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由于制造工業(yè)的迅速崛起，環(huán)境污染日益加劇，全球淡水資源緊缺愈發(fā)成為影響21世紀(jì)社會(huì)進(jìn)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(jù)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(jī)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(shù)擁有能源高效利用、環(huán)境友好和操作簡便等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效海水淡化候選技術(shù)之一。

近年來，流動(dòng)電極電容去離子技術(shù) (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(guān)注。然而，實(shí)驗(yàn)室用FCDI裝置普遍存在串流漏液情況，影響實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和裝置脫鹽性能，給實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度帶來嚴(yán)重干擾。此外，傳統(tǒng)的蛇形流道不利于碳漿料流動(dòng)，導(dǎo)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(yán)重削弱了FCDI裝置的脫鹽性能。因此，在優(yōu)化FCDI裝置改進(jìn)串流漏液問題的基礎(chǔ)上，對(duì)碳漿料流道的進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝置的堆疊組裝形式，從根本上解決了漏液的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，新型FCDI裝置采用鹽水側(cè)進(jìn)側(cè)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(shí)驗(yàn)人員對(duì)流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的脫鹽性能，脫鹽率達(dá)到99.88%，且具有實(shí)際應(yīng)用性。該工作成功提升了FCDI裝置的穩(wěn)定性和脫鹽性能，對(duì)后續(xù)流動(dòng)電極電容去離子裝置的發(fā)展和工業(yè)化推進(jìn)具有重要意義。

上述工作得到了科技部國家重大研發(fā)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)目和安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestengg.1c00445

圖1. (a) 傳統(tǒng)FCDI裝置與 (b) 新型FCDI裝置裝配圖。

圖2. (a) 螺旋流道示意圖； (b) 螺旋流道流場(chǎng)分布圖； (c) 螺旋流道低流速區(qū)域圖； (d) 蛇形流道示意圖； (e) 蛇形流道流場(chǎng)分布圖； (f) 蛇形流道低流速區(qū)域圖。

參考資料：http://www.hf.cas.cn/xwzx/jqyw/202206/t20220614_6460795.html