电容去离子 (CDI) 系统在含硅地下苦咸水淡化过程中结垢行为研究

文摘   2024-05-31 10:03   上海  
新南威尔士大学T. David Waite团队近期于Desalination期刊(2024, 583, 117703)发表题目为Scaling Behavior of Si in Capacitive Deionization (CDI) System for Brackish Groundwater Desalination的文章。该文章第一作者为新南威尔士大学博士生孔祥瞳,通讯作者为新南威尔士大学T. David Waite 院士。

【研究亮点】

  • 首次提出了一种系统的评估程序,用于区分“动态”和残留硅垢以及这些类型的污垢对CDI苦咸水脱盐性能的影响。

  • 离子交换膜的存在可以显着减缓苦咸水脱盐系统的硅结垢。

  • 长期运行过程中可能出现的电极自氧化对脱盐性能衰减起到重要作用。

  • 揭示了CDI及其衍生工艺处理含硅苦咸水的结垢行为,以及相应的结垢机理。

【文章简介】

电容去离子(CDI)是一种潜在的低成本、高效益的苦咸水脱盐方法。硅(Si)是地下水中的常见元素,可能会导致水处理设备严重结垢,从而引起一系列问题。在本研究中,我们重点研究了Si的存在对CDI性能的影响。提出了一种系统评估程序,用于区分“动态”和残留Si结垢以及对应类型污垢对CDI脱盐性能的影响。结果表明,在低浓度范围内(<0.5 mM),SiCDI性能的影响很小。在这种情况下,CDI能够在很大程度上避免了去质子化硅酸物质的吸附,这有助于维持主要盐离子的去除和系统的稳定运行。然而,在高浓度的Si>2.0 mM)下,观察到电极表面结垢,导致CDI电极性能明显恶化。CDI中离子交换膜(即膜CDIMCDI)的存在可以显着减缓脱盐系统的Si结垢。

1. CDI中评估Si结垢过程的示意图。

2. 不同条件下电极SEM图:(a)原始碳布电极和暴露于 (b) 0.5 mM Si(c) 2.0 mM Si (d) 5.0 mM Si后的电极(阳极)的SEMEDS图像。(a) 图中的比例尺代表200 μm,而 (b-d) 图中的比例尺代表 25 μm

通过电吸附实验发现,当向进料溶液中添加0.2 mM Si时,CDI系统的电吸附性能变化最小。当进料溶液中的Si浓度增加到0.52.0 mM时,CDI系统可以在短期运行中保持其脱盐性能。随着操作延长至40个循环,2.0 mM Si中的电吸附性能出现下降,这主要归因于电极自氧化而非Si的结垢。相比之下,当进料溶液中的Si浓度增加到5.0 mM时,即使在5个操作周期中,电吸附性能也明显下降。

3. 多周期循环运行过程中,存在 (a) 0.2(b) 0.5(c) 2.0 (d) 5.0 mM Si CDI脱盐性能的变化。实验条件:[NaCl]0= 17.1 mMVf = 25 mL,电池电压为1.2 V(电极间电压=1.12 V)时,充电时间约为 220 秒,然后在电池中进行约120 秒的短路解吸。一个周期。红色实线表示对照中电吸附过程中的平均浓度降低。N2

4. (a) 物理吸附(0 V330秒),电吸附(1.2 V220秒)和电解吸(0 V120秒)后溶液中Si浓度的变化。 (b) 02.05.0 mM Si存在下碳布电极的奈奎斯特图对比分析。N2

在高水回收率的系统中,因为高离子浓度的存在加剧了电极表面上不溶性二氧化硅沉淀物的形成。当进水中硅的浓度较高时,CDI中更明显的结垢趋势反映了碳纤维和硅晶体(单硅酸和聚合物)之间的强静电相互作用。诱导成核后的硅垢堵塞了碳电极的微孔,阻碍了离子输送到微孔中,进一步引起孔隙堵塞,吸附位点被覆盖,碳电极的电阻增加。这反过来又阻碍了主要离子(例如Cl)在固液界面的转移。本研究结果阐释了CDI及其衍生工艺在处理含硅苦咸水时的结垢行为,为实际应用中CDI系统的设计和维护提供了重要思路。

原文信息:

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916424004144?via%3Dihub

第一作者:

孔祥瞳  博士生

主要研究方向为新型材料/催化材料合成及其环境应用。以第一作者在Environmental Science & Technology, Water Research, Desalination, Journal of Hazardous Materials等期刊发表论文7篇。

工作单位:新南威尔士大学

邮箱地址:

chriskongxt@gmail.com

xiangtong.kong@unsw.edu.au

通讯作者:

T. David Waite 教授

新南威尔士大学杰出教授,博士研究生导师,澳大利亚皇家化学研究所(RACI)和英国皇家化学学会院士、新南威尔士皇家学会院士和美国国家工程院(NAE)外籍院士,美国化学会期刊《Environmental Science & Technology》副主编。新南威尔士大学环境技术转型中心 (CTET) 的执行董事兼首席执行官。澳大利亚皇家化学研究所 (RACI) 环境奖章获得者。

工作单位:新南威尔士大学

通讯邮箱:d.waite@unsw.edu.au

网址:

https://www.unsw.edu.au/staff/david-waite

本期编辑:马金星(广东工业大学)


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