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科研人员在电容去离子技术选择性硬水软化方面取得进展
文章来源: 徐应生 发布时间: 2020-11-16

  近期,中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部环境与能源纳米材料中心团队基于电容去离子技术发展了铜基普鲁士蓝CuHCF选择性吸附电极,基于独特的晶体通道及特有的赝电容效应,该电极展现高效的选择性电吸附钙离子能力,该工作对于硬水软化技术具有重要意义。相关成果以“Selective Pseudocapacitive Deionization of Calcium Ions in Copper Hexacyanoferrate”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上。 

  水的硬度是世界各国普遍存在的水质问题。据统计,85%以上的可用淡水为硬水自来水、地面水、河水等常见的硬水一般都是由钙、镁离子引起的,会导致洗涤剂作用减弱,锅炉、管道、热交换器结垢,降低热导率,增加能耗,严重时甚至会引起管道堵塞和锅炉爆炸。长期饮用硬水会增加人体泌尿系统结石的得病率,因此硬水的软化处理得到高度关注。然而,现有的硬水处理技术如化学沉淀法、离子交换、膜过滤、电絮凝反渗透等,需要过度使用化学物质复杂的基础设施昂贵的维护且能源消耗高。近年来,电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI作为一种新型的水处理技术,由于其操作方便、环境友好、能耗低等优点,引起了人们的广泛关注。目前,用于CDI水处理技术的电极材料多为碳材料,缺乏目标离子的高效选择性,而具有高比电容的赝电容材料因其特有的离子选择性有望用于CDI硬水软化领域。 

  为此,固体所科研人员基于Ca2+离子的插层作用,首次利用CuHCF作为赝电容电极,在Na+Ca2+Mg2+等多种阳离子混合溶液中对Ca2+实现了高选择性电吸附(图1在非对称电容去离子装置中,1.4 V工作电压下获得了42.8 mg/g的钙离子最大吸附容量尤其是在高/离子摩尔10:1)溶液依然保有最高吸附选择性系数3.05,并且在循环过程中CuHCF电极材料也能保持原有的形貌和稳定的吸附容量(图2)。科研人员利用第一阶、第二阶动力学和等温吸附曲线分析CuHCF电极材料的赝电容吸附行为,并结合电化学表征以及分子动力学模拟技术阐明了CuHCF电极材料选择性吸附钙离子的赝电容本征特性(图3该研究工作对于探索CDI赝电容电极材料高效选择性电吸附目标离子以及CDI硬水软化技术具有重要意义。 

  上述工作得到了科技部国家重大研发专项和国家自然科学基金委基金项目的支持。 

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c11233 

 

  1. CuHCF基电容去离子技术以及选择性电吸附钙离子示意图。 

 

  2.aCuHCF电极在1.4V下电吸附钙离子的动力学行为;(bCuHCF电极1.4V钙离子等温吸附曲线;c在高/离子摩尔溶液钠和钙离子吸附量;d在高/离子摩尔溶液钙离子吸附选择性系数。 

 

  3. CuHCF电极在1.0 M CaCl2电解液中的a循环伏安曲线,b在不同扫速下赝电容贡献率,c不同电解质溶液中的循环伏安曲线,d分子动力学模型示意图。 

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