FCDI系统的淡化性能至关重要[17]、[19]、[24]、[25]、[26]。然而，这些被归类为NFPA 704危险标签“极度危险物质”的碱剂具有毒性，限制了其工业化应用的规模[26]。相比之下，更环保的碱剂（如NaHCO₃和Na₂CO₃）成为化学活化的替代品，因为它们可以通过与碱金属（如Na₂O）和反应性气体（如H₂O和/或CO₂）的氧化还原反应有效增强生物炭电极的结构性能[17]、[26]。更环保碱剂化学活化的分解过程决定了生物炭电极结构性能的发展程度[17]、[26]。然而，目前尚未研究不同类型碱剂对CBE化学活化的影响及其对FCDI系统淡化性能的改善作用。因此，关于NaHCO₃活化的CBE（CBE_NaH）和Na₂CO₃活化的CBE（CBE_NaC）在FCDI系统中的淡化行为和机制，仍缺乏深入理解。

本研究的主要目标是评估NaHCO₃和Na₂CO₃活化作为简便且环保的方法，用于增强CBE的结构特性（如孔结构和表面功能），这些因素是决定FCDI系统淡化性能的关键。具体研究内容包括：（i）分析CBE、CBE_NaH和CBE_NaC的物理化学性质；（ii）比较使用CBE、CBE_NaH和CBE_NaC的FCDI电池的电化学行为及其淡化性能；（iii）评估各种操作因素（如流速、施加电压、CBE_NaH用量和进水浓度）对CBE_NaH FCDI系统淡化性能的影响；（iv）揭示其淡化机制。

部分内容

CBE、CBE_NaH和CBE_NaC的制备与表征

CBE是通过实验室规模的炉子在特定条件下热解咖啡残渣制备的：气体气氛为0.25 L·氮气/分钟，最高热解温度为800°C，升温速率为10°C/分钟，停留时间为2小时。制备CBE_NaH和CBE_NaC时，将30克咖啡残渣分别浸入300毫升2.0 M NaHCO₃和2.0 M Na₂CO₃溶液中4小时，并进行剧烈搅拌，然后在105°C下烘干24小时。

表面形态特征和整体元素组成

CBE、CBE_NaH和CBE_NaC的FE-SEM照片见图1(a)–(c)。CBE呈现出均匀且不规则的表面形态。虽然CBE_NaH和CBE_NaC通常具有整体形状，但它们的表面比CBE更皱褶和粗糙，尤其是CBE_NaH更为明显。这些观察结果表明，NaHCO₃活化有效地构建了更明显的孔结构，这些孔结构成为捕获带电离子的活性位点。

结论

本研究系统地证明了NaHCO₃和Na₂CO₃作为更环保的碱剂，能够增强CBE的多孔结构和功能，从而控制FCDI系统的淡化性能。与Na₂CO₃活化相比，NaHCO₃活化更有利于增强CBE的多孔结构和表面功能，这是由于NaHCO₃的两阶段热分解作用能够加速与碱金属氧化物和反应性气体的氧化还原反应（CBE的总比表面积为9.4 m²）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2025-00554138）的支持。作者感谢Byeongwon Lee和Sangchul Lee在提供DRT工具方面的帮助。