基于流通式多孔碳电极的电容去离子海水淡化技术研究

Due to the water resource deficiency, it is urgent to effectively utilize seawater. Capacitive deionization (CDI) is an energy-saving desalination technology for the removal of salt ions from aqueous solutions by forcing charged ions into the electrical double layer at an electrode-solution interface. Recently, membrane capacitive deionization technology (MCDI) in which CDI combined with ion exchange membrane has further improved the desalination efficiency. However, both of CDI and MCDI still can’t be applied in seawater desalination. In this project, a flow-electrode capacitive deionization technology (FCDI) is proposed based on the modification of MCDI by replacing the thin film electrode by porous carbon flow-electrode in salt solution. FCDI should be used successfully in seawater desalination in that it can break the limitation of CDI and MCDI. Several key issues is studied systematically here: (1) the study of excellent porous carbon electrode materials; (2) the investigation of kinetics, thermodynamics and adsorption modelling; (3) the optimization of device structure. The purpose of this project is to improve the desalination performance of FCDI by investigating the synthesis, elemental doping of porous carbon and related mechanism, the controllable setup of flow-electrode as well as by understanding the mechanism for the enhanced performance of FCDI in highly concentrated salt solution by using flow-electrode. This project is expected to enrich the FCDI technology largely and facilitate its application in the field of seawater desalination.

随着淡水资源的日益缺乏，如何有效地实现海水淡化是目前急需解决的难题。电容去离子技术（CDI）是一种利用界面双电层进行电容吸附去离子的节能环保技术。将CDI与离子交换膜结合的膜电容去离子技术（MCDI）进一步提高了脱盐效率。然而CDI和MCDI还无法应用到高浓度脱盐领域。本项目研究了一种基于流通式电极的电容去离子技术（FCDI）。这种技术在MCDI的基础上进行改进，摒弃了薄膜电极，采用分散在盐溶液中的多孔碳作为流通式电极，有望实现高浓度的海水脱盐。本项目主要解决这种新型技术的几个关键问题：（1）性能优异的流通式多孔碳电极材料，（2）动力学、热力学规律和吸附模型及（3）最佳器件结构的研究。通过探索多孔碳的制备、元素掺杂和相关机理，可控的流通式电极的构筑以及理解流通式电极增强FCDI高浓度脱盐能力的机制，提高FCDI的脱盐性能。预计本项研究将极大地完善FCDI技术，推动其在海水淡化中的应用。

随着工农业规模不断扩大、人口急剧增加、两极冰川融化、水污染加剧，全球范围的淡水资源供需矛盾日益激化。为了解决淡水资源危机，在实施循环、经济利用淡水资源等“节流”政策的同时，更为重要的是开发和利用非常规水资源，实现淡水资源的“开源”。众所周知，地球上98%以上的水资源为海水或苦咸水，但由于其盐度过高难以直接利用。因此，如何经济有效的实现苦咸水和海水淡化成为了解决水危机的关键所在。基于流通式电极的电容去离子技术（FCDI，flow-electrode capacitive deionization）是一种新型的节能环保水处理技术，本项目主要针对FCDI技术进行了系统研究，研究内容包括：（1）多孔碳和氮掺杂多孔碳电极材料的制备研究；（2）流通式电极在电容去离子器件中的集成研究；（3）FCDI器件结构及去离子性能的研究。项目研究的主要成果是系统地研究了新型高效的 FCDI 水处理技术，以提高其脱盐性能为目标，探索开发性能优异的流通式金属有机框架化合物（MOFs，metal organic framework）衍生多孔碳电极，并优化器件结构和工艺，实现 FCDI 在高浓度的苦咸水和海水淡化中的应用，具体如下：1）以 MOFs 为前驱体可控制备形貌规整、孔径可调的多孔碳颗粒，并通过对多孔碳进行元素掺杂，提高其脱盐能力。2）摒弃传统的薄膜电极，采用分散在一定浓度的盐溶液中的多孔碳颗粒作为流通式电极，突破了传统电容去离子和膜电容去离子技术的限制，实现了高浓度的苦咸水和海水脱盐。3）通过采用不对称电极结构以及结合中和渗析技术，并研究脱盐的传输过程，有效提升了FCDI的脱盐性能。本项目的研究极大地完善了FCDI技术，使其有望广泛应用于节能环保的高浓度苦咸水和海水淡化等领域。