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        科研進展

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        科研團隊在利用阿基米德螺旋模型提高電容去離子技術脫鹽性能研究方面取得進展

        作者:張欣源發布時間:2022-06-15【打印】【關閉】
          近期,中科院合肥研究院固體所環境與能源納米材料中心團隊基于電容去離子技術發展了螺旋流道流動電極電容去離子裝置用于海水淡化,利用阿基米德螺旋模型改善了碳漿料在集流體中的流動行為,提高裝置的脫鹽性能,取得顯著成果。相關研究成果發表在ACS ES&T Engineering上。

          由于制造工業的迅速崛起,環境污染日益加劇,全球淡水資源緊缺愈發成為影響21世紀社會進步和人口增長的重要因素。雖然地球表面約71%被水所覆蓋,但這些水中海水占據96.5%,淡水資源寥寥無幾。因此,從海水中獲取淡水資源成為緩解淡水危機最具前景的方式之一。相較于反滲透、電滲析等其他海水淡化方式,電容去離子技術擁有能源高效利用、環境友好和操作簡便等優勢,被認為是未來實現“雙碳”目標的有效海水淡化候選技術之一。

          近年來,流動電極電容去離子技術 (Flow electrode capacitive deionization, FCDI) 因具有偽無限吸附能力和較快的鹽離子吸附速率,被證明可以處理高鹽度鹽水甚至海水(35g/L),受到研究者的廣泛關注。然而,實驗室用FCDI裝置普遍存在串流漏液情況,影響實驗穩定性和裝置脫鹽性能,給實驗性能驗證和實驗進度帶來嚴重干擾。此外,傳統的蛇形流道不利于碳漿料流動,導致其在急速拐角處流速較慢,直線處流速較快,這種流速不均勻的行為嚴重削弱了FCDI裝置的脫鹽性能。因此,在優化FCDI裝置改進串流漏液問題的基礎上,對碳漿料流道的進一步設計顯得尤為重要。

          固體所研究人員提出一種新型FCDI裝置,成功解決了串流漏液問題。新型FCDI裝置采用包裹式結構,代替傳統裝置的堆疊組裝形式,從根本上解決了漏液的風險。同時,新型FCDI裝置采用鹽水側進側出方式代替原有的流穿組件式,解決了串流的問題(圖1)。基于此,實驗人員對流道進行了優化設計,提出利用阿基米德螺旋模型減小拐角處與直線處的流速差異,提升裝置的脫鹽性能。CFD模擬計算和實驗結果顯示,阿基米德螺旋流道使得碳漿料的流速更加均勻,脫鹽性能顯著提升(圖2)。新型FCDI裝置在3.5g/L鹽水的脫鹽測試中表現出優異的脫鹽性能,脫鹽率達到99.88%,且具有實際應用性。該工作成功提升了FCDI裝置的穩定性和脫鹽性能,對后續流動電極電容去離子裝置的發展和工業化推進具有重要意義。

          上述工作得到了科技部國家重大研發專項、國家自然科學基金委基金項目和安徽省重點研發計劃的支持。

        1. (a) 傳統FCDI裝置與 (b) 新型FCDI裝置裝配圖。
         
        2. (a) 螺旋流道示意圖; (b) 螺旋流道流場分布圖; (c) 螺旋流道低流速區域圖; (d) 蛇形流道示意圖; (e) 蛇形流道流場分布圖; (f) 蛇形流道低流速區域圖。

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