EST：实现高效、可持续的海水淡化的光伏驱动电池去离子化系统

 转自 可持续环境能源技术团队SEETECH

实现高效、可持续的海水淡化的光伏驱动电池去离子化系统       

第一作者：Xiaosong Gu

通讯作者：陈洪

单位：南方科技大学

链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11467

水资源短缺是全球人类社会和经济发展日益面临的挑战。随着人口增长和气候变化，加剧水资源短缺已成为全球性问题。目前，超过四十亿人每年至少面临一个月的水资源短缺。为了应对这一挑战，对可持续能源驱动的淡水供应新技术的需求日益增长。在所有最新开发的淡水生成技术中，海水淡化技术以其无限的海水资源提供了解决全球淡水短缺挑战的有希望的途径。

在这方面，过去几十年中，商业化的大规模海水淡化设施得到了大力安装。尽管当前的海水淡化设施严重依赖于热法淡化和膜法淡化技术，但这些技术涉及密集的能源成本，使得它们变得笨重，并具有高能耗和经济成本。相比之下，电化学淡化技术，如电容去离子（CDI）和电池去离子（BDI），以其较低的能源足迹和更容易的规模化，近年来得到了广泛探索。它们被认为是未来大规模海水淡化站的新兴技术，归功于其高去除能力和低能耗特性。与基于非法拉第反应的CDI技术相比，最近开发的BDI技术依赖于不同电池架构下电极材料中的法拉第反应，已引起了越来越多的关注。然而，在文献中报告的大多数BDI工作中，高效率仅在实验室规模上，以内部电力作为能源来源得到证明。将可持续能源与高效率BDI电极整合，构建一个可持续的BDI系统，用于连续的自然海水淡化尚未被探索。

近期，南方科技大学陈洪研究员在ES&T发表了题为“Photovoltaic-Driven Battery Deionization System for Efficient and Sustainable Seawater Desalination”的研究论文，此研究通过电化学电池脱盐（BDI）技术进行海水淡化在淡水生产领域展现出显著潜力。然而，由于涉及的高能耗，其广泛应用受到了限制。为了促进BDI技术的商业化，有必要开发创新型的综合BDI系统，利用可持续能源，并评估其在天然海水脱盐中的实际性能。本研究首次构建了一种光伏驱动的电池脱盐系统（PV-BDI），能够持续并同时从天然海水中去除多种离子。该系统成功生产出总溶解固体（TDS）浓度为704 mg L⁻¹的淡水，符合世界卫生组织（WHO）针对饮用水标准所推荐的TDS最大限值（1000 mg L⁻¹）。通过该系统从天然海水制备饮用水的盐去除质量比能耗降低至0.036 kW·h kg⁻¹，优于其他最先进的光伏驱动电化学脱盐技术（如电渗析和电容脱盐，能耗范围为0.068−2.100 kW·h kg⁻¹）。本研究提出了一种开创性的光伏驱动BDI集成系统，并展示了其在天然海水脱盐中的实际性能，为在不久的将来扩展BDI系统至环保且可持续的工业规模海水淡化奠定了基础。

要点一：海水淡化用PV-BDI系统的概念       

本文提出了一种将光伏（PV）技术与电池脱盐（BDI）技术相结合的新概念，以建立一个绿色、可持续、低碳排放的光伏驱动海水资源回收与利用工业装置。该装置可沿海岸安装，其工作流程如图1所示。在该装置中，海水可直接从海中抽取，并通过格栅过滤以去除大型生物和固体颗粒。随后，通过初级沉淀池进一步去除胶体固体，而无固体的海水则被泵入PV-BDI系统进行脱盐。所得脱盐水的总溶解固体（TDS）浓度低于1000 mg L⁻¹，可被泵入淡水储罐进行临时存储，并在额外消毒后，根据不同应用需求注入城市供水网络。

其中，所提出装置中使用的主要技术，包括光伏（PV）面板、沉淀池、格栅过滤等，均已在市场上相当成熟并广泛商业化。然而，需要注意的是，实现该工业装置的关键在于高效的PV-BDI系统。用于海水脱盐的PV-BDI系统的核心结构如图2所示，主要由四个关键部件组成：作为能源供应器的光伏面板、用于阳离子脱盐的阴极（或负极）、用于阴离子去除的阳极（或正极），以及海水电解质。

图1. PV-BDI驱动的低碳排放海水资源利用厂的概

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要点二：BDI电极的电化学性能

为了评估Bi电极和PAQS电极的去离子能力及循环稳定性，进行了恒电流充放电（GCD）测试。如图3a、图S5及表S3所示，在天然海水中，Bi电极的充电比容量为58.2 mAh g⁻¹，其Cl⁻去离子容量为165.5 mg g⁻¹；PAQS电极的放电比容量为73.6 mAh g⁻¹，其Na⁺去离子容量为67.6 mg g⁻¹。Bi-PAQS耦合的双电极BDI系统在天然海水中实现了138.9 mg g⁻¹的总盐吸附容量（SAC）（表S4），展现出目前最先进的高效性能，优于其他电极材料的记录值（表S5）。

此外，在天然海水中进行的200次循环GCD测试（图3b）及循环实验（图3c）表明，库伦效率维持在73−87%，比容量仍保持在初始值的87%，显示出耦合电极在天然海水脱盐中的优异循环稳定性。

为了进一步评估电极材料的结构动态变化，使用自制电池（图S6）进行了原位粉末X射线衍射（PXRD）测试。Bi电极在三电极装置中以恒定电流密度模式进行充放电，电压从−0.6 V升至0.5 V后再降至−1.0 V。如图3d所示，Bi（ICSD编号：64703）的衍射峰强度在充电阶段逐渐下降，并出现归属于BiOCl（ICSD编号：74502）的新衍射峰。相反，在放电阶段，BiOCl的衍射强度逐渐下降，而Bi的衍射峰得以恢复。这表明，在充电过程中，Bi被氧化并通过Cl⁻与海水中的水分子反应原位转化为BiOCl，并在放电过程中通过Cl⁻脱嵌可逆还原为Bi。

由于PAQS是一种无定形聚合物，采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）来跟踪电极在电化学操作条件下（电压范围−1.0 V至0 V）的化学反应过程。如图3e所示，1673 cm⁻¹处的C═O振动带消失，同时在1364 cm⁻¹处出现了归属于−C−O−Mn⁺（Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺）形成的新振动带，这可归因于C═O基团的氧化还原反应。在此过程中，典型的阳离子如Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺可插入并被PAQS电极吸附。此外，这些特征红外吸收带在充电过程中得到了良好的恢复。

图3. Bi电极和PAQS电极的电化学性能。天然海水中(a)三电极和(b)双电极系统的静电充放电曲线。(c)双电极系统在天然海水中的循环性能和充放电容量保留：氧化PAQS和还原Bi的电荷过程伴随着离子插入发生，而还原PAQS和氧化Bi的放电过程伴随着离子去插入。(d)Bi电极的原位PXRD模式。(e)PAQS电极的FT-红外光谱。在脱盐过程中，前反应和后反应的(f)Bi和(g)PAQS电极的SKP测试。(h)天然海水中双电极系统中扩散控制和电容电荷的贡献。

要点三：室内光照环境下的海水淡化性能。

为系统评估集成PV-BDI系统的脱盐性能，在室内环境下采用标准4.10 W m⁻²的发光二极管（LED）灯光进行了进一步实验。通过自动涂覆机（图4a），可以规模化生产加载不同活性材料的片状电极，电极尺寸可达30.0 cm × 50.0 cm，且具有较高的制备可靠性。在实验中，使用尺寸为4.0 cm × 6.0 cm的电极组装小型BDI单元，并在天然海水中评估其脱盐性能。

实验表明，PV-BDI系统中的光伏组件能够提供1.50 V的开路电压和0.80 mA的短路电流，足以驱动BDI系统。在以2.5小时充电/1.5小时放电的时间间隔对BDI系统进行23至46次充放电循环后，系统实现了符合饮用水标准的淡水（最大可接受总溶解固体量TDS<1000 mg L⁻¹，电导率<1500 μS cm⁻¹）（图4b和表S6）。进一步延长脱盐时间，所得水的电导率（图4c）和离子浓度（图4d,e）可持续降低。本研究更关注利用PV-BDI系统实现淡水生产，因此在达到饮用水标准时终止了循环实验。

图4. PV-BDI系统的室内脱盐性能。(a)自动涂布机制造具有可扩展电位的片状电极。(b)自然海水淡化后总盐度的衰减。具有时间依赖性的(c)电导率和(d)Cl⁻和(e)脱盐过程中的Na⁺浓度。(f)通过拟合指数衰减曲线得到的衰减速率之比。(g)天然海水淡化后的出水中的离子浓度。面板(b)中的红点线是世界卫生组织定义的安全饮用水的最大可接受盐度极限推荐水平。误差条是三次重复的平均±标准差。

要点四：在自然阳光下的脱盐性能。

白天，PV-BDI系统在自然阳光辐射下的性能对于其实际脱盐应用至关重要。在这里，小规模的PV-BDI系统使用3-mass系统，由3.000 g PAQS作为活性材料，组装成图5a所示的两电极系统配置。同时，通过每分钟10 mL流量的蠕动泵循环100 mL天然海水，用于评估PV-BDI系统的脱盐性能。该系统在白天的四个时间段（8:00−10:30，10:40−12:10，12:20−14:50，15:00−16:30）内运行，每天完成两个脱盐周期。

如图5b所示，太阳辐射强度的变化导致光伏输出电压的波动，而峰值辐射强度保持在627.6±100.8 W m²左右。随着脱盐周期的增加，光伏电池的输出电流逐渐减少，这主要是由于电荷转移的迟缓以及离子去除前电导率的下降。最终，通过在11.5天内进行23个循环操作，天然海水可被PV-BDI系统转化为淡水。

此外，户外环境中盐水的pH值仍保持在饮用水标准范围6.5−8.5之间。最终，如图5c、d所示在自然阳光环境中，已实现了较低的出水盐度865 mg L⁻¹。 

图5. PV-BDI系统的室外脱盐性能。(a)室外海水淡化系统的光学图像。(b)在阳光照射自然照射下的太阳辐照度、电流、电压和脱盐性能输出。(c)室内、外环境中脱盐后出水中离子浓度和(d)总盐度的比较。面板(d)中的红点线是世卫组织定义的安全饮用水的最大可接受盐度极限推荐水平。误差条是三次重复的平均±标准差。

要点五：.放大集成PV-BDI系统脱盐性能的海岸验证

为了提高PV-BDI系统的运行效率和处理能力，我们进一步构建了一个大规模集成多通道PV-BDI系统，并在沿海环境中评估了其脱盐性能。该系统包括一个400 W的太阳能电池板阵列、一个5.0 kWh的电池储能系统、一个多通道BDI设备、一个恒压电源和数据采集设备（图6a和S12）。使用60.00 g的PAQS和Bi电极材料构建了两电极系统。脱盐能力提高了20倍，每次运行可处理2000 mL天然海水。采用了一种新型重力驱动系统替代了循环脱盐和浓缩水的泵浦，以提高效率并减少能耗。如图6b所示，该集成系统通过白天的光伏能量生成和电池储能系统支持夜间使用，实现了24小时连续运行。因此，BDI系统展示了增强的电压和电流稳定性，并促进了电导率和离子浓度的衰减（图6c、S10和表S6）。最终，在96小时（4天）的时间里，系统完成了23个充放电循环，实现了97.98%的脱盐率和92.84%的水回收率，成功地将海水脱盐至704 mg L−1的饮用水标准（图6d）

图6. 集成的多通道PV-BDI系统的海水淡化性能。(a)大鹏湾海岸大型集成多通道PV-BDI系统的光学图像。(b)综合多通道PV-BDI系统的太阳辐照度、电流、电压和脱盐性能的输出。(c)各种离子去除效率。(d)系统脱盐性能。

总之，我们提出了一个创新的集成PV-BDI系统的设计原理和实际性能，用于同时去除双离子并实现天然海水的脱盐。该PV-BDI系统由可持续的太阳能光伏供电，能够在波动的户外阳光环境下将天然海水脱盐至世界卫生组织（WHO）饮用水标准，具有高的Na⁺和Cl⁻选择性以及99%的去除效率。与广泛应用的反渗透海水脱盐系统相比，使用PV-BDI系统从天然海水中获得饮用水的能耗显著降低，达到1.233 kW·h m⁻³。此外，BDI系统在盐去除过程中的质量比能耗为0.036 kW·h kg⁻¹，超越了包括电渗析和电容脱盐在内的最先进的电化学驱动脱盐技术。这些发现为沿海地区获取淡水资源开辟了新的可能性。

Photovoltaic-Driven Battery Deionization System for Efficient and Sustainable Seawater Desalination

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11467