Desalination: 迈向中试规模流动电极电容去离子

第一作者：Niklas Köller

通讯作者：Matthias Wessling

通讯单位：亚琛工业大学

DOI: 10.1016/j.desal.2023.117096

摘要

流电极电容去离子 (FCDI) 是一种用于节能海水淡化和盐浓缩的可行技术。在气候变化和向循环经济转变的背景下，这两种应用都受到越来越多的关注。然而，FCDI 尚未达到适合工业应用的技术准备水平 (TRL)。这项研究提供了一种方法来弥补文献中记载的实验室规模系统 (TRL 4) 与中试规模系统 (TRL 5) 之间的差距。放大是通过（a）增加膜横截面和（b）类似于电渗析的细胞堆叠方法来实现的。开发了膜横截面为320 cm2的不同模块结构（石墨集电器和膜电极组件）并在实验中进行了比较。此外，还构建了具有20个堆叠单元的膜电极组件(MEA)模块。这相当于典型实验室规模系统的膜面积增加了260倍。该模块达到了1.1 μmol/(min⋅cm2)的比盐转移率，这在文献中描述的实验室规模系统的范围内。该系统达到了FCDI有记录的最高绝对盐处理能力。基于这种设计方法，将有可能将 FCDI 的能源需求和经济性与现有的海水淡化技术进行合理比较。

背景介绍

农业和工业废水通常含有氯化物、硝酸盐或磷酸盐等盐，这些盐以高浓度排放到自然水体中。这通过盐化和富营养化对淡水生态系统产生负面影响，并使地下水资源紧张。因此，实施越来越严格的法规来限制排放。此外，人们对封闭材料循环和在工业过程中回收这些高浓度盐的兴趣日益浓厚。由于资源有限，对于磷酸盐或锂盐来说尤其如此。尽管如此，随着原材料价格的上涨和新技术的出现，这也适用于硝酸盐等其他盐。因此，工业界需要能够从含水进料流中分离盐（脱盐）并增加其在另一流中的浓度（浓缩）的工艺。此外，由于废水中可能存在不同的盐，选择性脱盐和浓缩对于未来的水处理技术变得重要。

海水淡化和盐浓缩的最节能选择是反渗透 (RO) 等膜工艺。它是一项应用广泛的技术，主要用于海水或苦咸水淡化，但也可用于处理工业废水。RO中，只有水可以透过膜；所有离子的保留率都很高。因此，RO 无法实现不同盐之间的选择性。相比之下，由于Donnan排斥，纳滤 (NF) 膜通常保留更强的带电多价离子。一价离子穿过膜，从而可以分离一价盐和二价盐。RO 和 NF 是压力驱动的过程，其中体相优先渗透通过膜，而溶质被保留。

大多数FCDI研究都采用带有扁平IEM的板框式模块。这通常是最容易实现的模块设计，并且由于它在 ED 中也很常见，因此 ED 系统的组件（膜和垫片）可用于 FCDI 研究。在之前的工作中，研究了在实验室规模的 FCDI 中堆叠板和框架模块的不同方法。在这里，展示基于相同概念的模块。首先将膜面积从 40 cm2（实验室规模）缩放至 320 cm2。然后考虑两种不同的堆叠概念。在两个工作电极之间堆叠许多电池对的典型方法对于 FCDI 来说是不可行的：重复电池对的电阻变得太高，并且穿过电池的电流减小。在上部系统中，这是通过四个电池对实现的，从而导致更高的欧姆 iR 压降和更小的可用于离子传输的电流。在 ED 中，这个问题可以忽略不计，因为电极上的电压可以增加到 400 V，例如，以获得高电流。这对于 FCDI 来说是不可能的，因为必须避免法拉第反应，因此电极电压应保持在 1.23 V 以下。相反，必须重复具有流电极通道的整个模块（堆叠单元），这样做的缺点是，由于电极之间的电流传输涉及较少的通道，因此在相同的电流下传输的离子较少。因此，电池对堆叠和堆叠单元应一起使用，以实现最佳的系统。

在这项研究中，采用电池对与堆叠单元堆叠在一起。堆叠单元 (SU) 是独立的 FCDI 单元，共享一个流电极。每个堆叠单元（SU）包含两个电池对（CP）。人们发现这是仍然可以实现高电流效率的最佳电池对数量。一个 CP 由由阴离子交换膜 (AEM) 分隔的稀释液和浓缩液通道组成。与相邻的 CP 共享一张阳离子交换膜 (CEM)。每个SU包括与相邻SU共享的两个流电极通道。这是通过两侧流场实现的，类似于燃料电池或电解槽中的双极板。堆栈中的所有流电极通道彼此并联连接。与多个 FCDI 模块的并联连接相比，这种堆叠概念的主要优点是需要更少的端板。这种方法仅使用两个端板来容纳最多 20 个堆叠单元，而不是每个模块使用两个端板。主要缺点是，将进料和流动电极均匀分布到模块中的大量通道可能具有挑战性。此项研究的放大方法使用膜电极组件 (MEA) 将电流传输到流动电极。MEA 是阳离子交换膜 (CEM) 与充当集电器的碳纤维织物的组合。

图文解析

总结与展望

FCDI 是一种电力驱动海水淡化和浓缩的创新方法。为了展示这种相对年轻的技术的优点和缺点，需要在与这些工艺的应用相关的规模上进行研究。本研究展示了通过电池堆叠将 FCDI 单个模块扩大到中试规模 (TRL 5)。首先，通过选择更大的膜来增加实验室规模模块的膜面积。然后，通过重复单元的堆叠来进一步提高模块的处理能力。堆叠多个流电极通道可保持膜电极组件之间的压降较低。建造了活性膜面积为 3.2 m2 的堆叠模块，在高电流效率下达到了 1.1 μmol/(min⋅cm2) 的平均盐转移率 (ASTR)，使我们能够在进料流量大于80 升/天。本研究为FCDI的规模化推广奠定了基础。未来的工作将研究和优化模块中堆垛单元的稀液和浓缩液的分配。此外，在不久的将来，还将研究通过在处理工业废水的试验工厂中增加和实施堆叠模块来进一步扩大规模。在此应用中，计划对电渗析的 FCDI 工艺进行直接基准测试，并对结果进行技术经济分析。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.117096

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