CREST | 沙迦大学Abdelkareem团队：海水淡化电容去离子化技术的能量回收与石墨烯应用进展

导 读

阿联酋沙迦大学Mohammad Ali Abdelkareem团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“电容去离子化技术的能量回收与石墨烯应用进展（Progress in energy recovery and graphene usage in capacitive deionization; 2022, 52(17): 3080-3136）”的综述。

随着全球人口增长和工业发展的加速，21世纪最大的挑战之一是确保饮用、种植和制造用淡水的可持续供应。由于地球丰富的海水资源，海水淡化被认为是满足对淡水日益增长的需求的最合适的方法之一。现如今已开发了多种海水淡化技术，其中电容去离子化（Capacitive Deionization，CDI）是一种基于双电层（EDL）形成原理的脱盐技术，具有低成本、高效率和无污染等优势，因此在海水淡化领域显示出了广阔的应用前景。对于目前应用最广泛的CDI电极材料，石墨烯因其优异的导电性和较高的比表面积而备受关注。CDI不仅具有较低的能耗需求，还可以通过回收部分输入的能量进一步降低能耗。回收的能量可用于为额外的CDI电池供电，存储在其他储能设备（如超级电容器）中，或用于其他应用。本文详细阐述了石墨烯作为CDI电极材料的最新进展，以及从CDI电池中回收能量的不同方法。此外，还比较了有无能量回收的CDI与常见海水淡化技术如反渗透、多效蒸馏和多级闪蒸蒸馏的能耗差异。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

CDI的原理与许多类型超级电容器中使用的原理相同，在电极形成的电场作用下，其中流动的盐水中不同的离子被吸引到带相反电荷的电极上，这就是所谓的电吸附。随着离子吸附在两个电极上，水中离子的浓度逐渐降低。电吸附过程完成后，吸附在电极表面的离子通过移除直流电源或在废水中交换电极极性而被去除（图2）。

图2 去离子(a)、再生(b)及CDI单元(c)

研究证明，与其他的碳材料相比，石墨烯具有高机械强度，高导电性，高比表面积等突出特点，意味着其具有非常高的盐吸附性能，因此石墨烯在CDI领域有着较高的关注度。电极性能的稳定性是选择CDI和超级电容器电极材料时必须考虑的重要因素之一。一个稳定的电极能够在多次充放电循环后提供接近恒定的比电容值。对于CDI电池，恒定或略微降低的比电容将导致长期可靠的脱盐性能，并降低更换电极的需要。许多使用石墨烯基电极的研究报告了所用电极的优异稳定性。然而，未经任何改善的原始石墨烯由于在氧化石墨烯（GO）还原过程中石墨烯层的聚集，在CDI中表现出较低的性能。有研究通过在氧化石墨烯在还原和活化过程中，采用太阳能处理，或采用石墨烯水凝胶和气凝胶，或者利用KMnO₄、KOH等来刻蚀增大石墨烯的比表面积，从而提高其盐吸附能力。另有学者研究发现，在其他碳材料如碳纳米管中添加石墨烯可以不同程度地提高CDI的性能。利用TiO₂等金属纳米粒子降低石墨烯的团聚程度，提供更好的表面润湿性亦可以提高CDI电极的整体性能。另外，掺杂氮和/或硫原子等非均相原子的石墨烯可以改善其结构，增加活性位点的数量，提高其导电性（图3）。

图3 对原始石墨烯低性能缺陷的改善研究

能量回收是CDI最有应用潜力且备受关注的特性之一，在再生过程中，通过将CDI电池的两个电极连接到一个电力负载上，可以回收用于形成双电层的部分能量。当带电离子离开多孔电极返回溶液时，同样数量的电子通过外部电路从一个电极流向另一个电极。电子的这种运动是能量回收的来源（图4）。CDI系统回收的能量主要以三种方式利用：1）将能量储存在超级电容或电池等储能装置中。2）将带电荷的CDI池作为能源连接到同一系统中的其他不带电荷的池。3）直接将其连接到直流负载。

图4 CDI能量回收的装置配置及结果

在海水淡化投入生产应用时，选择最佳的脱盐工艺是非常重要的，而比能耗即产生单位体积清洁水所需的能量，是决策中应考虑的最重要的参数之一。对比不同脱盐技术的比能耗发现，CDI的技术相比于其他脱盐手段如反渗透较为节能，具有一定的竞争力，但淡水产率仍有待进一步提高。而利用能量回收装置的CDI较无能量回收的系统耗能更少，使其成为目前最常用的反渗透海水淡化技术的潜在替代品。

总结与展望

这项工作总结了石墨烯作为CDI电池电极材料，并从这些电池中回收能量的最新进展。同时，将CDI技术与其它海水淡化技术进行了比能耗的比较，发现具有能量回收系统的CDI作为一种微咸水淡化技术是一种很有吸引力的技术。对于海水淡化，理论上反渗透和CDI都是可行的，但反渗透因其较高的产水率仍然较为有利。尽管CDI技术的发展取得了很大的进展，但未来还需要做更多的工作如石墨烯电极材料的改进和CDI系统能耗进一步降低等来提高能量回收率和淡水的产率，推动这项技术能投入实际的生产应用。

作者简介

第一作者简介：

Muaz Al Radi，阿联酋沙迦大学可持续与可再生能源工程系博士研究生，从事电化学与机械工程等方面的研究。

通讯作者简介：

Mohammad Ali Abdelkareem，阿联酋沙迦大学可持续与可再生能源工程系教授，致力于开发可用于废水处理和海水淡化的各种可再生能源和设备，以及用于不同电化学能量转换/存储装置的电极，如直接甲醇燃料电池、直接尿素燃料电池、微生物燃料电池和超级电容器。已发表学术论文两百余篇，目前担任International Journal of Thermofluids和Carbon Resources Conversion期刊编委。

Enas Taha Sayed，埃及米尼亚大学化学工程系助理教授，研究领域包括海水淡化、过程工程、阳极、环境工程和催化。

|撰稿：董文杰

|编排：曾镜羽

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