电渗析与电容去离子离子选择性的比较

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第一作者：Amit N. Shocron

通讯作者：Razi Epsztein, and Matthew E. Suss

通讯单位：以色列理工学院

论文DOI: 10.1021/acs.estlett.2c00551

背景介绍

从水中选择性分离离子是下一代水技术的关键要素，因为不加选择地去除所有离子可能对水质有害、成本高昂或对许多新兴应用而言能源效率低下。一个突出的例子是处理农业用水，在这种应用中，给水的钠吸附率和总离子电导率通常必须降低，因此需要选择性地去除一价阳离子。用反渗透 (RO) 处理此类给水，去除几乎所有的一价和二价阳离子，会导致潜在的过度能源消耗和昂贵的再矿化后处理。其他示例包括水软化，其中 Ca ²⁺和 Mg ²⁺通常应选择性地去除 Na ⁺，去除Cd ²⁺、Pb ²⁺、Cr ³⁺等重金属，以及回收有价值的材料，例如 Au、Li 或含有 N 或 P 的营养物。纳滤 (NF) 是一种替代膜技术，与反渗透膜相比，膜包含更开放的结构，可实现离子选择性去除。然而，NF 只有一种活性元素，即 NF 膜，当给水通过膜时，它同时作用于阴离子和阳离子，可能会阻碍膜对特定离子的特异性。

MCDI 使用 ED 和 CDI 的有源元件，因为 IEM 放置在电极和分离器之间（图1d）。通常，MCDI 被认为是 CDI 的一个子类，因为多孔电极显着强加了循环操作的需要，并且会显着影响能量消耗。然而，IEM 在确定选择性离子去除方面起着主导作用。因此，我们预计 MCDI 中实现的分离和选择性机制与 ED 的分离和选择性机制更相似，而不是无膜 CDI。

尽管 ED 和 CDI 具有实现显着离子选择性分离的已知潜力，但没有工作直接比较这两种技术可实现的离子选择性，这代表了该领域的重大知识差距并阻碍了最佳技术的确定给定的选择性分离。在这里，来自以色列理工学院化学与环境工程系的Razi Epsztein和Matthew E. Suss团队比较了迄今为止 ED 和 CDI 对几个重要的竞争性阴离子和阳离子对的实验选择性，并提供了理论分析来支持和解释在这些技术之间观察到的重要差异。最后，我们描述了 ED 和 CDI 对离子选择性分离的未来展望。

全文速览

离子选择性去除是水净化技术的重要前沿。对于许多新兴应用，不加选择地去除所有离子会导致能源消耗过多、水的平准化成本高、出水水质差以及废盐水量增加。电渗析和电容去离子是两种电化学水净化技术，有望实现可调谐的离子选择性净化。这些技术具有根本不同的离子去除机制，因为电渗析利用通过离子交换膜的电扩散，而电容去离子利用电吸附到带电电极中。我们在这里提供了这两种技术实现的离子选择性的直接比较，重点关注几个重要的离子对。我们强调了这些技术在实现选择性方面的明显差异，并提供了将此类观察结果与离子去除机制联系起来的理论结果。根据实验文献，我们发现电容去离子比电渗析对竞争性阳离子（例如 Na⁺ vs Ca ²⁺和 Li ⁺ vs Na ⁺ ，而电渗析在分离 Cl – vs SO 4 2–和 Cl – vs NO 3 –等阴离子对时观察到的范围更广。最后，我们回顾了可以调整以调整两种技术实现的选择性的“旋钮”，并强调了在未来研究中应该回答的重要问题，以提高两种技术的选择性。

图文解析

图 1. (a) ED 堆栈、(b) ED 膜对、(c) 电极（左）和流通电极（右）CDI 电池之间的流动、(d) MCDI 电池的示意图，（e）大孔，和（f）多孔碳CDI电极的微孔。

图2：编译的测量选择性因子 βji，由 (a) 基于膜的细胞和 (b) 基于电吸附的细胞实现。包括的有βCl-NO3-（红色的），βNa+Li+（橘色），βCl-SO42-（蓝色的），和βNa+Ca2+（紫色的）。(a) ED 堆栈（三角形）和 MCDI 单元（正方形）的结果。(b) 碳电极 CDI 电池（圆圈）和具有氧化还原或嵌入电极（菱形）的 CDI 电池的结果。

图 

图 3.β_Na+^Ca2+的理论预测作为Vcell的函数，对于代表微咸水的15mM NaCl和3mM CaCl2的进料，ED（红线）和CDI（蓝线）。(a) 预测-5 M ≤ X_CEM ≤ - 3 M的ED细胞（实线），以及σ_chem,cat = 0（实线）、-1 M（虚线）或-2 M（虚线）的CDI细胞，以及理想溶液。(b) X_CEM = -5 M，σ_chem,cat = 0，μ_ex,Ca2+ = 0（实线）、-1（虚线）或-2（点线）。(c,d)示意图说明了选择性机制，并显示了Ca²⁺（红线）和Na⁺（黄线）的预测浓度曲线，(c)在V_cell=0.7V的ED电池和(d)在Vcell=1V的CDI阴极。

表 1. 可在 ED 和 CDI 中调整以改变分离因子的“旋钮”汇编

a，一个液滴表示改变旋钮导致的选择性因子变化小于一个数量级，两个液滴表示变化在一至两个数量级之间，三个液滴表示变化大于两个数量级。橙色液滴代表实验证实的旋钮，蓝色液滴代表作者对未探索旋钮的最佳估计或对实验探索旋钮未来改进的期望，空液滴代表其余范围。
b†，与批量模式有关。‡, IEMs的属性。§, 电极的特性。¶，仅适用于流过式电极配置。

总的来说，ED 和 CDI 都非常有希望实现可调离子选择性，有效的策略涉及目标材料设计或操作条件。根据图 2和3以及表 1中的结果，CDI 为单价-单价和单价-二价阳离子对提供了更通用的分离，而 ED 实现了更通用的阴离子分离。此类结论基于现有实验结果的当前快照，但此处提供的理论论据支持单价-二价阳离子分离情况下的更基本结论。如表1中大量蓝色液滴所证明, 需要进行大量的进一步研究，以充分探索这两种技术选择性分离的潜在范围。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acs.estlett.2c00551

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