采用KCuFC电极的混合电容去离子技术，实现富钠盐水中钾的选择性电吸附

《Desalination》：Hybrid capacitive deionization using a KCuFC electrode for selective potassium electrosorption in Na-rich brines

　　

全成范|金秉炫|李昌赫|闵泰镇|李在翰|李承基|尹洪植

摘要

由于钾离子在含有过量钠离子以及其他二价阳离子的盐水中通常只以微量存在，因此从此类盐水中选择性回收钾仍是一项挑战。在本研究中，我们开发了一种基于铜的六氰合铁酸钾（KCuFC）的混合电容去离子系统，该系统在模拟海水反渗透浓缩液中实现了最高的回收选择性，其值为α(des)_{K/Total(Na+Mg+Ca)}?=?15.24?±?3.13，这表明该系统在从富含钠的盐水中回收钾方面具有实际应用潜力。为探究钾选择性产生的原因，我们将基于KCuFC的混合电容去离子系统与传统的膜电容去离子系统和不对称膜电容去离子系统进行了比较。在10?mM KCl溶液中，混合电容去离子系统的钾离子吸附容量可达36.89?±?0.66?mg/g，能耗则最低，为0.49?±?0.01?Wh/g-KCl。在等摩尔混合阳离子溶液中，只有混合电容去离子系统表现出明显的钾离子优先吸附现象，其α_K/Na?=?3.01?±?0.16，α_K/Mg?=?2.50?±?0.39，α_K/Ca?=?2.14?±?0.03，而其他两种系统的相关选择性值均低于1。经过测试，该系统最佳的运行条件为电压1.2?V，流速2?mL/min，KCl浓度为5–10?mM。在钾离子与钠离子以1:100的比例存在且电压为1.2?V的情况下，该系统的α_K/Na值仍为3.66?±?0.18，显示出即使在钠离子含量极高的情况下也能有效优先吸附钾离子。此外，经过400次循环后，KCuFC材料仍能保持初始电化学容量的84%，同时库仑效率也高于99%。研究还采用了小数据监督学习方法对测试数据进行了验证，得到的q_K平均绝对误差为2.315?mg/g。总体而言，本研究证明，基于KCuFC的单膜混合电容去离子系统是一种极具前景且实用的可调式技术平台，可用于从富含钠的盐水中选择性回收钾离子。