[论文解读] Water Purification by Shock Electrodialysis: Deionization, Filtration, Separation, and Disinfection

Daosheng Deng, Wassim Aouad+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2014

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 41被引用 4

一句话总结

该论文展示了冲击电渗析（shock ED）可同时实现除盐、微米级颗粒物及纳米颗粒聚集体的过滤、大肠杆菌（99%去除/杀灭）的消毒，以及基于电荷的离子分离，提供了一种紧凑、多功能的水净化平台，将脱盐与上游和下游处理集成于单一装置中。

ABSTRACT

The development of energy and infrastructure efficient water purification systems are among the most critical engineering challenges facing our society. Water purification is often a multi-step process involving filtration, desalination, and disinfection of a feedstream. Shock electrodialysis (shock ED) is a newly developed technique for water desalination, leveraging the formation of ion concentration polarization (ICP) zones and deionization shock waves in microscale pores near to an ion selective element. While shock ED has been demonstrated as an effective water desalination tool, we here present evidence of other simultaneous functionalities. We show that, unlike electrodialysis, shock ED can thoroughly filter micron-scale particles and aggregates of nanoparticles present in the feedwater. We also demonstrate that shock ED can enable disinfection of feedwaters, as approximately $99\%$ of viable bacteria (here extit{E. coli}) in the inflow were killed or removed by our prototype. Shock ED also separates positive from negative particles, contrary to claims that ICP acts as a virtual barrier for all charged particles. By combining these functionalities (filtration, separation and disinfection) with deionization, shock ED has the potential to enable more compact and efficient water purification systems.

研究动机与目标

• 开发一种多功能水净化系统，将脱盐与过滤、消毒和离子分离功能集成于单一装置中。
• 解决传统水处理系统需分步进行预处理和后处理的局限性。
• 探索冲击电渗析（shock ED）作为反渗透和电渗析的可扩展、节能替代方案的潜力。
• 研究冲击电渗析中除主要的除盐功能外，过滤、消毒和基于电荷的分离是否可同时发生。
• 评估在冲击电渗析中使用多孔陶瓷隔板实现尺寸排阻过滤及电场增强微生物灭活的可行性。

提出的方法

• 采用带有微孔二氧化硅玻璃陶瓷隔板作为‘漏流膜’的冲击电渗析原型，位于铜阳极与Nafion阳离子交换膜阴极之间。
• 施加电流以诱导离子浓度极化（ICP），在阴极附近形成尖锐的除盐冲击波前（贫离子区），在阳极附近形成浓盐区。
• 利用电渗流和表面导电实现超极限电流，使冲击波在多孔介质中传播。
• 使用荧光标记的颗粒（50 µm）和纳米颗粒（50 nm）通过明场显微镜评估基于尺寸的过滤性能。
• 采用活/死细菌染色法（绿色=活菌，红色=死菌）结合大肠杆菌，通过荧光显微镜量化消毒效率。
• 测量带正电和带负电荧光染料的增强率与去除率，以评估冲击区内的电荷分离性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 冲击电渗析是否可在单一装置中同时实现除盐、过滤、消毒和离子分离？
• RQ2 冲击电渗析中的微孔陶瓷隔板在多大程度上实现了对微米级颗粒物及纳米颗粒聚集体的尺寸排阻过滤？
• RQ3 冲击电渗析系统中大肠杆菌的灭活或去除效率如何？其作用机制（如电场、空间位阻等）是什么？
• RQ4 冲击电渗析系统如何实现正负离子的分离？该分离效果是否依赖于流速或电场强度？
• RQ5 冲击电渗析能否在单一集成单元中替代传统水处理中的多个步骤（如过滤、消毒、脱盐）？

主要发现

• 冲击电渗析装置在进水中的活菌大肠杆菌实现了99%的去除或灭活，表明其具有强大的消毒能力。
• 直径为50 µm的微米级颗粒物及50 nm纳米颗粒的聚集体被完全截留，证明多孔陶瓷隔板通过空间位阻实现了有效的尺寸排阻过滤。
• 正电荷荧光染料的增强率随流速降低而增加，表明阳离子在除盐冲击区发生累积。
• 负电荷荧光染料的去除率随流速增加而提高，证实阴离子被排斥出贫离子区。
• 该装置实现了对阳离子与阴离子的持续分离，挑战了‘离子浓度极化对所有带电物种均构成普遍屏障’的假设。
• 系统在两次通过后实现了硫酸铜浓度降低四个数量级（从~10 mM降至~10 µM），证实了高效的除盐性能。