英文原题：Ion transport channels created by anion exchange resin in four-chamber flow electrode capacitive deionization enable efficient phosphorus removal
通讯作者：梁莎, 华中科技大学
作者：Shuai Chen, Fan Yang, Sha Liang, Mingxuan Wen, Zhengkang Zou, Shushan Yuan, Huabo Duan, Wenbo Yu, Jingping Hu, Jiakuan Yang
近日，华中科技大学环境科学与工程学院杨家宽教授团队通过在四腔室流动电极电容去离子（FCDI）系统中引入阴离子交换树脂构建离子传输通道，实现了系统对磷的高效连续稳定去除。该技术在低浓度和低 pH 含磷废水处理中表现优秀，为废水高效除磷提供了新策略。
从废水中去除和回收磷（P）对于解决水污染问题和缓解磷危机至关重要。流动电极电容去离子（FCDI）技术是近年来发展起来的一种有潜力的废水中磷去除和回收方法。然而，现有的FCDI研究主要集中在电极材料或实现磷选择性富集方面，很少有研究关注进水性质的影响，尤其是进水磷浓度和pH值。理论上，较低的初始离子浓度以及在去离子过程中离子浓度的持续下降会削弱离子传导，增加溶液电阻，从而导致更高的能耗和更低的去离子效率。此外，磷在溶液中的存在形态也强烈依赖于溶液的pH值，具有不同电荷的磷形态可能具有不同的离子传输特性，这也对其在FCDI中的去除产生重要影响。
华中科技大学环境科学与工程学院杨家宽教授团队采用四室FCDI系统（F-FCDI）详细研究了进水磷浓度和pH值对FCDI除磷性能的影响。并发现较低的进水磷浓度（P≤500 mg/L）和较低的pH值（pH<2.5）均会显著降低F-FCDI系统的平均磷去除速率（APRR）和电荷效率（CE）。为了解决这一问题，研究团队通过在F-FCDI系统的淡室中引入阴离子交换树脂开发了FAD-FCDI系统。与F-FCDI系统相比，FAD-FCDI系统在进水磷浓度为50-500 mg/L时，平均磷去除速率提升了97.3%-45.8%，电荷效率提升了103.4%-40.0%；在pH为1.6-2.5时，APRR提升了57.3%-33.5%，CE提升了51.2%-17.3%（图1）。
图1. FAD-FCDI性能以及FAD-FCDI相比于F-FCDI性能提升
为了探究FAD-FCDI系统性能提升的原因，通过对装置淡室内部进行有限元分析，并对运行前后的树脂进行傅里叶红外分析发现，FAD-FCDI系统中填充的阴离子交换树脂颗粒间能够形成离子传输通道，这对维持低进水磷浓度下淡室内磷的传导起到了关键作用。树脂对磷的吸附实验表明，阴离子交换树脂能够促进低pH条件下非离子态的磷（H3PO4）向具有快速迁移能力的H2PO4-转化，这是低pH条件下FAD-FCDI相比于F-FCDI性能大幅提升的主要原因（图2）。
图2. FAD-FCDI相比于F-FCDI性能提升的机理解析
通过电化学阻抗谱分析建立了FAD-FCDI内部的等效电路模型，发现FAD-FCDI在长期运行过程中电极溶液的组成和其中的电荷转移均能保持相对稳定，而阴离子交换树脂的加入也确保了FAD-FCDI系统即使在低磷浓度下也能保持低内阻和高离子传输效率，最终构建了FAD-FCDI中电子转移与离子传递的完整机理模型（图3）。
图3. FAD-FCDI中电子转移与离子传递机理模型
综上所述，FAD-FCDI能够解决普通FCDI系统在处理低浓度和低pH废水时效率低下的问题，这主要是因为低pH条件阴离子交换树脂能够促进H3PO4向H2PO4-转化。而树脂构建的离子传输通道能够维持低浓度条件下离子的快速传导。这项研究不仅深化了对FCDI技术除磷的理解，还为从低磷浓度和低pH含磷废水中持续除磷提供了一种节能方案。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，华中科技大学博士研究生陈帅为文章的第一作者，华中科技大学梁莎副教授为通讯作者。
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ACS EST Eng. 2024, ASAP
Publication Date: December 16, 2024
https://doi.org/10.1021/acsestengg.4c00727
Copyright © 2025 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Wonyong Choi
Korea Institute of Energy Technology
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