《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effect of FCDI Slurry Viscosity on Desalination Performance and Pumping Energy: An Insight from Molecular Dynamics Simulations and Experiments
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•表面润湿性决定了流式电容去离子（FCDI）中碳粒子的团聚行为。•碳聚集体不能被等同于单一颗粒来处理。•化学改性降低了泵送能耗，而表面活性剂则提高了泵送能耗。引言由于全球人口扩张和城市化进程加速，淡水稀缺已被广泛认为是当今重要的问题之一[1]。海水淡化技术的持续发展使得可以获
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表面润湿性决定了流式电容去离子（FCDI）中碳粒子的团聚行为。
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碳聚集体不能被等同于单一颗粒来处理。
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化学改性降低了泵送能耗，而表面活性剂则提高了泵送能耗。
引言
由于全球人口扩张和城市化进程加速，淡水稀缺已被广泛认为是当今重要的问题之一[1]。海水淡化技术的持续发展使得可以获取更广泛的水源，如盐水和海水。在中东和新加坡等地区，海水淡化甚至已成为淡水的主要来源[2]。作为各种海水淡化技术中的一种新方法，电容去离子（CDI）通过离子在多孔电极中的电吸附来产生淡水，因而具有独特性[3]。得益于这种机理，CDI具有显著优势，包括低能耗、环境相容性和高经济效益[4]。
然而，传统CDI装置由于使用固定的多孔电极而必须间歇运行[5]。为了克服这一缺点，研究人员最近开发了流式电极电容去离子（FCDI）技术，即用可流动的碳浆料替代传统的固定电极[6]。为了提高FCDI脱盐效率，研究人员从多个角度探索了优化策略，包括高性能集流体的设计[7]、[8]、[9]。此外，还投入了大量努力来优化电极浆料本身的组成。Alkhulaifi等人[10]开发了一种对浆料电极材料的电导率进行原位量化的方法，并基于该方法直接观察到：在相同颗粒质量下，炭黑（CB）的电导率是活性炭（AC）的五倍，且CB/AC混合物在约60%的CB质量分数时达到峰值电导率，这是由于形成了导电网络[10]或渗流网络[11]。此外，研究发现颗粒形貌对电化学性能有显著影响，因为高长径比颗粒倾向于形成更密集的聚集体[12]。除了静态组成之外，原位流动动力学如重力沉降也会影响颗粒堆积和电荷传输[13]。然而，实验室中常用的磁搅拌和蠕动泵很容易导致球形碳（AC或CB）颗粒破碎或分散成更小的碎片[14]，从而破坏导电网络，进而降低脱盐效率。为解决这一问题，开发了一种微型射流泵用于浆料输送[15]。该泵利用高速水流卷吸并泵送浆料，无需移动固体部件，从而保持了颗粒完整性，有利于维持渗流网络的完整性并确保脱盐性能。
与传统的固定电极CDI不同，FCDI脱盐的总能耗通常可分为用于离子迁移和吸附的电能以及用于电极流动的泵送能耗。虽然前者最受学界关注，但泵送能耗在很大程度上被忽视了。鉴于典型的FCDI电极浆料主要由质量分数在5至20 wt.%之间的碳粒子组成，其粘度估计与进料水粘度差异很大。因此，预期FCDI浆料所需的泵送能耗会增加，从而推动了低粘度电极浆料的发展[16]。据估计，用于电极流动的泵送能耗可占总能耗的50%以上，且高度依赖于电极浆料的粘度[17]。浆料粘度随碳含量的增加[18]或引入导电添加剂[19]而升高。虽然表面活性剂可以显著降低粘度，但常用的表面活性剂往往会损害电学性能和脱盐性能。例如，研究发现Tween 20浓度超过临界浓度时会导致CB浆料中导电网络灾难性坍塌[20]。因此，脱盐效率与泵送能耗之间存在固有的权衡关系。
泵送能耗由电极浆料的粘度决定，而粘度又受碳粒子、盐离子和水分子之间微观相互作用的控制。已有研究表明，较高的碳含量可因强范德华力引发粒子自发团聚，导致粘度升高、泵送能耗增加和通道堵塞[21]。因此，需要从微观视角来理解浆料的本征流变机制。然而，很少有研究在微观层面探讨FCDI电极的流变学，因此需要参考其他领域的发现。例如，含有碳化硅颗粒的硅油的流变性能强烈依赖于粒子浓度[22]。对TiO?悬浮液的研究表明，电解质可以在电场下诱发电粘效应，且根据电解质的类型和浓度不同，该效应可以将假塑性流体转变为膨胀性流体[23]。在FCDI的水环境中，无处不在的氢键可能为浆料的流变特性增添更多复杂性[24]。如上所述，微观分子间相互作用引起了团聚行为和流变特性，而常规实验方法难以对此进行解释[25]。在此背景下，分子动力学（MD）模拟通过提供原子层面的粒子动态行为，非常适合解决这一局限[26]。已有研究发现，以乙二醇为基底的流体粘度随银颗粒直径的增大而非线性降低[27]。也有研究表明，较高温度通过削弱固-液界面相互作用，显著降低了Fe?O?流体的粘度[28]。因此，根据上述多领域的洞察，我们相信MD模拟为在原子尺度揭示FCDI流式电极的流变行为提供了有效手段。
本研究旨在探讨碳粒子流体的流变行为，并解释粒子表面性质对FCDI性能的影响。我们采用FCDI实验研究脱盐性能及浆料相应的压降，后者取决于粘度和流速。我们进一步从本征表面性质的角度利用MD模拟，研究粒子表面润湿性如何控制碳粒子在水环境中的微观相互作用，以及不同碳含量下浆料的流变特性。特别是，鉴于碳粒子团聚的重要性，本研究重点关注表面亲水性和疏水性对团聚行为和表观粘度趋势的影响。我们将宏观数值模型与实验相结合，基于脱盐性能和能效，比较不同电极浆料用于离子去除的电能和用于脱盐的泵送能耗。
章节摘要
材料
氯化钠（NaCl）购自上海国药化学试剂有限公司。活性炭（AC）和炭黑（CB）购自福州益环炭素有限公司。分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）购自天津中联化学试剂有限公司。活性炭样品的电导率表征数据（18.2 MΩ·cm；Millipore，美国）如下所示。所有化学品均直接使用，未作进一步纯化。阳离子
实验中的脱盐性能与压降
我们研究了不同碳含量电极浆料在各种流速下的脱盐性能，并使用差压表测量了压降。图3(a)、(b)和(c)分别展示了流式电极压降、出水浓度和ASRR作为碳含量（5–10 wt.% AC）和流速（20–100 mL/min）的函数关系。如预期，碳含量为10 wt.%的电极具有更高的脱盐效率，因为
结论
在本工作中，我们的FCDI实验表明，增加碳含量可改善脱盐性能。然而，较高的碳含量容易引发粒子团聚和通道堵塞，表现为压降急剧上升和脱盐性能严重恶化。从材料表面性质的角度出发且不考虑流动效应，MD模拟从定性角度揭示了浆料粘度随碳含量的非线性增加
CRediT作者贡献声明
Yan Zishu（严子舒）：调查。Hou Chengsi（侯诚思）：方法论。Gu Haibo（顾海波）：调查、数据整理。Huang Minzhi（黄敏智）：调查。Zhang Jiahong（张家洪）：撰写——初稿、数据整理。Wu Deli（吴德利）：资金获取。Mao Yunfeng（毛云峰）：撰写——审阅与编辑、可视化。
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到上海市自然科学基金（25ZR1403007）和国家自然科学基金委（52106107）的支持。
Zhang Jiahong | Gu Haibo | Huang Minzhi | Yan Zishu | Hou Chengsi | Mao Yunfeng | Wu Deli
