清华大学李晓岩/林琳SPT：电极颗粒的导电性和比表面积对流动电极电容去离子技术脱盐效率与能耗的重要性

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第一作者：何欣

通讯作者：李晓岩/ 林琳

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院

论文DOI：10.1016/j.seppur.2022.122308

研究背景

流动电极电容去离子技术（ FCDI ）可以通过流动电极的外部循环进行离子脱附和电极再生，从 而实现长期连续脱盐。 活性炭（ AC ）颗粒是最常用的电极材料，当其被制作为流动电极时其表面已被电极液中的离子物理吸附作用所饱和，去离子效果必须通过 AC 颗粒带电后的电吸附作用来实现。 因此，流动电极室中悬浮 AC 颗粒与集流板充分接触带电对 FCDI 的脱盐性能至关重要。 增加 AC 用量或引入高导电材料可以有效提高 FCDI 的脱盐效果。 目前大多数 FCDI 实验是在恒定电压模式下进行，电极颗粒的电导率直接影响电流强度，从而影响离子电迁移的速度； 而恒定电流模式下电极颗粒对离子的电吸附贡献尚未得到清晰阐明。 流动电极的特性，比表面积和电导率对离子电迁移（与电流有关）和电吸附（与带电表面积有关）对脱盐的影响仍需进一步明确。 此外，除脱盐效率外，还应该对不同电源模式下的脱盐能耗进行评估。

本文亮点

• 恒 定电流模式下,颗粒高电导率显著降低脱盐能耗；

• 恒定电压模式下，颗粒高电导率显著提高脱盐效率；

• 颗粒高表面积在保持高比电容同时减少反扩散；

• 添加炭黑有效增强集流板和电极颗粒之间的电荷转移。

内容简介

清华大学李晓岩/林琳研究了在恒定电流（CC）和恒定电压（CV）模式下，碳电极颗粒的导电性和比表面积对FCDI的脱盐效率和能耗的影响。具有大比表面积的低成本活性炭（AC）和具有高导电性的炭黑（CB）被用作流动电极电容去离子（FCDI）装置的流动电极颗粒。在CC模式下，将AC的含量从0.5 wt%增加到5 wt%，脱盐效率（SRE）仅有少量提高，维持在50.2%-54.5%，但能耗从1.39 kWh/kg大幅降低到0.73 kWh/kg。在1.2V的CV模式下，将AC含量从5 wt%提升到10 wt%，或在AC中加入少量CB（9:1），脱盐效率从65.6%显著提高到90%以上，同时能耗保持在0.64-0.68 kWh/kg之间。因此，电极颗粒的导电性极大地影响了CC模式下的能耗和CV模式下的脱盐效率。此外，CB的加入可以有效地提高集流板和电极颗粒之间的电荷转移。电极颗粒的比表面积在很大程度上调节着FCDI过程的电容量和反向扩散。

图文导读

由图2(a)可知，纯NaCl溶液（1g/L）作为流动电极时呈现出<1 mA的低电流；当5 wt%的AC颗粒加入电极液中，电流迅速增加到7.1 mA，这是由于AC颗粒和集流板之间的动态接触使AC颗粒瞬间带电，即实现电荷转移。值得注意的是，同样5wt% 的添加量，以CB配制的流动电极表现出更高的电流（15.9 mA）。因此，在流动电极悬浮液中添加高导电性颗粒剂（如导电CB）可以显著提高FCDI系统的导电性或给定电压下的电流密度。此外，由图2(b)可知，所有CV曲线未显示明显的氧化或还原峰，表明离子在电极表面的吸附与电双层（EDL）的电容有关。AC-CB混合物表现出最高的比电容（28.77 F/g），这归因于AC大比表面积和CB高电导率两者的协同效应。

由图3(a)可知，在CC (4mA) 模式下，随着AC添加量的增加，SRE有一定程度的提高，主要是由于带电AC颗粒表面对离子的电吸附量增加，从而减少了离子从电极室到进水通道的反向扩散。尽管在CC模式下电极颗粒的加入对脱盐率的提升作用有限，但可以大大降低FCDI的脱盐能耗。如图3c所示，随着AC含量的增加，脱盐能耗从1.52 kWh/kg下降至 0.73 kWh/kg。图3d-f显示，虽然CC模式提高电流密度能有效提升SRE，但同时会造成能耗显著提高的负面影响。由于CC模式下SRE主要由所施加的电流大小决定而维持相对稳定，所以该模式下应该更加关注能耗情况，这可以通过增加流动电极悬浮液中电极颗粒的用量或提升导电性来优化。

电极颗粒的导电性与表面积对FCDI的电容量和脱盐性能均有重要影响。如图4(a)所示，采用10 wt% AC和5wt% AC-CB（质量比9:1）的FCDI表现出相近的脱盐率 (95.5% vs. 95.3%), 这表明增加电极颗粒含量或提升颗粒导电性均有利于提升FCDI的脱盐效果。由图4(c)可知，采用单独AC、CB及其混合物做流动电极时，FCDI脱盐所需能耗差异不大，在0.64–0.68 kWh/kg之间，这表明虽然增加电极颗粒的导电性能可以在CV条件下明显改善FCDI的脱盐速率和效率，但对系统的能耗没有明显影响。

如图5所示，当流动电极悬浮液循环不断流过电极腔室时，碳颗粒瞬间直接和间接（通过其他碳颗粒）接触集流板，从而产生动态充电以进行电吸附功能。碳颗粒的这种动态接触和充电过程相当于显著扩大集流板的表面积，从而增加FCDI体系的电容量和电流密度。如果没有与集流板的这种瞬间接触以及由此产生的动态充电，游离的碳颗粒无法进行电吸附和脱盐。图5(a)演绎了流动电极室中AC颗粒的充电过程，首先AC碰撞到集流板存在概率性，再加上AC的低电导率，因此在任一时刻仅相当小的一部分AC颗粒能带电，其表面积具有电吸附作用，从而导致FCDI较低的电流密度和有限的脱盐性能。通过在AC流动电极悬浮液中加入更多的高导电颗粒（如CB），促进集流板和AC颗粒之间的接触和电荷转移，从而有效增加AC颗粒的带电机会；此外，带电的CB颗粒也有一定的电吸附效果。综上所述，CB的加入可以有效地提升集流板和电极颗粒之间的接触机会，从而扩大电极瞬间带电的表面积，促使更高的电流密度和更佳的脱盐性能。

总结与展望

本项研究将高比表面积 AC 和高导电性 CB 以不同的含量和组合作为 FCDI 的流动电极，以评估其在 CC 和 CV 条件下的脱盐效率和能耗。 电极颗粒的电导率对 CC 模式下的能耗和 CV 模式下的脱盐率具有重要影响。 在 AC 流动电极悬浮液中加入少量的 CB （质量比为 9:1 ）可以有效地促进集流板和流动电极颗粒之间的电荷转移。 同时，电极颗粒的表面积能提高 FCDI 电容量并减弱 FCDI 过程中的离子反向扩散。 通过在低成本的 AC 流动电极悬浮液中引入高导电性材料来优化流动电极系统，比过量增加 AC 的含量，更有利于同时确保高导电性和足够的表面积，以实现 FCDI 高效率和低能耗的脱盐目标。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122308

作者信息

李晓岩：清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究院教授，香港大学土木工程系讲席讲授。长期从事给水和污水处理科研工作，在膜-水界面调控及膜法净水技术、絮凝动力学和颗粒相互作用机理、废水处理微生物颗粒化技术、市政有机固体废弃物减量与资源转化等领域取得了多项具有创新性和实用价值的研究成果。曾获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、生态环境部环境保护科学技术二等奖、国家级海外高层次人才等荣誉奖励。担任国际SCI期刊Process Biochemistry副主编，已发表SCI期刊论文近300篇，总引用次数17500余次，H因子63，连续12年入选科学指标数据库（ESI）高被引学者（1%）。

林琳：清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究院助理教授，博士生导师。2018年博士毕业于香港大学，师从李晓岩教授，主要从事污水处理与资源化领域的研究，致力于碳氮磷物质的高增值转化与高效率回收技术研发；近五年主持国家自然科学基金与省市级纵向课题7项，在Environmental Science &Technology, Water Research等期刊上发表近40篇SCI论文，参编Wiley出版社英文学术专著；担任Journal of Hazardous Materials Advances青年编委与多个SCI期刊审稿人。

何欣：清华大学清华-伯克利深圳学院2019级博士生，研究方向为电容去离子技术，环境功能材料以及氮磷废水处理和资源化回收，以第一作者发表4篇SCI论文和1项发明专利。

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