河海大学杨涛教授团队 CEJ：离子交换树脂改善脱盐性能和能源效率的机理研究

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第一作者：林鹏

通讯作者：杨涛 刘忠 徐兴涛

通讯单位：河海大学 中国科学院青海盐湖研究所 浙江海洋大学

论文DOI：10.1016/j.cej.2023.145940

研究背景

随着水资源的短缺，能够结合储能和脱盐能力的新型脱盐技术的研发异常重要，如电容去离子、混合电容去离子和脱盐电池。然而，由于固体电极材料的盐吸附能力有限，这些技术通常用于处理低盐度的微咸水。

氧化还原流脱盐(RFD)是一种利用氧化还原反应去除水中盐分和其他溶解离子的电化学脱盐技术。RFD系统具有与电渗析类似的结构，但RFD的电解质(和电极)包含一个或多个氧化还原对，这使得它能够存储能量和更节能的脱盐。由于海水淡化过程中涉及的氧化还原反应也会在两种电解质之间产生电位差，因此可以进一步用于发电。这使得RFD系统在需要脱盐和储能的应用中非常有用，例如远程离网位置或需求高峰时期。此外，在低盐度的苦咸水淡化中，RFD在能耗和水生产率方面具有优势，符合世界范围内苦咸水淡化的共同目标。

然而，RFD仍然面临一些挑战，特别是在处理低盐度微咸水时。虽然RFD倾向于低盐度的进料，但低盐度溶液的低电导率不利于电化学过程。先前的研究探索了在非储能RFD系统中构建离子传输通道以提高其脱盐性能。然而，对储能RFD系统的研究仍然不足，离子传输通道对其脱盐性能和能效的影响还有待探索。另一个值得关注的问题是，现有的RFD研究大多使用NaCl溶液而不是半咸水，而实际的半咸水中含有Ca2+、Cl-、so42-等离子，这可能会影响RFD的性能。

内容简介

本研究提出了一个氧化还原流去离子(RFDI)的概念，通过使用离子交换树脂在氧化还原流脱盐(RFD)电池中构建离子传输通道，并且在饲料浓度为1000-5000 mg/L的情况下，与传统的RFD系统进行对比比，能耗显著降低27.4%，电功率输出增加24.1%。有限元分析结果进一步揭示了RFDI过程的机理，表明离子交换树脂通过形成离子传输通道降低了细胞阻力，从而提高了RFDI的性能。此外，对RFDI电池中的离子传输通道进行进一步修改，可能会导致更高的咸淡水脱盐和储能性能。本研究的结果对解决全球淡水短缺问题和开发更有效和可持续的海水淡化技术具有重要意义。

图文导读

RFDI电池的(a)脱盐(排放)和(b)浓缩(充电)示意图。“CEM”为阳离子交换膜，“AEM”为阴离子交换膜，“CER”为阳离子交换树脂，“AER”为阴离子交换树脂。

(a) RFD和(b) RFDI随饲料浓度降低的细胞电压。(c)随饲料浓度的降低，RFD和RFDI的细胞抗性变化。(d) RFD和(e) RFDI在不同电流密度下随进料浓度降低的放电功率。(f)不同进料浓度下RFD和RFDI的开路电压，以及进料溶液和电解质之间的盐度梯度所产生的电压示意图。

(a、b)出水浓度和(d、e)电流密度为1.5 mA·cm-2和2.0 mA·cm-2时RFDI和RFD的电池电压。(c, f)随出水浓度降低计算的排放功率。

(a、c)短路放电时RFDI和RFD电池的出水浓度和放电电流。(b、d)淡化率和污水浓度降低的电池放电电流密度。

在溶液电导率从200 μS/cm到2000 μS/cm的范围内，通过(a) RFD电池和(b) RFDI电池的总电流的模拟和观测值。(c) RFD和(d) RFDI溶液电导率为1000 μS/cm时的模拟电流分布。

总结与展望

本研究表明，在RFDI系统中加入离子交换树脂可以显著提高其脱盐和排放性能。此外，FEA结果表明，离子交换树脂构建了高效的离子转移通道，在离子转移中起着关键作用，导致在末端浓度为100 mg/L的短路放电模式下，RFDI的脱盐率比RFD高153.0%。展望未来，RFDI在能源储存、水处理和资源利用方面有很大的发展机会。水资源匮乏地区拥有丰富的咸淡水资源和可再生能源，但缺乏可再生能源消费能力，因此可以从RFDI储存剩余电力和生产淡水的能力中大大受益。此外，离子交换树脂技术的不断进步为发展更有效和成本效益更高的再投资系统提供了潜力，从而促进了水-能源关系的和谐结合。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145940

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