Nano Energy：氧化还原流去离子中的离子传输通道可实现超高脱盐性能

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氧化还原流去离子中的离子传输通道可实现超高脱盐性能

背景介绍

目前，世界正面临着严重的水、能源和环境危机。因此，海水和微咸水的淡化已成为获得淡水的重要技术，其中反渗透（RO）是最广泛使用的技术。然而，RO 在能耗和水回收方面相对无效，尤其是在处理低盐度溶液时. 电化学方法被认为是降低能耗的有希望的替代方法，同时提高了低盐度溶液中的水回收率和除盐效率。氧化还原液流去离子 (RFD) - 氧化还原液流电池的衍生物 - 具有成为具有竞争力的电化学水淡化技术的潜力。

本研究提出了一种离子交换剂促进的 RFD 装置（IE-RFD，图 2），该装置利用有效建立的离子传输通道来提高处理低盐度进料时的脱盐性能。

全文速览

氧化还原流动去离子 (RFD) 是氧化还原流动电池技术的新兴衍生产品，可在淡化盐水的同时储存能量。然而，传统 RFD 受限于高比能耗和低盐度范围（尤其是 < 3000 mg L^-1）中低离子电导率导致的低盐去除率。本研究探讨了由离子交换剂组成的离子传输通道在提高低盐度范围内的离子电导率方面的潜力。在处理低盐度饲料时，带离子交换器的 RFD 池 (IE-RFD) 的电阻和比能耗明显低于传统 RFD 池。有限元分析表明，离子交换剂中的电流密度，尤其是离子交换剂接触的地方，远高于周围溶液的电流密度，表明在低盐度范围内离子传输有效。IE-RFD 电池表现出出色的脱盐性能（10 000 mg L^-1 时为 99.4%）和低能耗（0.99 Wh L^-1）。在 10 天的连续脱盐过程中，我们没有观察到任何性能下降。与其他电化学脱盐技术，如膜电容去离子、流动电容去离子和传统的RFD相比，IE-RFD在能耗、除盐能力和稳定性方面具有优势。本研究描述了一种通过离子传输通道提高 RFD 脱盐性能的有效策略。通过进一步优化，这项技术可以帮助缓解全球对淡水的关键需求，使用最少的能源。

图文解读

在操作过程中，阳极电解液中的 I^-被氧化为 I₃^-，将阳离子驱动到接收器，而阴极电解液中的 I₃^-被还原为 I^-，从进料中吸收阳离子；进料中的阴离子转移到接收器，从而使进料脱盐并浓缩接收器。阳极液池和阴极液池相连，通过蠕动泵交换电解液，使电解液中的I^-和I₃^-含量保持稳定，持续脱盐。

在脱盐测试期间，IE-RFD 和 RFD 的进料浓度以相似且恒定的速率随时间下降。IE-RFD 和 RFD 的除盐率分别为 1.96  mg  cm^-2 h^-1和 2.02  mg  cm^-2 h^-1，电流效率分别为 94.0% 和 97.7%。IE-RFD 和 RFD 设备的电压随时间增加，导致比能量消耗增加。在相同的进料浓度下，IE-RFD器件的电压低于RFD器件的电压，并且随着浓度的降低，差异增大。在 2000 mg L^–1至 1000  mg L^–1的进料浓度范围内，RFD的比能耗 (Wh mol^–1 ) 比 IE-RFD 高 53%。由于 RFD 设备的电压在 IE-RFD 设备之前达到截止，因此 IE-RFD 电池实现了更高的盐分去除率（IE-RFD：97.6%，RFD：89.6%）。

根据RFD的电阻模型，进料室的电阻与溶液的离子浓度密切相关；RFD 电池在高盐度（3000 到 60000 mg L^-1）下表现出低电阻，在低盐度（<3000 mg L^-1）下表现出高电阻。由于离子交换剂中的离子浓度高且相对稳定，树脂颗粒之间的离子迁移阻力相当低。IE-RFD 对高盐溶液的电阻在实验上与 RFD 的电阻相等,随着溶液浓度的降低，离子交换剂在离子传导中的作用越来越重要。即使溶液的电导率接近于零，离子交换剂周围的溶液仍保持低水平的电阻。

通过有限元分析 (FEA) 模拟了电流密度分布，以确定离子传输的主要途径。在高盐度下（例如，35 000 mg  L^-1， b），由于溶液本身的强导电性，与RFD 单元相比IE-RFD 电池进料室中的电流密度是均匀的。由于树脂颗粒的紧密接触，形成了一个高电流密度的网络，连接了隔室的两侧，构成了离子传输的主要路线。有限元分析表明，由离子交换树脂颗粒组成的通道是低盐度溶液中离子传输的重要途径，与IE-RFD电池的脱盐性能密切相关。

IE-RFD系统的脱盐性能也与工作电流有关。IE-RFD 装置的除盐率与电流成正比。这种比例关系还表明，IE-RFD 电池在不同电流密度下具有稳定的电流效率，92.5% 至 93.9% 的高电流效率证实了这一点。  电流密度也影响能量消耗，比能量消耗 (SEC_V)在 0.5 mA cm^–2的电流密度下仅为 0.99 Wh L^–1，在 3.0 mA cm^–2的电流密度下增加到 4.00 Wh L^–1。为了优化 IE-RFD 设备的能耗，可以应用改进的离子交换膜和更薄的流动通道。此外，在高电流密度下充电引起的低电压会导致盐去除率降低，这可以通过在达到截止后保持恒定电压来衰减。

文献信息

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107652

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