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摘要
冲击波电渗析（SWED）利用表面带电多孔材料内的微流控通道，在过电流条件下诱导离子浓度极化，从而实现高效的水资源回收和能源利用。到目前为止，仅有少数研究评估了使用硼硅玻璃熔块（BSGF）的单电池SWED原型，这些原型在微型尺度下运行，每个电池的活性膜面积为200平方毫米
摘要
冲击波电渗析（SWED）利用表面带电多孔材料内的微流控通道，在过电流条件下诱导离子浓度极化，从而实现高效的水资源回收和能源利用。到目前为止，仅有少数研究评估了使用硼硅玻璃熔块（BSGF）的单电池SWED原型，这些原型在微型尺度下运行，每个电池的活性膜面积为200平方毫米，表面流速为10^-5至10^-6米/秒。在这里，我们报道了一种基于阳离子交换膜配置的台式多电池SWED模块，每个电池的活性膜面积为4000平方毫米，表面流速约为10^-4米/秒，与以往的研究相比，其通量提高了两个数量级。我们进一步开发了一种阳离子交换树脂片材，作为在过电流条件下运行的电渗析系统的有前景的替代多孔介质，并系统地将其性能与传统的BSGF进行了比较。实验结果表明，在连续运行约60分钟后，脱离子效率超过了90%，电流效率为64±12%（n=4），具体取决于操作条件和堆栈配置。我们进一步阐明了在各种操作条件下由过电流引起的离子浓度极化机制。最后，我们提出了优化SWED反应器的设计策略，强调了分离效率、水资源回收和能源消耗之间的权衡。这项研究首次证明，通过几何优化可以显著提高SWED的能源效率，使用更薄的通道和多电池配置可以在较低的能源消耗下保持处理能力和脱离子性能。这项研究标志着SWED向实际规模扩展的重要里程碑，展示了其作为高效大规模 Wasserentsorgung 和脱离子平台的潜力。
引言
电渗析（ED）是一种从微咸水流中回收水和资源的高效技术，可以直接由可再生能源供电（Alkhadra等人，2022b；Pan等人，2018a）。ED利用外部电场驱动阳离子和阴离子分别向阴极和阳极移动。这使得可以从水溶液中选择性分离和浓缩目标离子（Alvarado和Chen，2014；Fan等人，2022）。尽管具有这些优势，ED仍面临由于离子交换膜附近形成离子贫化区域而导致的离子浓度极化（ICP）问题，这降低了离子传输通量和扩散速率，从而限制了电流（Gurreri等人，2020；Xu等人，2024；Yao等人，2024）。因此，传统的ED通常在低于极限电流的条件下运行以减轻ICP。最近的一项研究（Wenten等人，2020）发现，将表面带电的多孔材料引入ED可以引入额外的离子传输路径，实现过电流（OLC），从而提高离子传输性能。一个显著的例子是冲击波电渗析（SWED）（Dydek等人，2011；Li和Anand，2016；Mani和Bazant，2011），它展示了在OLC驱动下进行离子分离的强大潜力。
SWED是过去十年中发展起来的一项新兴技术。SWED利用带负电荷的微孔材料，通过表面传导和电渗透等电对流机制来利用非线性ICP（Deng等人，2013）。这导致在一个体流体中形成浓度梯度，形成一个脱离子冲击波，从而分离出离子贫化和离子富集区域。因此，SWED可以避免使用阳离子或阴离子交换膜，有利于降低能源消耗和减轻膜污染问题。这一概念最初由Bazant及其同事理论提出并进行了实验验证（Dydek和Bazant，2013；Schlumpberger等人，2015）。关于SWED的实验研究也很少，特别是在材料开发和反应器配置方面。例如，Schlumpberger等人（2015）报告称，在流速约为0.04–0.15毫升/分钟的情况下，钠和钾的去除率超过了99%。Alkhadra等人（Alkhadra等人，2020a；Alkhadra等人，2020b）和其他人（Mohammad A. Alkhadra，2022；Tian等人，2021b）在类似的流速范围内研究了离子选择性、重金属去除和pH效应。由于该技术的成熟度较低，大多数现有的SWED研究都是在非常小的规模下进行的，例如流速范围为0.02至0.20毫升/电池，相应的表面流速低于10^-5米/秒（见表S1，见补充信息）。
除了与规模相关的限制外，用于SWED的多孔材料选择范围仍然有限。硼硅玻璃熔块（BSGF）是SWED中最广泛使用的多孔材料，其孔径约为1.0微米，BET表面积约为1.75平方米/克，孔隙率约为30%，如先前研究所述（Alkhadra等人，2020b；Conforti和Bazant，2020；Schlumpberger等人，2015）。也测试了其他多孔材料，如孔径较大的耐火陶瓷（例如16–40微米），但它们的脱盐性能较低，且其表面电荷特性尚未得到充分表征（Cizek等人，2020）。通常用于电去离子以防止树脂通道化的树脂片材也已被应用于SWED中的选择性金属分离（Mohammad A. Alkhadra，2022）。然而，混合树脂中的双极结处的水解可能会改变pH值，从而影响脱离子性能并导致沉淀和堵塞问题。此外，可扩展的SWED反应器设计仍然不足。据我们所知，只有Cizek等人（2020）报道了基于阴离子交换膜配置的可扩展多电池SWED。然而，此前没有研究展示过使用阳离子交换膜与较大孔径BSGF结合的台式多电池SWED。由于SWED技术仍处于早期发展阶段，且通常能耗相对较高，因此优化反应器几何形状和多孔材料对于提高能源效率、操作性能和可扩展性至关重要（Alkhadra等人，2020b）。这些限制突显了系统研究材料和反应器配置的必要性，以促进SWED的规模化。
为了解决这些研究空白，我们首次报道了一种台式多电池SWED模块，每个电池的活性膜面积为4000平方毫米，表面流速约为10^-4米/秒，与以往的研究相比，通量提高了两个数量级。我们还开发了一种新型的阳离子交换树脂片材（CERW），旨在减少SWED中的水解和pH值不稳定性，与传统的混合离子交换树脂片材相比，后者由于同时含有阳离子和阴离子交换树脂而促进了水解（见图S1）。其性能与传统BSGF进行了对比，以评估其提高SWED效率的潜力。我们分析了使用不同多孔材料和堆叠配置的SWED模块中离子分离的动力学和时间演变。我们还研究了表面电荷和树脂官能团在控制导电性方面的作用，区分了强调表面传导的SWED和强调整体树脂导电性的电去离子。因此，本研究的目标是：（1）通过比较单通道和多通道配置（通道厚度不同）来证明可扩展SWED模块的概念；（2）通过系统地表征表面电荷、离子导电性和电流-电压行为，阐明材料属性如何影响ICP和脱盐性能；（3）从脱离子效率、水资源回收和能源消耗的角度评估系统性能。这项研究应被视为一项开创性的研究，确定了控制SWED性能的关键设计参数，为其优化和扩大应用于高效水和资源回收提供了见解。
部分摘要
在这项研究中，设计了一种包含阳离子交换膜（CEMs）的可扩展SWED模块。如图1a所示，该系统由一个SWED模块、两个泵（Masterflex L/S，德国）用于进料和电极冲洗循环，以及一个直流电源（IT6942A，ITECH，台湾）组成。SWED单元外壳包括两个外部钢板、两个电极外壳和多个装有中央分隔器的多孔材料框架。与传统单电池相比
研究了各种表面带电多孔材料和堆叠配置的电化学性质，以阐明由离子浓度机制触发的OLC行为，这导致了ICP的形成，从而实现了脱离子。例如，Zeta电位反映了胶体或多孔材料在电解质溶液中的表面电荷和稳定性。较高的绝对值通常表示更强的静电相互作用，影响离子传输、吸附等
这项系统研究了多孔材料属性和堆叠配置对SWED的电化学行为和脱盐性能的影响。据我们所知，这是首次制造并应用由单电荷细树脂颗粒组成的多孔材料（即CERW）进行SWED操作的研究。此外，本研究中使用的BSGF的孔径大约比以往SWED研究中报告的孔径大一个数量级
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。
Yu-I Lin：撰写——原始草案、验证、方法论、研究、数据整理。Po-Chih Tseng：撰写——审阅与编辑、软件、概念化。Hyunook Kim：撰写——审阅与编辑、资源、方法论。Yupo J Lin：撰写——审阅与编辑、项目管理、形式分析。Shu-Yuan Pan：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、形式分析、概念化。
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。
特别感谢台湾地区国家科学技术委员会（NSTC）在Grant Number NSTC 114-2223-E-002-008-MY5项下的支持。Hyunook Kim还得到了韩国能源技术评估与规划研究所（合同编号：202504242006）的支持，对此表示感谢。
Yu-I Lin|Po-Chih Tseng|Hyunook Kim|Yupo J Lin|Shu-Yuan Pan台湾国立大学生物资源与农业学院生物环境系统工程系，罗斯福路1号第4区，台北市10617，台湾地区
