科研团队在利用阿基米德螺旋模型提高电容去离子技术脱盐性能研究方面取得进展

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近期，中科院合肥研究院固体所环境与能源纳米材料中心团队基于电容去离子技术发展了螺旋流道流动电极电容去离子装置用于海水淡化，利用阿基米德螺旋模型改善了碳浆料在集流体中的流动行为，提高装置的脱盐性能，取得显著成果。相关研究成果发表在ACS ES&T Engineering上。
　　由于制造工业的迅速崛起，环境污染日益加剧，全球淡水资源紧缺愈发成为影响21世纪社会进步和人口增长的重要因素。虽然地球表面约71%被水所覆盖，但这些水中海水占据96.5%，淡水资源寥寥无几。因此，从海水中获取淡水资源成为缓解淡水危机最具前景的方式之一。相较于反渗透、电渗析等其他海水淡化方式，电容去离子技术拥有能源高效利用、环境友好和操作简便等优势，被认为是未来实现“双碳”目标的有效海水淡化候选技术之一。

螺旋流道流动电极电容

图1. (a) 传统FCDI装置与 (b) 新型FCDI装置装配图。

螺旋流道流动电极电容

图2. (a) 螺旋流道示意图； (b) 螺旋流道流场分布图； (c) 螺旋流道低流速区域图； (d) 蛇形流道示意图； (e) 蛇形流道流场分布图； (f) 蛇形流道低流速区域图。

　　近年来，流动电极电容去离子技术 (Flow electrode capacitive deionization, FCDI) 因具有伪无限吸附能力和较快的盐离子吸附速率，被证明可以处理高盐度盐水甚至海水（35g/L），受到研究者的广泛关注。然而，实验室用FCDI装置普遍存在串流漏液情况，影响实验稳定性和装置脱盐性能，给实验性能验证和实验进度带来严重干扰。此外，传统的蛇形流道不利于碳浆料流动，导致其在急速拐角处流速较慢，直线处流速较快，这种流速不均匀的行为严重削弱了FCDI装置的脱盐性能。因此，在优化FCDI装置改进串流漏液问题的基础上，对碳浆料流道的进一步设计显得尤为重要。
　　固体所研究人员提出一种新型FCDI装置，成功解决了串流漏液问题。新型FCDI装置采用包裹式结构，代替传统装置的堆叠组装形式，从根本上解决了漏液的风险。同时，新型FCDI装置采用盐水侧进侧出方式代替原有的流穿组件式，解决了串流的问题（图1）。基于此，实验人员对流道进行了优化设计，提出利用阿基米德螺旋模型减小拐角处与直线处的流速差异，提升装置的脱盐性能。CFD模拟计算和实验结果显示，阿基米德螺旋流道使得碳浆料的流速更加均匀，脱盐性能显著提升（图2）。新型FCDI装置在3.5g/L盐水的脱盐测试中表现出优异的脱盐性能，脱盐率达到99.88%，且具有实际应用性。该工作成功提升了FCDI装置的稳定性和脱盐性能，对后续流动电极电容去离子装置的发展和工业化推进具有重要意义。
　　上述工作得到了科技部国家重大研发专项、国家自然科学基金委基金项目和安徽省重点研发计划的支持。
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestengg.1c00445


       文章来源：合肥研究院