原文出自 Energies 期刊：

Bao, S.; Xin, C.; Zhang, Y.; Chen, B.; Ding, W.; Luo, Y. Application of Capacitive Deionization in Water Treatment and Energy Recovery: A Review. Energies 2023, 16, 1136.https://doi.org/10.3390/en16031136 

作者介绍

包申旭

武汉理工大学

本文第一作者及通讯作者，教授，博导。现任武汉理工大学资源与环境工程学院院长，关键非金属矿产资源绿色利用教育部重点实验室副主任、非金属矿关键矿物材料开发与应用行业重点实验室主任。长期从事外场强化湿法冶金和固体废弃物综合利用等方面的科研工作。主持多项国家和省部级重大项目等。荣获湖北省有突出贡献中青年专家、首届邱定蕃有色冶金青年科技奖、IJMMM鼎新青年科学家奖、第三届有色金属创新争先计划等荣誉称号。以第一完成人获2022年湖北省科技进步一等奖、2021年中国产学研合作创新成果奖一等奖、2021全国发明博览会金奖、2021年有色智库杯冶金优秀青年一等奖、2020年中国产学研合作创新奖 (个人)、2020年绿色矿山突出贡献奖，并以主要成员获国家科技奖奖励2项。发表SCI/EI等高水平学术论文150余篇，其中ESI高被引论文4篇，热点论文2篇。获发明专利33项，其中国际专利3项。担任国内外多个知名学术期刊的青年编委，受邀担任 Frontiers in Chemistry、Energies 、Advances in Polymer Technology 等国际知名SCI期刊客座编辑。兼任中国非金属矿工业协会常务理事、中国有色金属学会理事、中国有色金属学会钒资源清洁利用专业委员会委员、中国有色金属学会矿冶过程计算与模拟仿真专业委员会委员、中国非金属矿工业协会萤石专业委员会理事等职。

文章内容

电容去离子 (Capacitive Deionization, CDI) 是一种基于双电层电容理论的水质淡化净化技术。其基本原理是在电极上施加低电压后，溶液中阳离子、阴离子或带电粒子在电场力和浓度梯度作用下分别向两极迁移，吸附于电极表面形成双电层，从而达到脱盐或净化的目的。近年来，随着电极材料的不断开发和改进以及新型CDI装置构型的创新，其应用领域得到大范围扩展，包括海水淡化、重金属去除、水消毒、有机物去除以及能量回收等领域。CDI技术因具有环境友好、低成本、低能耗、高效率、电极易再生和环保等优点受到广泛关注。

武汉理工大学包申旭教授团队聚焦于电容去离子 (CDI) 技术在水处理中的应用，发表题为：“Application of Capacitive Deionization in Water Treatment and Energy Recovery: A Review”综述性文章。该综述批判性地回顾了CDI在水处理领域的最新研究进展。文章首先总结了CDI在水处理中的多样化应用，重点介绍了CDI在重金属去除、有机污染物去除、水软化、磷酸盐和硝酸盐去除、水消毒等领域的代表性研究成果。此外，还讨论了关于CDI过程能量回收和能耗评估的最新研究进展。最后，本文讨论了CDI技术当前面临的挑战和未来机遇。

关于海水脱盐方面，多孔活性炭是最早用于CDI技术的电极材料之一，但存在导电性差、润湿性差、容量低等缺陷，可通过改性、活化、掺杂等方法提高活性炭电极的吸附性能。尽管如此，传统活性炭的吸附能力仍然有限。生物炭是一种在高温和无氧环境下发生生物质碳化而产生的材料，因此被认为是传统活性炭的新兴替代品。与其他碳质材料相比，石墨烯是一种具有出色导电性和多孔结构的碳材料，拥有优异的脱盐性能。当石墨烯片卷成纳米级圆柱体结构时，将会形成具有机械强度高、化学稳定性好、高导电性和高电容保持性等优点的单壁或多壁碳纳米管 (CNTs)。然而单一碳材料的电吸附性能已经无法满足快速发展的CDI技术应用需求。为了获得电吸附性能更加优异的电极材料，将金属有机框架衍生碳 (MOFs-derived carbon)、普鲁士蓝 (Prussian blue, PB) 及普鲁士蓝类似物 (Prussian blue analogues, PBAs) 等材料与其他碳基材料结合形成复合材料，复合材料表现出了优异的脱盐能力和出色的循环稳定性。

图1. (a) 具有不同隧道晶体结构的氧化锰纳米线作为HCDI电极用于离子去除；(b) 石墨烯基独立式膜电极及海水淡化的构建过程示意图；(c) Co-Co₃O₄ 封装在氮掺杂碳纳米管中用于电容式海水淡化；(d) SHPB合成过程示意图。(注：图中参考文献出处见原文)。

在关于水软化方面，生物质材料因低成本和可再生性而受到广泛关注。然而，碳基电极材料的低选择性和低电吸附性能严重限制了CDI技术在水软化中的应用。赝电容电极材料可以通过法拉第氧化还原反应或离子插层与特定离子进行选择性相互作用，从而提供高选择性的Ca2+电吸附能力。在自然水体中，四环素 (Tetracycline, TC) 与硬度离子的共存是一种普遍现象。因此，研究同步去除TC和硬度离子的CDI技术对环境保护具有重要的实际意义。然而，CDI装置在运行过程中形成的结垢可能会导致水质恶化的问题仍需进一步研究。因此，开发具有低成本、无污染、高选择性的电极材料，对CDI在实际应用中的可持续运行具有重要意义。

图2. (a) 用栗子内壳制作CSx和CS500的结构图；(b) CuHCF电极材料在硬水处理中的应用；(c) (1) MFO纳米球的制备示意图，(2) PHCDI系统中MFO电极选择性离子电吸附；(d) 使用具有对称CDI装置的KHPC电极同时去除水中的TC和硬度离子。(注：图中参考文献出处见原文)。

关于去除重金属方面，静电相互作用是CDI技术去除重金属的主要机制，但非静电相互作用 (物理或化学吸附) 也可能起到一定的作用。传统的碳基电极由于双电层 (EDL) 电容和脱盐能力有限，严重影响了其实际应用。CDI技术在处理多离子混合溶液的实际应用中，选择性地去除目标离子仍然是一个巨大的挑战。许多基于法拉第氧化还原反应的赝电容电极材料已被应用于高效选择性地去除各种重金属离子。相比单一金属氧化物电极材料，双金属氧化物电极材料具有更好的电化学性能和循环稳定性，更容易获得工业推广。因此，双金属氧化物电极材料是一种很有潜力的CDI电极材料。离子半径、电荷和离子对电极的物理化学亲和力将影响着电极材料对离子的选择性。水化半径小的离子、高价离子和同价离子更容易被电极材料吸附。CDI技术在离子浓度较低时，去除离子是非常有效的。另外，CDI技术与其他水处理技术的结合可以增强对重金属离子的去除效果。

图3. (a) 以活性炭布为电极，以间歇流模式从水溶液中电吸附Zn²⁺的过程；(b) 用于CDI去除重金属离子的ZnO改性N掺杂多孔碳纳米纤维膜的控制合成；(c) FeMnO₃和FeMnO₃@PPy的制备过程；(d) 用于去除金属离子的CDI组件示意图。(注：图中参考文献出处见原文)。

关于去除磷酸盐和硝酸盐方面，相对于CDI而言，流电极电容去离子 (FCDI) 采用可以流动的电极，显著提高了脱除性能。FCDI系统对磷的去除效果受进水初始pH值的影响很大，并且在弱酸环境下更易于去除磷。因此，适宜的pH值可提高磷的去除率和回收率。此外，流动电极可以针对低浓度含磷废水进行浓缩富集，显着促进磷酸盐的回收效率。虽然CDI技术已应用于硝酸盐的去除，但处理过程中会产生硝酸盐浓缩废液。因此，对于可同时去除和降解硝酸盐的CDI技术更加经济适用。

图4. (a) ZnZr-COOH/CNT电极吸附磷酸盐的机理；(b) FCDI电池在SCC模式下除磷和回收的示意图；(c) 不同pH值下FCDI中磷酸根离子的存在形式和迁移行为；(d) 使用Pd/NiAlLMO电极通过CDI电吸附/还原NO₃⁻的过程；(e) 使用In-PdNP电极通过CDI电吸附/还原NO₃⁻的过程。(注：图中参考文献出处见原文)。

在水处理领域，能量回收是CDI技术的一大优势。能耗不仅是评价CDI性能的重要指标，更是其相对于其他技术的关键优势。低能耗使得CDI技术在水处理领域具有更大的市场前景。CDI技术的实质是利用电场力促使溶液中离子的迁移。离子在电极表面和溶液之间的迁移导致电极表面双电层的形成和消失。这类似于双电层电容器的原理，表明CDI技术具备能量储存和回收的特性。从这个角度来看，CDI电池可以视为一种储能元件，吸附和解吸阶段则对应着充放电过程。目前，恒压 (CV) 和恒流 (CC) 操作是CDI充电阶段最常用的模式。然而，随着放电电流增加，能量回收率明显下降，且CC模式的能量回收率普遍高于CV模式。尽管研究表明CC模式比CV模式更节能，但在学术和商业领域，CV模式仍然被广泛研究和应用。这主要是因为CC模式具有一定的操作难度。CV和CC模式在充电阶段的能量回收方式各有优劣。总体而言，CDI技术的能量回收特性使其在水处理领域具有更大的竞争力。

综上，CDI技术以其节能、高效、低成本、环保等优点而在多个领域得到广泛应用。该文综述了CDI技术在水处理方面的最新研究进展和存在的问题，涵盖了海水淡化、硬水软化、重金属去除、有机污染物去除、磷酸盐和硝酸盐去除以及能量回收等领域。文章还讨论了目前CDI技术在水处理中面临的挑战，并提出了CDI技术未来的研究方向和展望。该工作对于推动CDI技术的发展具有重要的参考价值。该成果以“Application of Capacitive Deionization in Water Treatment and Energy Recovery: A Review”为题发表 Energies 上。文章第一作者及通讯作者是包申旭教授。该研究得到了国家自然科学基金等经费的资助。

相关主题

Capacitive Deionization Technology for Water Treatment

主题编辑：Prof. Dr. Shenxu Bao and Dr. Xin Zhang

参与期刊：AppliedChem, ChemEngineering, Energies, Membranes, Processes, Recycling, Separations, Water

查看相关主题详情：https://www.mdpi.com/topics/CDI_Water_Treatment

Energies 期刊介绍

主编：Enrico Sciubba, University of Roma Sapienza, Italy

期刊发表涵盖能源动力工程、技术开发以及能源政策经济管理等相关领域的最新研究成果。

2022 Impact Factor：3.2

2022 CiteScore：5.5

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