综述：流动电容去离子技术在水净化与可持续能源转化中的机理洞察与性能提升

《Electrochemical Science Advances》：Mechanistic Insights and Performance Advancements in Flow Capacitive Deionisation for Sustainable Energy Conversion

　　

流动电容去离子（Flow Capacitive Deionisation, FCDI）是一种先进的电化学技术，适用于水净化与能源相关应用。该技术因其低操作电压、连续电极再生以及在中高盐度条件下的稳定性能，被视为传统脱盐方法的可行替代方案。循环碳基流动电极的使用可防止电极饱和，并在连续运行过程中实现持续的离子去除。近期电极材料方面的进展，包括活性炭（Activated Carbon, AC）、介孔碳（Mesoporous Carbon, MC）、碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）及导电添加剂，已在电荷效率、除盐容量和能耗方面带来显著提升。膜开发、集流体构型及流道设计的进步进一步降低了内阻并提高了离子传输效率。研究人员已探究多种运行策略，包括独立闭循环（Isolated Closed Cycle, ICC）、短路闭循环（Short-Circuited Closed Cycle, SCC）和单循环（Single Cycle, SC）模式，以优化电极再生与能量回收。流动电容去离子与盐度梯度能系统，特别是反向电渗析（Reverse Electrodialysis, RED）的集成，为能量中性或能量正向的脱盐提供了前景。此外，该技术在选择性回收有价值和有害离子方面展现出强劲潜力，包括锂、氟化物、铵和重金属。本综述系统评估了材料创新、传输机理、电池架构、性能指标和新兴应用，凸显流动电容去离子作为脱盐、资源回收和混合能源系统的可扩展且节能的平台。

2 先进CDI技术与FCDI的兴起

2.1 FCDI中的流动电极

流动电极（Flow Electrodes, FEs）因可实现快速脱盐、连续操作及便于装填而日益受到研究人员的关注。为实现良好的离子吸附及在FE通道中的顺畅流动，FE必须由高导电性、电容性及低粘度材料组成。碳粉末、水和无机盐悬浮液用于制备FE，碳吸附的离子释放至电解液中。以碳悬浮液作为FE不仅增强了吸附能力，还实现了后续脱附所需的程序，吸附与脱附FE的结合至少可使效率翻倍。

2.1.1 活性炭

AC因其较大的比表面积（1000–2000 m² g^?1）、发达的孔隙结构、价格实惠、耐用且易获取而成为FCDI的首选FE材料，但表面亲水性有限可通过引入亲水基团改善。自Jeon等人首次将AC用于FCDI脱盐研究以来，AC因其在连续脱盐中的高效性而备受关注。流动性和流变特性在FCDI中至关重要，其中电极悬浮液的流变特性主要解决小通道中的堵塞问题。AC在FE中的使用浓度通常为5–35 wt.%，由于较高碳质量负载可能因粘度增加导致流动中断和污垢，AC负载的最大增幅可能为20–25 wt.%。增加碳负载可增强导电性，提高电流并改善除盐效果，该领域大多数研究考察的AC颗粒负载为5–15 wt.%。AC可根据孔径筛分特定离子以实现选择性分离，例如使用磺化AC电极对二价阳离子（Ca²⁺）表现出卓越选择性，同时排斥竞争性一价Na⁺；纳米多孔碳对Mg²⁺和Ca²⁺的选择性因子为3–4。

2.1.2 碳纳米管

CNTs自1991年发现以来因其独特结构特征受到广泛关注，包括由扩展sp²杂化苯环组成的六方晶格碳原子排列，提供卓越的机械强度、导电性、光学性质和热稳定性。如表1所示，CNTs具有约99%的电荷效率。CNTs可作为AC颗粒间的悬浮桥梁，改善悬浮液的连接和导电性。研究发现添加少量CNTs（如0.25 wt.%）可使除盐速率翻倍。还原氧化石墨烯（rGO）片材也是改善连接和加速浆料网络中电子传输的有效导电添加剂。在相同质量浓度下，CNTs比AC或MC表现出更快更稳定的脱盐性能，CNT基流动电极（FE-CNTs）的平均除盐速率（ASRR）值9.7 mg cm^?2 min^?1是MC和AC基FE的三倍。然而，CNTs的高价格、低碳负载和 ineffective 固液分离可能使其不适合实际FCDI应用，更适合作为AC FE的添加剂。

2.1.3 介孔碳

MC是一种特殊碳材料，通常使用三嵌段共聚物模板制备，合成过程将三嵌段共聚物P123与正硅酸四乙酯（TEOS）结合，在850°C碳化并用氢氟酸（HF）去除二氧化硅后形成有序介孔碳（OMC）。在CDI实验中，OMC尽管比表面积较低（844 m² g^?1），但在1.2 V时表现出显著更优且更快的电吸附容量，这归因于其约82%的介孔含量。聚苯胺衍生介孔碳（PDMC）通过碳化聚苯胺并用KOH活化制备，表现出2728 cm³ g^?1的优异比表面积和126.63 F g^?1的高比电容。在FCDI系统中，PDMC在1.2 V施加电压、10 mL min^?1进水流速和5 wt.%流动电极浓度条件下，实现平均铵去除速率40.95 mg m^?2 min^?1和87.3%的去除效率。

为提升FCDI效率，研究人员首次使用空心MC纳米球作为FE。与实心MC纳米球和AC的比较研究表明，基于空心介孔碳纳米球（HMCNs）的FE具有更好的流变特性，如更高的粘度和更好的分散性。电化学阻抗谱（EIS）研究证实了HMCNs流动电极电阻的降低和离子扩散的改善。在1.2 V和10%质量负载条件下，HMCNs实现了0.040 mg cm^?2 min^?1的平均除盐速率、92.9%的电荷效率和0.035 kW h mol^?1的能耗。

2.1.4 导电剂

炭黑（Carbon Black, CB）纳米颗粒因其填充较大AC颗粒间空隙、创建更高效电子通路的能力而成为高效的导电添加剂。CB通过石油油或天然气等烃类的不完全燃烧或气态烃的控制热分解生产，由大表面积、部分熔融的胶体球形颗粒组成，具有结晶石墨结构。AC通常被认为是FCDI的合适材料，常用于从废水中回收氨，但其微孔结构导致氨氮的大量吸附而降低回收效率。研究人员提出将镍浸渍到CB上制备磁性镍负载炭黑（Ni₀-CB）颗粒，与AC相比，该调整使氨回收效率提高约20%，并节省超过50%的电能。添加1.5 wt.% CB至FE可显著增加FCDI的除盐速率和电荷效率，从83.5%提升至96.5%。在SC和SCC工况下的比较研究表明，尽管CB的电容低于AC，但其平均盐吸附速率表现更优，SC模式下达到1.13 μmol cm^?2 min^?1（高7.5倍），SCC模式下达到0.76 μmol cm^?2 min^?1（高5倍）。然而，CB纳米颗粒倾向于在水性电解液中聚集和沉降，研究人员通过将直接蓝（DB）分子接枝到CB颗粒上解决了这一问题。

具有大表面积和优异导电性的rGO片材作为二维导电桥，通过防止碳材料重新堆叠和改善浆料网络中的电子传输来保持可接触的活性位点。此外，向电解液中添加可溶性氧化还原对（如Fe²⁺/Fe³⁺、I^?/I₃^?或AQS/AQSH₂）是一种先进策略，这些物种通过快速法拉第过程在双电层之外储存电荷，这种"电子穿梭"效应显著提升了FE的表观导电性和电荷容量。含Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的系统相比传统电容系统可展示40%–50%的能耗降低，但需仔细管理以防止膜污染和交叉。

2.2 集流体与流动通道

2.2.1 集流体材料

最受欢迎的FCDI集流体由金属（不锈钢）或石墨板制成，表面刻有蛇形通道，作为流动电极的电荷导体和流道。尽管不锈钢集流体具有良好的机械强度和优异的导电性，但由于其高腐蚀性和流道雕刻困难，仅在少数早期FCDI研究中使用，此后变得较少见。膜-集流体组件（IEM和钛网的组合）、三维金属网或泡沫集流体提供了更大的集流体与电极颗粒间表面积。普通石墨集流体涂覆聚苯胺可降低表面粗糙度和FE-集流体界面的欧姆电阻。石墨板因其低成本、易加工、导电性和化学惰性而成为目前FCDI系统中最常用的集流体材料，但其高密度（2.27 g cm^?3）和脆性带来了规模化系统的重量和机械稳定性问题。钛板、石墨纸与丙烯酸板的组合以及激光切割快速雕刻扭曲线流道的轻量化集流体方案被提出。

2.2.2 流道几何

FE表现出剪切稀化行为，为非牛顿流体，因此通道几何影响速度梯度。流道对FE内离子和电荷的高效传输至关重要。直通道中流体速度几乎保持恒定，但在壁面附近存在很小的速度梯度，边界层中电荷传导较差，颗粒沉降更可能发生。Rahman等人提出用锥形集流体替代平直集流体，可节省60%的泵送能量。蛇形水平几何中，弯曲区域流动方向改变180°，速度和剪切率变化较大而速度较低，频繁存在的弯曲和短直段防止了沿直段粘度的增加。Saif等人比较了垂直和水平蛇形集流体，发现水平蛇形集流体具有这些优势，而垂直蛇形集流体当直段较长、弯曲较少时，粘度在直段变得更高，导致碳堵塞通道。

尖端阵列集流体（T-CC）表面具有锥形金属凸起，通过尖端效应产生局部高强度电场，便于向邻近流动电极颗粒注入电荷，并通过引起局部湍流改善颗粒-集流器相互作用，从而提高电荷转移效率和除盐速率。Wang等人提出的10×10阵列锥形尖端集流体（基底直径2 mm，高1 mm），在1.0、1.5和2.0 V下的ASRR分别为0.18、0.50和0.89 μmol cm^?2 min^?1，比平面集流体分别高1.82、2.65和2.48倍，比传统蛇形集流体分别高1.48、1.67和1.49倍。Zhang等人引入的螺旋（阿基米德型）集流体解决了常规系统中泥浆分布不均和停留时间短的问题，螺旋形状使泥浆从中心到边缘更均匀缓慢地流动，增加停留时间并促进离子在电极表面的传输，该装置在3.5 g L^?1 NaCl溶液和2.4 V施加电压下实现98.9%的电荷效率、4.06 μmol cm^?2 min^?1的高除盐速率和99.88%的除盐效率。

2.3 膜分离器

离子交换膜（IEMs）有两种基本类型：含带负电基团的阳离子交换膜（CEMs）和含带正电基团的阴离子交换膜（AEMs）。所需特性包括低电阻、高机械强度、良好的化学稳定性和抗污染能力、低溶质扩散、优异的离子选择性和对特定离子的 extraordinary 选择性。尽管有单价选择性IEMs，但对目标离子（如单价和二价离子的分离）的选择性仍远不足够。等离子体处理、离子注入、聚合、吸附、化学表面改性、溶液浇铸和电辅助沉积等方法可用于进一步增强这些IEMs的性能。

纳滤（NF）膜（如NF270）在NF-FCDI中表现出1.28–7.03的显著选择性和对Cl^?相对于SO₄^2?的出色去除效率。NF膜对单价到多价离子的选择性几乎是单价选择性IEMs的两倍，但Cl^?/SO₄^2?分离的选择性因子仅为0.69–1.04。

IEMs的缺点之一是电极与膜之间较高的接触电阻，这会降低离子吸附效率并增加能耗。为规避这一问题，可用离子交换聚合物薄层涂覆多孔陶瓷隔板（膜隔板组件，MSAs），或将IEMs连接到由碳纤维织物或钛网制成的膜-集流体组件（MCAs）。研究表明，与使用远离IEMs的板式集流体的标准FCDI相比，MCA的使用显著降低了电荷转移，并将ASRR提高了78%。

2.4 端板

隔板作为进料流道，改善混合，支撑分隔器（如IEMs），位于CEM和AEM之间，促进混合并抑制浓差极化，降低细胞的非欧姆电阻。虽然较薄的隔板通常更受青睐以降低进料室电阻，但过薄的隔板（小于0.5 mm）会导致流道压力下降，增加泵送所需能量，并使系统更易结垢和污染，降低其稳定性和寿命。常用的非导电隔板（如聚酯和尼龙片）通过减小IEM的有效离子传导面积（屏蔽效应）来增加欧姆电阻。离子交换树脂和碳纤维布等导电隔板在增强进料流对流和膜界面附近电对流、缩短IEMs间离子传输距离方面显示出巨大潜力。垫片密封FCDI细胞，保护两种阳离子和阴离子交换膜，并为水循环（水室）创造间隙，防止刚性层之间泄漏和两个集流体之间短路。端板用于固定细胞组件，常见材料包括PVC、不锈钢、硬HDPE板、丙烯酸端板、聚乙烯端板和聚碳酸酯。

2.5 细胞配置和运行模式

2.5.1 细胞配置

基本FCDI细胞的配置自首次引入以来，最常见的设计是三室二维细胞。Yang等人开发了由五个单元细胞组成的堆叠二维FCDI系统，每个单元细胞的处理能力是单元细胞的五倍，但具有可比的除盐效率和电流效率。Cho等人创建了3D晶格组织脱盐系统，主要结构由廉价的多孔陶瓷支撑基质组成，具有多个空心晶格，消除了独立厚集流体和IEMs的需求，降低了系统的尺寸和成本，能够设计多种细胞配置，并使处理能力指数增长。

2.5.2 运行模式

FCDI系统的运行模式包括：细胞充放电的恒流和恒压选项、进料水操作的批处理和单程模式，以及FE操作模式。四种广泛认可的电极模式为开循环（Open Cycle, OC）、独立闭循环（ICC）、短路闭循环（SCC）和单循环（SC）。

传统ICC模式中，两个不同的流动电极流在各自的电极室和电极储液罐之间循环，通过间歇改变电极极性实现电极再生和能量回收。SCC中，两个电极流离开电极室后在共同储液罐中混合，混合阶段电荷中和可自发再生耗尽的电极颗粒，同时暂时吸附的离子释放到电解液中。SC FCDI具有单个闭合流动回路，FEs直接在电极室之间移动，电极可在同一电极室内吸附和脱附。

3 流动电容去离子的电化学研究

3.1 FCDI中水净化的机理

FCDI是一种新兴的电化学水处理方法，具有能源效率、可扩展性和处理高盐度卤水能力等优势。与传统使用静态电极的CDI不同，FCDI利用所谓的流动或移动电极，通常以导电颗粒（如AC）在水性电解液中的悬浮液形式连续处理。该设计以连续可操作性、增强的除盐容量和改善的可扩展性为特征，特别适合工业应用。

FCDI的主要工作原理是对两个电极施加电压偏置，随后产生的电场驱动阳离子和阴离子向带相反电荷的电极迁移，在电极表面或双电层（EDL）内吸附或截留，从而有效降低处理水中的离子浓度。施加低电压（通常1.2–1.8 V）时，进水中的离子被静电吸引到带相反电荷的流动电极，阳离子如Na⁺向阴极迁移，阴离子如Cl^?向阳极迁移，在悬浮碳颗粒表面形成EDL。与传统CDI不同，电极悬浮液的连续流动防止了电极饱和并确保持续运行。这种连续再生机制使FCDI能够处理比固定电极系统更高的盐度进料。

流道的流体力学设计显著影响离子传输动力学和电荷转移效率。双极板配置中的蜿蜒流路（如通道宽度3 mm，深度1.45 mm，长度1556 mm，14个转弯）可增强离子-电极接触和均匀性。在中试规模中，采用不锈钢网集流体，17列（列宽102.4 mm）和宽达2.5 mm的通道，以维持细胞的机械稳定性并实现高水平的离子吸附。间隔物（如聚酯/硅胶间隔物，0.5–1.2 mm厚）的集成可缩短离子扩散长度但增加欧姆电阻，因此需仔细优化两者之间的平衡。

FCDI最严重的操作困难之一是污染，常见为CaCO₃和Mg(OH)₂在电极和膜上的沉积。据报道，在长期运行过程中，阴极和IEMs被高达45%的CaCO₃和30%的Mg(OH)₂污染（按质量计）。间歇性稀酸（如0.1 M HCl）和碱（如0.1 M NaOH）清洗，在大约10天运行后，可恢复约80%的原始系统效率。

3.2 离子传输理论：Nernst-Planck框架、EDL模型和修正Donnan吸附

3.2.1 Nernst-Planck方程控制的离子传输

FCDI系统中的离子传输由Nernst-Planck（NP）方程控制，该方程考虑了作用于溶液中离子物种的三种主要驱动力：浓度梯度引起的扩散、电场引起的迁移和流体流动引起的对流。在FCDI背景下，方程（1）必须应用于三个不同的传输区域：（i）本体进料水通道，对流占主导，浓度梯度由流速设定；（ii）IEM，电迁移是主要传输机制，扩散被膜聚合物骨架的固定电荷基团抑制；（iii）悬浮碳颗粒表面的EDL，静电场最强且发生吸附。这三个区域的耦合决定了整体脱盐速率，是FCDI性能同时对水动力学和电化学参数敏感的主要原因。

3.2.2 离子吸收机制

FCDI中的离子吸附受电极材料、施加电压和进水化学影响。近期发展突显了选择性增强、吸附容量改善和抗污染能力。氧化石墨烯复合材料可获得35 mg g^?1的吸附容量，比普通AC提高2.5倍，这归因于更高的表面积（1200 m² g^?1）和良好设计的孔径分布。Langmuir吸附等温线揭示，在2.5 V时，AC电极去除90%的二价离子，包括Ca²⁺和Mg²⁺。氧化还原活性添加剂如Fe-柠檬酸配合物的使用可通过提供EDL之外的额外电荷存储位点（CDWs）来增强脱盐容量，但这类添加剂可能面临离子交叉和污染问题。

选择性离子去除也是FCDI最积极研究的领域之一。通过选择电极材料和膜特性，可特异性去除或回收氟化物、氨或锂等离子。例如，铋/还原氧化石墨烯（Bi/rGO）复合电极对氯离子和氟离子表现出优异的去除效率，电池型电极也已用于从市政废水中选择性去除铵离子。

3.2.3 双电层：Gouy-Chapman-Stern模型

碳颗粒表面形成的EDL是FCDI中电容性离子存储的主要场所。Gouy-Chapman-Stern（GCS）模型提供了电容性去离子背景下EDL的经典描述，将界面区域分为两层：厚度d（通常0.3–0.5 nm）的紧凑Stern层，其中离子被强静电力固定，不发生法拉第反应；以及延伸到电解液中的扩散Gouy-Chapman层，其特征Debye长度λ_D量化了静电屏蔽的空间范围。对于典型的FCDI进水（5 g L^?1 NaCl，约85 mmol L^?1），λ_D ≈ 1.0 nm，确认EDL相对于碳孔尺寸极薄。总微分电容C_dl是Stern层电容C_St和扩散层电容C_GC的串联组合。实践中，C_St对于AC表面相对恒定（约0.20 F m^?2），而C_GC随电解液浓度增加而降低。在高离子强度下，C_GC较大，Stern层主导总电容，这意味着FCDI FE的EDL电荷存储容量对中等进料盐度变化相对不敏感，部分解释了该技术在宽盐度范围内运行而不大幅损失电荷效率的能力。

3.3 FCDI系统中的能量回收

FCDI方法已成为一种节能的脱盐方法，通过与其他电化学或基于盐度梯度的过程集成，从现有进料中转换能量。其中，FCDI与RED的集成是提高过程效率和推进能量中性或能量产生脱盐的有前景途径。RED-FCDI组合利用脱盐产生的浓盐水和稀释（处理）水之间的盐度差，通过离子选择性膜发电。收获的能量可在FCDI过程中部分或全部再利用，使净能耗降低30%–40%。

FCDI-RED集成的热力学基础是FCDI产生盐度显著不同的两股流：FCDI短路电流操作下的稀释产物和浓盐水。FCDI排放物的盐度比C_c/C_d通常为20–80，而传统RED中海水-河水对的约为7–10。这种升高的盐度比产生更高的每膜对开路电压，使FCDI盐水成为RED的有吸引力的能源。

工业规模模拟显示，混合FCDI-RED系统需要约2.9 kW h m^?3（相比之下独立RO工厂约3.8 kW h m^?3），这种降低归因于FCDI预处理减少了膜分离前的污染现象，以及比RO更低的泵送液压要求。

3.4 FCDI性能指标的标准化

为促进FCDI性能的比较评估，研究人员提出了多种指标。某些指标可直接用于流动CDI（FCDI）系统，但其他为CDI和ED系统设计，需要修改。标准测试如ASAR和SAC可能不适用于FCDI系统，因为（i）离子去除过程同时涉及电容和电渗析效应，（ii）系统运行时电极电容持续上升。

FCDI中的电流效率是显示电流去除溶液中离子效率的关键参数，是实际去除离子与基于系统总电荷的理论最大值的比值。平均除盐速率（ASRR）用于表示随时间的除盐效率，以每单位IEM面积去除的盐量与时间的关系表示。生产率（P）是FCDI装置每投影正面面积单位时间产生的处理（稀释）溶液体积。水回收率（WR）数学上表示为产物水体积流量与进水体积流量的比值。平均浓度降低（ACR）是盐浓度相对于进水浓度的降低量。除盐效率（SRE）可比较FCDI系统去除盐离子相对于理论最大值的效率。比能耗（SEC）以W h g^?1表示，FCDI提供比RO更低的SEC的可能性，特别是对低中盐度进水。热力学最低能量需求可从脱盐过程的Gibbs自由能变化评估。热力学能量效率（TEE）表示施加电能用于离子去除的效率程度。盐吸附容量（SAC）通常以插入盐分的电极材料的质量或体积为基础报告。

4 影响电容和流动电容去离子的因素

FCDI的最大性能依赖于其组件材料（电极材料、流道或膜）的精确调节。电极材料组成、流道几何和运行模式的组合决定了FCDI系统的性能。AC仍是最佳和最便宜的FE，因其非常高的比表面积、丰富的微孔和中孔以及良好的电化学稳定性。AC基系统持续展示高达185 mg g^?1的SAC和超过90%的高电荷效率，意味着大规模部署的可行性。AC的内在局限性（如低导电性和慢电荷传输）推动了导电添加剂（CB、CNTs、石墨烯衍生物）向AC材料中的掺入，这些添加剂在浆料中提供额外电路径，提高电荷效率和离子快速移动。

混合电极材料（如MXene-AC复合材料和含Fe²⁺/Fe³⁺对的氧化还原活性浆料）进一步改善了系统性能。CNT等高导电性材料可实现低至0.45 kW h m^?3的比能耗，氧化还原电解质的加入进一步拓宽了操作电压窗口，在不牺牲电荷效率的情况下提供增强的脱盐速率。

流道设计和集流体结构对系统性能起重要作用。蛇形、螺旋和尖端阵列改善了浆料混合，减少了死体积或流动分离，提高了局部电场强度，有助于更有效的离子接触活性表面。螺旋几何允许产生均匀的径向流动，与尖端阵列集流体利用增强的局部场强增加电荷注入相比，停留时间更长。这些水动力学增强共同贡献了更高的ASRR和长周期操作稳定性。

FCDI系统的模块性非常好。多系统或堆叠形式下，处理能力可比单细胞装置增加五倍，而能量耗散功率大致相同。这种可扩展性和低电压操作（通常不高于1.2–1.8 V）使FCDI成为分散脱盐和废水回收的有吸引力的候选。然而，在高碳负载下实现浆料电极的粘度、导电性和流动性的良好平衡仍然困难。

5 FCDI的应用与性能分析

5.1 微咸水和海水淡化

FCDI的主要应用是微咸水淡化，其模块化结构和有效处理1–10 g L^?1盐度的能力使其成为有吸引力的选择。优化AC FE结构的电极已实现高达185 mg g^?1的SAC值，电荷效率超过89%。FCDI的显著优势之一是处理盐水时具有高浓度效率，与固定电极CDI不同，FCDI可连续运行而不饱和，因此可处理高盐度进料。Rommerskirchen等人展示了持久的盐水浓缩和良好的耐久性，在2.4 V时达到99.88%的SRE。

5.2 选择性去除与资源回收

FCDI的选择性可通过电极材料、IEMs和操作模式的选择来定制，从而实现从废水和工业废水中针对性回收资源。单价选择性IEMs或NF膜的加入提高了对特定离子的选择性。NF-FCDI配置显示出高度选择性的Cl^?/SO₄^2?选择性（1.28–7.03），对某些工业软化目的有用。

FCDI在捕获有毒重金属方面表现出良好性能。通过响应面方法论（RSM）优化，Pelarti等人获得了98.89%的Ni²⁺去除效率。对于铯（Cs⁺），使用含铜六氰基铁酸盐电极的混合CDI（HCDI）去除率达到99.25%。主要应用包括从废水中回收铵（NH₄⁺）和磷酸盐（PO₄^3?）。为解决一般AC微孔结构导致氨氮完全吸附而降低回收效率的问题，Chen等人制备的Ni_a-CB颗粒使NH₃回收效率提高20%，电能消耗降低超过50%。FCDI与流化床结晶（FBC）结合可有效回收磷酸盐为蓝铁矿，去除效率达到65%。

5.3 混合系统与节能运行

FCDI与RED的结合是能源回收的突出趋势。FCDI产生的浓盐水流入RED单元通过盐度梯度发电。Xu等人组装并展示了非对称FCDI-RED系统，达到高达98.8%的脱盐效率和85%的能量回收，净能耗可比独立系统削减30%–40%。

FCDI与不同处理细胞的结合可产生协同作用。例如，结合TiO₂纳米管阵列光阳极用于有机降解和FCDI用于脱盐的系统，对含有机污染物的微咸水实现了99.3%的联合去除效率。与微滤的集成允许连续生产脱盐水和控制盐水浓度，增强了FCDI大规模应用的实用性。

6 挑战

6.1 可扩展性和稳定性

6.1.1 颗粒尺寸

FCDI的性能根本上取决于电极材料的质量和特性。颗粒尺寸可将FCDI脱盐速率提高一倍。均匀的小颗粒提供更多离子吸附表面积，促进除盐效率。然而，小颗粒也可能导致更高粘度和增加的泵送能耗。较粗颗粒可能堵塞电极浆料中的物料流动，导致通道堵塞、离子吸附面积减少和除盐效率降低。理想的做法是将两者结合以达到平衡性能。此外，球磨等颗粒表面处理技术可用于减小颗粒尺寸和改善表面性质。

6.1.2 浆料密度

粘度与浆料密度直接相关，颗粒浓度越高（密度越大），粘度也越高，这可能使浆料泵送困难且更耗能。Lin等人报道了5 wt.%、10 wt.%和15 wt.%固体含量的FE研究，随着固体浓度增加，平均除盐率增加，但超过10 wt.%的较重碳含量导致增加的堵塞风险，并可能因粘性性质导致更高能耗和降低脱盐性能。由于FE技术防水，高浓度电解质可增强其性能，但过量电解质可能使盐更难附着。

6.1.3 流速

离子进出的流动屏障主要是流速。流速增加降低内部阻力，但FCDI性能在20 mL min^?1后下降，因为高FE流速导致的较大边界层效应使电子传输困难，增加内部阻力。较高流速下，水在电化学细胞中的停留时间大大减少，减少进水中离子与FE颗粒活性位点的接触时间，导致不完全离子吸附和较低SRE。

6.1.4 导电性

导电性是影响脱盐效率、电荷效率、能耗和离子传输的重要因素。高FE导电性有效减少离子转移时间和提高FCDI系统效率。FE的导电性（0.1–1 mS cm^?1）显著低于固体电极，这 greatly 增加内部电路电阻，特别是FE中。高阻力导致电极间巨大电压降，需要更多能量并使脱盐效率降低。为改善导电性，研究人员探索了碳颗粒改性、添加剂添加和电解质性质改性，包括添加氧化还原对（Fe(CN)₆^3?/4?）、有机氧化还原反应（AQS、TEMPO或氢醌H₂Q/Q）等。

6.1.5 通道几何

各种流道几何及其对脱盐系统的影响在2.2节分析。不正确的通道和长度、宽度和脱盐率会导致流动分布不均匀，可能堵塞通道、减少电极活性面积和脱盐效率，甚至关闭系统。复杂通道形状可改善混合，但也可能导致细胞两端大压降，这意味着更多泵送能量消耗。特别设计的几何形状（如水平蛇形、开放流道和尖端形状集流体）应用于均匀流动分布，钛网-膜组件作为集流体可使除盐速率提高76%。

6.2 系统集成

FCDI的大规模部署批判性地依赖于在现有水处理和工业基础设施中的有效系统集成。电极再循环的能耗占总电能的10%–60%，取决于电极性质、流速、水回收率、盐排斥率和生产率等多种操作参数。能量回收在CDI中高达83%，但在FCDI中仅20%。然而，近期研究表明，将FCDI与互补过程集成可显著提高操作可行性和能源效率。例如，FCDI与陶瓷微滤耦合可实现高达97%的水回收率和约30%的热力学能量效率，与RO系统相当。FCDI-NF混合配置显示比传统微咸水RO低16%–20%的能耗。尽管有这些进展，关键挑战仍在于组件的高成本，IEMs alone 占成本的50%（20–100美元 m^?2），这阻碍了FCDI的商业化。与可再生能源（太阳能、风能、潮汐和地热）的集成可通过降低运营成本来缓解这一问题。

7 总结与展望

FCDI提供了引人注目的连续脱盐途径，因为循环FE防止了与电极饱和相关的性能衰减。这种自再生能力实现了稳定的长期运行，使该技术区别于基于固定电极的传统电容去离子系统。

系统效率很大程度上取决于FE材料的性质。AC基悬浮液仍是最实用的选择，而CNTs和CB等导电添加剂改善了电连接、电荷转移和除盐效果。这些结果强调了合理电极配方对于维持有效离子传输的重要性。流道几何和集流体设计强烈影响水动力学和电场分布，促进混合和局部电荷注入的架构加速离子吸附并改善脱盐性能，突显了这些物理组件持续优化的必要性。

IEMs增强选择性但引入额外阻力且易受污染，因此膜材料和表面改性的进步对于实现不牺牲能源效率的耐用运行至关重要。操作策略，特别是SCC模式，进一步降低了系统复杂性同时保持有利的电荷效率，使该技术对分散应用具有吸引力。除脱盐外，与盐度梯度能回收系统的集成指向能量中性运行。此外，锂、铵、氟化物和重金属等离子选择性去除拓宽了流动电容去离子在资源回收和工业废水处理中的相关性。

关键挑战仍存在于浆料稳定性、膜污染和系统规模化。通过持续材料创新、改进的系统设计和对耦合电化学与水动力过程的深入洞察来解决这些问题，将是推动流动电容去离子走向实用和可持续水处理的关键。