[论文解读] Capacitive Deionization -- defining a class of desalination technologies

P. M. Biesheuvel, Martin Z. Bazant+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 1被引用 28

一句话总结

本文提出将电容去离子（CDI）的定义扩展为涵盖所有电驱动、循环式离子去除技术——无论其离子储存机制如何——基于其共享的操作原理和度量标准。该研究将CDI确立为与反渗透和电渗析并列的统一技术类别，从而实现对不同材料和机制的标准化分析与比较。

ABSTRACT

Over the past decade, capacitive deionization (CDI) has realized a surge in attention in the field of water desalination and can now be considered as an important technology class, along with reverse osmosis and electrodialysis. While many of the recently developed technologies no longer use a mechanism that follows the strict definition of the term "capacitive", these methods nevertheless share many common elements that encourage treating them with similar metrics and analyses. Specifically, they all involve electrically driven removal of ions from a feed stream, storage in an electrode (i.e., ion electrosorption) and release, in charge/discharge cycles. Grouping all these methods in the technology class of CDI makes it possible to treat evolving new technologies in standardized terms and compare them to other technologies in the same class.

研究动机与目标

• 解决日益多样的离子储存机制在脱盐技术中与传统CDI共享相同循环操作和度量标准所带来的问题。
• 通过基于操作和分析框架而非机制来定义CDI，解决术语上的模糊性。
• 促进对新兴脱盐技术在性能评估与比较方面的标准化。
• 基于共享的操作原理，将氧化还原活性材料、离子选择性聚合物及混合系统纳入CDI范畴。
• 通过实现一致的基准测试与技术平台分类，支持该领域的持续发展。

提出的方法

• 基于循环电极充放电和离子电吸附，提出CDI的广义定义，无论其底层离子储存机制如何。
• 将CDI定义为一个由共同度量标准统一的技术类别：平衡盐去除率和作为电池电压函数的储存电荷。
• 对所有遵循循环充放电过程的系统应用相同的分析与操作框架，包括碳基、嵌入式和氧化还原基电极。
• 只要在循环模式下运行，无论固定电极还是移动电极构型（如棒状、线状、流动颗粒）均纳入CDI框架。
• 承认通过双电层效应、化学亲和基团以及氧化还原活性材料实现的选择性离子去除为有效的CDI应用。
• 使用标准化性能度量指标对不同材料和机制的技术进行比较，实现跨平台评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将使用非EDL机制（如嵌入、法拉第反应）的脱盐技术合理地归入CDI范畴？
• RQ2 哪些共同的操作与分析特征可支持将多样化的离子去除机制归类为同一技术类别？
• RQ3 如何在不同CDI技术之间标准化盐去除率与电荷储存等性能度量指标？
• RQ4 移动电极或替代材料（如过渡金属六氰亚铁酸盐）在多大程度上符合所提出的CDI框架？
• RQ5 离子选择性在将CDI的应用范围从通用脱盐扩展至特定离子去除方面起到何种作用？

主要发现

• 本文成功将CDI重新定义为基于操作与分析一致性的广义技术类别，而非依赖机制，从而可纳入多样化材料与工艺。
• 通过氧化还原活性嵌入材料（如钠锰氧化物、六氰亚铁酸盐）实现的离子去除，只要遵循循环充放电并使用共享度量标准，即属于有效CDI。
• 固定于电极上的选择性离子分子或聚合物，若通过电压再生且遵循相同循环操作，亦被纳入CDI框架。
• 若符合相同的性能评估标准，结合双电层与法拉第过程的混合系统亦被认可为CDI。
• 只要在参考系中经历循环充电与离子电吸附，移动电极（如棒状、线状或流动颗粒）亦可归类为CDI。
• 使用高亲和力基团或膜实现的选择性离子去除，在扩展后的CDI定义下同样有效，尤其适用于从复杂水体中靶向去除特定离子。