环境工程学报, 12(8): 2141-2152

DOI 10.12030/j.cjee.201805064    中图分类号  X703   文献标识码  A


王凯军,房阔,宫徽,等. 从低能耗脱盐到资源回收的电容去离子技术在环境领域的研究进展[J]. 环境工程学报,2018,12(8):2141–2152.
WANG Kaijun, FANG Kuo, GONG Hui, et al. Review on research of capacitive deionization technology in field of environment from low energy consumption desalination to resource recovery [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(8):2141-2152.
从低能耗脱盐到资源回收的电容去离子技术在环境领域的研究进展
王 凯军 *, 房 阔, 宫 徽 , 何 文妍
清华大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京 100084
第一作者:王凯军(1960—),男,博士,教授,研究方向:水污染控制和资源化。E-mail:wkj@mail.tsinghua.edu.cn
*
通信作者
收稿日期: 2018-05-13; 录用日期: 2018-07-06
基金项目: 中国博士后科学基金资助项目(2017M620799);国家自然科学基金资助项目(51608298);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102-003, 2017ZX07103)

摘  要 

电容去离子(CDI)技术因具有高效、节能、环保、经济等优异性能,自20世纪60年代发明至今,一直得到研究者的广泛关注。在查阅资料的基础上,从理论研究、工程应用、材料研究3个方面介绍了CDI技术的发展历程,并分析了其理论原理、电化学反应过程、能耗与经济性,并从运行条件和电极优化2个方面对效率的优化提升进行了深入探讨,介绍了CDI技术装置国内外产业化应用情况,提出了CDI技术不仅在脱盐及污水处理领域具有较大发展空间,在环境废物资源化回收方面同样具有广阔的应用前景。
Review on research of capacitive deionization technology in field of environment from low energy consumption desalination to resource recovery
WANG Kaijun *, FANG Kuo, GONG Hui , HE Wenyan
State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
*
Corresponding author

Abstract  

Capacitive deionization (CDI) technology has attracted extensive attention since invented in 1960s due to its outstanding performance, such as high efficiency, low power input, environmental friendly and low cost. On the basis of data access, the development history of CDI techonlogy was introduced from three aspects, including theoretical, engineering and material. Meanwhile, the theoretical basis, electrochemical reaction process, energy consumption and economy property were summaried. Afterwards, two common methods to improve the desalination performance, the optimization of operation condition and electrode material, were expounded. Then, The industrialization of CDI technology was introduced.The author stated that CDI technology not only has a bright future in the field of desalination and wastewater treatment, but also in the area of resource recovery.

1 电容去离子技术的起源

在资源紧缺的21世纪,对污水中资源性物质进行破坏性去除的传统水处理技术,难以满足可持续发展的需求,污水资源化处理的需求促进水处理新技术的发展,也为电容去离子(capacitive deionization,CDI)技术的发展创造了机遇。CDI技术起源于20世纪60年代,与传统脱盐技术相比,无有毒有害物质生成,避免二次污染[1];吸附完成后进行解吸时,可将吸附过程中储存的能量释放出来,从而具有节能的特性[2-3]
本研究从理论研究、工程应用、材料研究3个方面介绍了CDI技术的发展历程,并进行CDI技术原理的分析,在此基础上阐述CDI技术效率优化提升的进展(包括运行条件和电极优化),介绍CDI技术装置国内外产业化利用情况,最后综述了CDI技术在环境废物资源化回收方面的应用进展。

1.1 CDI技术的发展历程

CDI技术的发展经历了提出CDI技术理念、用法拉第反应和离子交换解释CDI机理、MCDI机理解释等几个阶段,图1为CDI技术发展历程。
图1 CDI技术发展历程
Fig. 1 Development process of CDI technology
图1 CDI技术发展历程
Fig. 1 Development process of CDI technology
Cjee 201805064 t1
自20世纪60年代CDI技术被发现以后,受科学认识水平的限制,认为离子的去除主要是碳材料表面官能团的作用;直到20世纪70年代,JOHNSON等[4]提出“电容离子吸附”理论,即“双电层理论”,揭示了CDI技术对离子去除的主要机理是由于电容的储存作用;1995年,随着新材料碳气凝胶的出现,可以显著提升CDI反应器的吸附能力,被认为是CDI技术发展历程中里程碑意义的事件。在此之后,CDI技术应用领域逐渐拓宽,进入快速发展阶段。
近年来,CDI领域的研究热度不断上升,截至2018年3月,研究论文数量由2000年的2篇上升到2017年的317篇,如图2所示(中文文章检索于CNKI,关键词为“电容去离子”;英文文章检索于Web of Science,关键词为“Capacitive Deionization”)。此外,研究者也通过中试实验探究CDI技术的可行性,结合技术、经济、能耗等综合性能指标进行环境影响评价,与传统脱盐技术进行比较,全面进行评估。
图2 近年来CDI技术相关研究论文数量的变化
Fig. 2 Change of numbers of research papers related to CDI technology in recent years
图2 近年来CDI技术相关研究论文数量的变化
Fig. 2 Change of numbers of research papers related to CDI technology in recent years
Cjee 201805064 t2

1.2 理论基础

双电层理论是解释CDI过程最常用的理论之一,最早在19世纪由研究者VON HELMHOLTZ[5]提出。原理如下:多孔材料与溶液主体的界面上存在电荷差,两相之间会自发进行电荷补偿,直到两相的总电荷为零,吸附过程完成。将2个电极短接或接反电压后,解吸过程开始,带电离子脱离多孔材料表面的双电层结构,向溶液中迁移。VON HELMHOLTZ[5]认为,CDI反应器中的电容CH是恒定不变的,计算式如下:
C H = d q d V = ε ε 0 A d
(1)
式中:q为电流密度;V为电势差;ε是溶液的介电常数;ε0是溶液的真空介电常数;A为电极材料表面积;d为双电层的厚度。
然而,用VONHELMHOLTZ[5]建立的双电层模型来描述CDI的反应过程具有一定的局限性,GOUY等[6]和CHAPMAN等[7]建立了GC模型:离子由于热运动而扩散在主体溶液中,在其中形成扩散层,扩散层通过Stern层与主体电极材料之间连接起来。GC模型提出2个要点:首先,离子的吸附是在扩散层中完成的;其次,部分与电极材料所带电荷相同的离子位于电极材料表面附近时,会受到静电斥力而向主体溶液中迁移,即为同离子效应,此时整个反应器的电流效率降低(小于1.0)。
在双电层模型提出之后,很多研究者继续对反应器机理进行深入研究:当孔径尺寸足够大(大于德拜长度)时,假设双电层没有重叠,用GCS模型[8]解释电极中离子的迁移过程;当孔径尺寸较小(微孔为主),双电层重叠明显,则可以使用修正唐南模型[9]来解释微孔中离子的迁移过程。

1.3 电化学反应及过程

双电层理论可以用来解释离子的迁移及储存过程,但该理论并不能完全涵盖CDI内部发生的所有反应。本研究主要介绍2类可能出现的电化学反应及过程:非法拉第反应和法拉第反应(图3)。
图3 非法拉第反应与法拉第反应示意图
Fig. 3 Schematic diagram of non-Faradaic reaction and Faradaic reaction
图3 非法拉第反应与法拉第反应示意图
Fig. 3 Schematic diagram of non-Faradaic reaction and Faradaic reaction
Cjee 201805064 t3

1.3.1 非法拉第反应

非法拉第反应即反应过程中无电子参加的反应,在CDI反应器内主要有电容离子储存过程、动力学离子迁移过程及化学基团表面带电现象。
1)电容离子储存过程。指施加电压之后材料表面形成双电层,离子由于静电引力储存在双电层中,即为前文提及的双电层理论。
2)动力学离子迁移过程。双电层形成后,不同离子在主体溶液中的迁移性不同,即离子迁移动力学常数不同,带电离子需要依次经过多孔材料的大孔、介孔,最后到达微孔中,而被双电层吸附。一般情况下,H+离子和OH离子的迁移性强于盐离子,当2个电极吸附的H+和OH离子数量不同时,主体溶液的pH就会随之变化[10]
3)化学基团表面带电现象。多孔电极材料表面常常含有官能团(如羧基、氨基等),这些基团的存在会使电极材料具有两性,主体溶液与电极材料界面处的pH决定了这些基团的形态。在某一特定pH下,多孔电极材料呈现电中性,高于这一pH时,电极材料带负电,反之亦然[11]

1.3.2 法拉第反应

法拉第反应指有电子参加的反应,即反应过程中有电子得失、物质价态改变的反应。CDI过程中典型的法拉第反应包括碳表面基团氧化还原反应、水化学反应、碳氧化反应。
1)碳表面基团氧化还原反应。指多孔碳材料表面所带有的官能团会在CDI过程中发生氧化还原反应,从而导致形态转变,并非简单的水解过程。典型的碳表面基团氧化还原反应为醌到氢醌的转化,即=O键断开,生成2个—OH基团。
2)水化学反应。指水溶液中发生的反应,主要包含水的电离、溶解氧的生成、Cl离子的氧化等。水的电解电压是1.23 V,当电压高于该值时,电解水生成气体分子H2和O2,扩散在主体溶液中。溶解氧扩散到正极材料附近时会发生还原反应,生成OH离子,造成出水pH的增大。此外,Cl离子会发生歧化反应,生成ClO,造成出水中离子种类的改变[12]
3)碳氧化反应。指多孔碳材料自身发生的氧化还原反应。在反应中,电极材料会在电场中发生自身氧化还原反应,生成CO2,造成电极材料的损失,影响系统长期运行的稳定性[13-14]

1.4 能耗与经济性分析

SEMIAT[15]对多级闪蒸、多效蒸馏、反渗透、电渗析及CDI技术脱盐的能耗进行核算,结果如表1所示。在能耗方面,CDI技术与RO技术相比具有一定的优势。此外,PORADA等[1]发现,CDI技术消耗的能量与进水浓度成正比,当进水浓度小于30 mmol·L−1时,CDI技术具有较大的优势,进水浓度进一步提高后,CDI技术能耗明显增加,而RO技术的能耗在各种浓度范围下变化较小,因此,在高浓度范围,RO技术的节能性更好。WELGEMOED等[16]建立了3 785 m3·d−1 CDI脱盐中试项目,进水2 000 mmol·L−1左右,运行成本为0.11美元·t−1,而典型RO工艺的平均运行成本为0.35美元·t−1。由此看出,进水浓度在低水平范围内时,无论是能耗还是运行成本方面,CDI技术较RO都具有比较大的竞争力。
表1 各种脱盐技术能耗及适用浓度范围对比
Table 1 Comparison of energy consumption and applicable concentration range of different desalination technologies
表1 各种脱盐技术能耗及适用浓度范围对比
Table 1 Comparison of energy consumption and applicable concentration range of different desalination technologies
技术
能耗/(kWh·m−3
适用浓度范围
多级闪蒸
10~58
中~高
多效蒸馏
6~58
中~高
反渗透
2~6
中~高
电解
0.4~8.7
低~中
CDI
0.1~2.03

2 CDI脱盐效率的优化提升

目前,CDI技术已成功应用在苦咸水脱盐领域,在海水脱盐领域尚未实现大规模的商业化推广。CDI技术应用的问题包括电极材料吸附能力有限导致脱盐效率不足、电极成本较高导致相比RO等技术缺少市场竞争力、需要再生过程不能实现连续出水等。为提升CDI反应器的性能,主要的改进思路有2种:一种是从构型上改进,包括反应器构型的创新、引入离子交换膜缓解同离子效应、运行条件优化提升等;另一种是从电极入手,如通过改性制备高效电极、流动电极的使用来提升吸附能力等。

2.1 反应器优化研究

2.1.1 反应器构型

最常见的CDI反应器构型即为平板型电极:两电极均为平板状,厚度在100~500 μm之间,平行对立放置,中间腔室为水的流道,这一构型为“传统构型”,即“Flow-by”。此构型中电极板面积在(5 cm×5 cm)~(10 cm×10 cm)间不等,水通道的厚度通常为1~3 mm,电极材料通常采用涂覆法覆盖在集流板表面[17]。电源电压、极板间距、流量流速、温度等运行条件也会对反应效果产生影响。电源电压增大,电极与主体溶液中电势差增大,两极板间电场强度随之增大,离子转移效率较高[18];流速较大时,接触时间短,离子未迁移到电极表面就已流出流道,脱盐效率低;流速较小时,同离子效应显著,电流效率下降[19];温度会影响离子热运动强度和水解常数,对脱盐效果也有较大影响。
由于CDI脱盐过程会受到离子迁移扩散的影响,为减小离子扩散时间,提高脱盐速率,SUSS等[20]采用一种全新的流动形式,命名为“Flow-through”形式,含盐水直接流入电极材料的孔道中进行脱盐,流出电极材料即完成了反应过程。实验发现,新构型中脱盐速率大大提高,较传统构型提高了4~10倍。
2012年,PORADA等[21]提出另外一种全新构型——线性电极CDI反应器:将多孔材料制成1组线性电极,使其一半连接电源正极,另一半连接负极,进水分成2路,分别用于吸附和解吸。吸附时,将所有电极放在吸附一侧,水中离子被去除;吸附饱和后,将电极放入解吸侧,短接或施加反电压,完成一次循环。在此运行方式下,一侧出水始终为清水,另一侧为浓水,实现了清水和浓水的完全分离,避免了传统构型中从一个通道中交替流出清水和浓水造成分离与收集困难的弊端,并且可以通过控制进水比例实现不同倍数的富集。

2.1.2 膜电容去离子技术

在传统的CDI反应器中,并不是所有的电荷都用来吸附反离子,部分电荷会用来驱逐同离子,使其离开电极表面,导致反应器的电流效率远低于理论值(1.0)。为解决这一问题,离子交换膜被引入反应器,通过其选择作用缓解同离子效应(图4(a))。离子交换膜的引入,不仅使电极材料中的微孔结构保持与CDI中相同的功能,还会使在CDI中发挥作用较小的大孔结构具有储存离子的作用,反应器性能大幅度改善[22]
图4 MCDI与FCDI技术原理示意图
Fig. 4 Schematic diagram of MCDI and FCDI technology
图4 MCDI与FCDI技术原理示意图
Fig. 4 Schematic diagram of MCDI and FCDI technology
Cjee 201805064 t4
对膜电容去离子(MCDI)技术的研究包括膜材料、形式等方面。除传统的离子交换膜外,各种新型膜材料层出不穷。LEE等[23]通过涂覆法将离子交换膜液覆盖在碳布上,脱盐效率达到了83.4%;LIANG等[24]在2个电极之间填充离子交换树脂,脱盐率比传统CDI反应器提高了50%左右;KIM等[25]将硝酸盐选择性阴离子交换树脂涂覆在正极材料表面,发现反应器对硝酸根离子的选择性大大提高。

2.2 电极优化研究

2.2.1 基于固定电极多孔材料的优化

目前,常用的固定电极材料有活性炭[26]、有序介孔碳[27]、碳气凝胶[28]、纳米碳管[29]及各种改性碳材料(图5)。
图5 不同电极材料形态
Fig. 5 Morphology of different electrode materials
图5 不同电极材料形态
Fig. 5 Morphology of different electrode materials
Cjee 201805064 t5
活性炭是目前应用最广泛、性价比最高的碳材料之一,其性能优越,价格低廉,比表面积可达1 000~3 500 m2·g−1[30],但传统活性炭材料表面疏水性强、导电性差、可利用的表面积所占比例小,因此,许多研究者利用不同的方法对传统的活性炭材料进行改性。ZOU等[31]利用传统活性炭材料作为CDI电极,并与KOH活化的活性炭材料做对比,发现KOH活化后的炭材料电化学性能有所改进,除盐率提高。传统活性炭比表面积为932 m2·g−1,平均孔径4.2 nm,KOH活化之后,比表面积减小为889 m2·g−1,平均孔径维持在4.2 nm水平,亲水性能有所改善,这可能是除盐率提高的原因。AHN等[32]证明,KOH改性后,表面化学基团的引入会使材料的亲水性提高,接触电阻减小,从而提升其电化学性能。还有研究者[3,33]利用硝酸对活性炭材料进行改性,他们认为硝酸处理可以使活性炭中某些孔道被打开或形成新的孔道,虽然比表面积稍有减小,但原本离子难以接近的孔道具有了吸附能力,吸附量增加。
有序介孔活性炭材料与传统活性炭材料的不同之处在于孔径的排列:传统活性炭材料孔隙杂乱分布,无确定顺序,而有序介孔活性炭材料的孔隙分布有序,材料呈规则的六面体或四面体,比表面积在750~1 500 m2·g−1左右,最大可以达3 000 m2·g−1。ZOU等[34]认为杂乱无章的孔隙分布会阻碍离子的迁移,而有序分布的孔隙结构会减少离子迁移的阻力,3 nm左右孔径适于离子的快速迁移,此外,有序介孔活性炭材料的导电性较传统材料也有所提升,从而提高反应器的脱盐性能。通过实验发现,在相同条件下,传统活性炭材料吸附量为4.3 μmol·g−1,有序介孔活性炭材料的吸附量则可达11.6 μmol·g−1
碳气凝胶是另一种常用的电极材料,由球状纳米材料相互连接而成,比表面积适中(400~1100 m2·g−1左右),导电性能优良(电导率可达25~100 S·cm−1),但该材料密度较低(常小于0.1 g·mL−1[35]。YANG等[36]为提高碳气凝胶的稳定性,合成了一种含有硅胶的碳气凝胶,实验发现硅胶的添加会提高CDI反应器的性能,并且不同的碳硅比对反应器性能的改善具有不同的作用。GABELICH等[37]利用碳气凝胶电极CDI反应器处理实际污水,发现反应器对多种离子(如Na+、K+、Mg2+、Rb+、Br、Cl、SO42-、NO3)都有较好的去除效果。
1991年,IIJIMA[38]发现纳米碳管,它是一种空间结构独特的一维纳米材料,与传统多孔材料不同,其孔道主要在外表面,离子几乎可以接近全部表面积,因此,其在CDI反应器中性能优良。ZHANG等[29]用多壁纳米碳管材料作为CDI反应器的电极,比表面积在50~129 m2·g−1之间,实验发现,比表面积越大,CDI性能越佳,即脱盐量与比表面积正相关。为进一步提高反应器性能,NIE等[39]采用电泳沉积法合成含聚丙烯酸(PAA)的纳米碳管,由于PAA功能类似于离子交换膜,反应器电化学性能有所提高,脱盐率达到85%水平。
表2为CDI反应器中常用的电极材料脱盐性能对比结果。
表2 CDI技术常用电极材料脱盐性能对比
Table 2 Desalination performance contrast of common-used electrode materials in CDI technology
表2 CDI技术常用电极材料脱盐性能对比
Table 2 Desalination performance contrast of common-used electrode materials in CDI technology
电极材料
年份
初始盐浓度/(mg·L−1
电压/V
吸附量/(mg·g−1
参考文献
活性炭
2010
200
1.5
3.7
活性炭
2011
292
1.2
10.5
活性炭
2011
1 170
1.2
8.8
有序介孔活性炭
2008
25
1.2
0.68
有序介孔活性炭
2009
50
0.8
0.93
有序介孔活性炭
2012
46
1.2
0.63
有序介孔活性炭
2016
58.5
1.2
14.71
碳气凝胶
1996
500
1.2
2.9
碳气凝胶
2008
2 000
1.3
7.1
碳气凝胶
2009
50
1.2
1.4
碳气凝胶
2015
1 500
1.5
8.2
纳米碳管
2005
3 000
1.2
1.7
纳米碳管
2007
3 500
1.2
9.4
纳米碳管
2011
23
2.0
0.75
纳米碳管
2013
500
1.2
1.4

2.2.2 流动电极电容去离子技术

为解决CDI反应器中电极材料质量恒定导致吸附能力有限、反应器需要解吸过程而无法连续运行的问题,流动电极电容去离子(FCDI)技术应运而生。FCDI技术是在MCDI技术的基础之上发展起来的,最早由JEON等[52]在2013年提出,其原理是在两侧集流板内刻划出流道,利用流动的活性炭悬浊液代替传统的固定电极,如图4(b)所示。通过电极液流动,正负离子分别被两侧电极液中的碳材料所吸附,离开电极区后,两侧电极液混合,电场消失,受静电力而吸附在活性炭中的离子被释放出来,电极液恢复电中性,完成解吸的过程。由此可知,FCDI反应器不仅可以实现带电离子从中间流道的去除,无需解吸过程,可以实现反应器的连续运行,解决了限制CDI技术应用的一大难题。
目前,针对FCDI的研究主要包含反应器构型的优化、解吸过程中能量的回收等方面。GENDEL等[53]将2个FCDI反应器同时运行,一个进行吸附,另一个进行浓缩,真正实现了反应器的连续运行;HATZELL等[54]将电极液与进水相混合,通过过滤的方式得到不含活性炭颗粒的清洁出水,达到了68%的脱盐率,避免了离子交换膜的使用,降低成本的同时解决了膜材料易腐蚀的问题;JEON等[55]将两侧电极液分别储存而不进行混合,吸附过程结束后再进行解吸来回收能量,实验发现,吸附过程中消耗电能的20%在解吸过程中被回收,实现了能量与资源的同时回收;DOORNBUSCH等[56]用流化床形式构成电极,提高了电极液的浓度(约35%),从而提升了反应器的吸附性能,也节省了泵的能耗。目前,针对FCDI的研究还在理论阶段,反应器规模的扩大、连续运行的稳定性、能量的高效回收等都是需要进一步探究的问题。

3 CDI技术装置及应用

20世纪90年代中期,CDI技术开始走上产业化道路,在国内外多个领域内取得成功应用。1996年,美国Lawrence Livermore国家实验室开发出第1套电吸附脱盐应用装置,采用碳气凝胶材料作为电极,连续运行数月发现,反应器对NaCl和NaNO3的去除效果良好[44];1999年,美国的Biosource和Sabrex of Texas公司在国防部先进技术研究署的支持下,为军方研制出海水淡化电吸附除盐装置[35];同期,美国的Far West Group公司(现CDT公司)也开发出了电吸附净化脱盐装置[35]。在此时期,CDI技术一度蓬勃发展。2000年以后,加拿大的Enpar公司开发出一系列电吸附脱盐装置,命名为DesEL,应用领域较为广泛:在中东国家用于饮用水中硝酸盐的去除,由进水的155 mg·L−1降低到50 mg·L−1水平;在安大略湖西南部的工业园区内,用于地下水中氨氮/亚硝酸盐的选择性去除,多级串联系统将氨氮及硝酸盐氮降低到10 mg·L−1以下水平,水的回收率达到95%以上;在某海港取水口处用于去除进水中的Ca2+和Cl离子,最终2种离子的去除率分别达到了90%和80%;在矿山废水的处理中,实现了90%以上的电导率去除,水的回收率也达到了90%水平。
国内的CDI技术产业化起源于21世纪初。2001年,爱思特净化设备有限公司研制出国内第1套电吸附除盐装置,此后,对产品进行升级换代,成功应用于饮用水深度处理、工业废水处理等领域。2001年,ESTD型装置用于饮用水净化,产水量为5 m3·d−1,出水水质达到国家相关标准[57]。2003年,EMK110型模块用于清华大学地下水中带电离子的去除,工作电压1.55 V、流量40 L·h−1、电极对数为100时,连续运行1个月,出水电导率维持在30~50 μS·cm−1水平[58]。2006年,EST电吸附装置用于饮用水中氟离子的去除,设备运行18个月后,出水水质保持稳定,电耗仅为0.5 kWh·m−3[59]。2010年,采用EST系列设备对某再生水厂出水进行深度除盐处理,平均除盐率为78.3%,氯化物浓度由134.5 mg·L−1降低到11.6 mg·L−1,电耗为0.57 kWh·m−3,证明了电吸附技术在中水回用中的可行性[60]。同年,CDI技术用于首钢污水厂二级处理出水的深度处理,除盐率为82%,系统的得水率为73%,能耗为1.25 kWh·m−3,出水达到了城市污水再生利用标准[61]
由此可见,CDI技术在污水处理领域内具有十分广泛的应用前景,不仅是海水/苦咸水脱盐淡化领域内的常用技术,在饮用水净化处理、工业用水处理、废水处理等领域同样具有不可估量的市场前景。

4 CDI技术在环境废物资源化领域的潜力

为解决传统技术难以进行资源回收的问题,研究者也将CDI技术应用到环境废物资源化回收领域。
LINNARTZ等[62]利用反应器内部发生的法拉第反应诱导双置换反应的发生,以Na2SO4、MgCl2 2种较为廉价的溶液作为进水,通过离子交换来生产价值较高的MgSO4溶液,并且控制不同进水比例,实现了MgSO4溶液的浓缩,且产品纯度最高达到了99.9%。该研究避免了由于副反应的发生而造成产品纯度较低的问题,实现了CDI技术的跨领域应用。
CHOI等[63]将单价阳离子选择性交换膜引入CDI反应器内,利用膜对单价离子的选择性,截留Ca2+等二价离子,由此获得富含高价离子的出水,将该出水与纳滤膜出水混合后深度处理,改善纳滤膜出水的水质,弥补了纳滤技术离子选择性差的缺点,使系统出水的LSI值(朗格利尔指数)达到世界卫生组织规定的标准,有效避免布水系统中的腐蚀问题。
SIEKIERKA等[64]利用不对称电极CDI装置对进水中的LiCl进行回收。正极采用活性炭材料,并在表面覆一层阴离子交换膜,负极为具有锂离子选择性的特制吸附材料。实验发现,该系统对LiCl的吸附量达到了34.2 mg·g−1,远远高于KCl 8.6 mg·g−1和NaCl 9.8 mg·g−1
通过生物质水解产物生产清洁燃料是近年来研究的热点之一,然而水解产物中乙酸、硫酸等物质的存在会影响产品的纯度及利用价值。KIM等[65]开发了石灰离子化-CDI技术耦合工艺,选择性去除水解产物中的乙酸、硫酸,来生产高品质的糖类。添加石灰进行离子化之后再进行CDI过程,能够去除98.08%的硫酸及76.97%的乙酸,产生糖类的纯度达到97.53%以上。
在污水资源回收领域内,CDI技术也取得了突破性进展,实现了污水中氨氮资源的高效回收。WANG等[66]将MCDI反应器与离子交换树脂进行耦合来处理膜浓缩的出水,首先利用MCDI反应器选择性去除水中的钙镁等高价离子,得到富含氨氮的出水,再用离子交换树脂对氨氮进行富集回收,实验发现最终氨氮的回收率可达65%。该研究将CDI技术从传统的海水脱盐扩展到污水处理领域,并且打破了传统污水处理厂对氨氮破坏性去除的方式,实现了氨氮的富集回收,将其资源属性发挥出来。

5 结论

1) CDI技术具有高效、节能、环保等性能优点,在脱盐及水处理行业内具有非常乐观的市场前景,实现商业化应用,有望替代反渗透等能耗高、污染严重的工艺。
2) 在资源化回收领域内,CDI技术也具有相当广阔的发展空间。通过CDI技术的小试应用,成功实现了海水中镁资源的回收、与纳滤技术耦合改善出水水质、去除乙酸生产高品质糖类、对污水中氨氮资源的回收等。对其进一步的深入研究,有望使其在环境和资源回收领域内取得更多进展,实现更多新的突破。
3) 电极材料的优化、反应器规模的扩大、实际污水的影响、反应器能耗的降低、低品质电能的利用、反应器的连续运行等都是需要进一步深入研究的问题。
4) 通过CDI系列技术的应用,包括MCDI与FCDI技术,有望使其在环境领域内发挥更加重要的作用。

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