第一作者：于飞

通讯作者：马杰

通讯单位：同济大学/喀什大学

论文DOI: 10.1016/j.seppur.2024.129285

摘要图：

1.全文速览

水资源保护仍然是一项全球性挑战。清洁饮用水的生产需要先进的方法和材料。电容去离子（Capacitive deionization, CDI）技术以其高效、经济、环保等特点成为21世纪最受关注的新型净水技术。在这里，我们回顾了CDI技术在饮用水水质净化方面的应用。我们介绍了CDI技术对饮用水中重金属离子、氟化物、硝酸盐和消毒副产物前体等的去处，并重点关注电极材料的去除效率、离子选择性和循环稳定性。

2.背景介绍

地球的储水量从总体来看是丰富的，其表面约70 %被水所覆盖，但从人类可利用角度来看，淡水资源量是非常小的，不到全球总水量的0.5 %。然而，由于人口增长、工业化加快和淡水资源污染问题，加剧了可用淡水资源的匮乏，一些地区和国家仍然面临着水资源短缺问题。因此，水资源保护仍然是一项全球性挑战。地下水作为大部分地区和国家饮用水的重要来源，面临着一系列的水污染问题，随着水污染的加剧，人类的一系列疾病最终都将与被污染的水体直接相关。因此，解决水污染问题刻不容缓。重金属离子、氟化物和消毒副产物等污染物严重影响饮用水水质。

铬离子在水中主要以Cr(III)和Cr(VI)两种氧化态存在。Cr(VI)对生物体具有致癌和基因突变作用，主要来自镀铬、冶金、颜料生产、制革工厂排放。砷酸盐来自自然环境演化和超标工业排放，在溶液中主要以三价和五价形式存在。五价砷在高氧环境下聚集，三价砷在还原条件下浓缩。三价砷的毒性是五价砷的20～60倍。砷过量会危害人类健康，如皮肤癌、肝癌等。虽然自然演化释放的砷离子浓度低于超标工业排放，但自然演化释放的砷离子也不容忽视。适当摄入0.5–1.0 mg L^-1的氟化物有益于牙齿健康，因为它对牙齿发育很重要。然而，氟化物的摄入量超过WHO标准的1.5 mg L^-1，可能会导致牙齿和骨骼的不可逆损害，例如氟斑牙、氟骨症，严重的可导致永久性骨骼和关节变形。人为活动和自然来源是地下水中高氟浓度存在的主要原因。随着工业化的发展，金属加工业、半导体工业和电子工业排放的含氟酸洗废水导致地下水中氟浓度增加，严重影响饮用水水质。在全球多个地区，包括坦桑尼亚、喀麦隆、肯尼亚、中国、挪威、墨西哥、印度和日本，已经观察到包括地下水在内的水源中氟化物浓度过高（超过8mg L^-1）。消毒作为消除水传播疾病必不可少的水处理措施，会在成品水中产生多种消毒副产物。许多消毒副产物已被发现即使在低浓度下也会对健康产生明确的不利影响。例如，三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)是几十年来在许多国家受到管制的两类典型消毒副产物。由于它们的形成可归因于消毒剂(如氯)和消毒副产物前体(如天然有机物(NOM)和溴化物)之间的反应，因此以去除这些前体为目标的工艺是有效控制饮用水中消毒副产物的选择之一。

反渗透、膜过滤和吸附等传统的饮用水处置方法虽然具有独特的优势，但存在着再生复杂、能耗高、成本因素（安装和维护）、膜污染、其他离子的干扰等问题。。迄今为止，吸附法被认为是简单、经济、环保、高效、最具竞争力的方法之一。电容去离子（CDI）又称电吸附，是一种新兴的水处理技术，其机制包括通过形成双电层 (EDL) 以电吸附和通过电荷转移反应去除电化学离子，该技术最近在各种应用中受到了广泛关注。例如，它已被用于水软化、去除氟化物等离子污染物、铅等重金属、杀菌消毒以及除盐。迄今为止，由于具有高比表面积和优异的导电性，各种碳材料，如多孔碳，碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯已被用作CDI 系统的电极材料，。除此之外，金属有机框架、金属氧化物、MXene等材料均已被用作CDI系统的电极材料，用于电吸附去除不同污染物。CDI不仅电极材料种类丰富，还具有高效、操作简单、可持续和经济等优势，在去除特定污染物的同时，不会引入其他污染物，是一种理想的饮用水处置方法。

近年来，CDI技术在水处理领域得到了很好的应用，通过在Web of science检索发现，CDI技术在饮用水水质净化领域的发文量总体呈上升趋势，遗憾的是还没有论文对CDI技术在饮用水水质净化领域的应用及可能影响其效果的因素进行完整的阐述。在这里，我们概述了CDI技术在饮用水水质净化领域的应用，我们将分析影响其对不同离子去除效果的因素。最后，我们介绍了CDI技术在饮用水中的应用所面临的挑战和机遇。

Fig. 1. Application of CDI technology in drinking water treatment from 2012 to 2023. (a) Number of publications, (b) Thematic cluster analysis, (c) Keyword cluster analysis, (d) Thematic clustering timeline analysis. The results are obtained via Web of Science ((Topic(TS) = Capacitive Deionization or TS=electrosorption) and (TS=drinking water)).

3.图文解析

Figure 2 (a) Arsenic removal mechanism by MnO₂/biochar, (b) Measured (points) and fitted (lines) breakthrough curves for active BC with real groundwater, (c) Arsenic concentration and conductivity profiles with different applied voltages during an electrosorption/desorption cycle, (d) Electrosorptive capacity of TiO₂/ACF and ACF^[32], the interaction between H₂AsO₄⁻and (e) TiO₂(101)/(f) carbon (002), (g) Electrosorption isotherms (at 298 K) of As(III)⁰(H₃AsO₃) (5–196 mg L^-1) and As(V)⁻(H₂AsO₄⁻) (5–196 mg L^-1) fitted in Langmuir (Q = q_mKC/(1 + KC)) and Freundlich (Q = KC^1/n) modes, (h) Pseudo first-order oxidation (k_ox) and electrosorption rate constants (on meso-(k₁) and micro-(k₂) pores) for CDI of As(III)⁰(H₃AsO₃) (196 mg L^-1) under 1.2 V for three cycles, In situ XANES spectra and component fits of As(V)⁻and As(III)⁰under (i) 0 and +1.2 V during CDI for (j) 0.5 h and (k) 1 h.

在工业化繁荣的背景下，水中有毒重金属污染因其惊人的毒性和不可降解性，已成为人类社会或生态系统的巨大挑战。近年来，CDI在去除Pb、Cr、Cd和As等重金属离子方面具有巨大潜力，并且已经取得了不错的成效。

2015年，研究人员采用溶胶-凝胶法制备了新型TiO₂/ACF电极。在对100 ppb砷溶液的吸附1.5 h后，As(V)浓度小于10 ppb，低于WHO的饮用水标准(As(V) <10 ppb)。2017年，研究人员采用单通道模式CDI，以活性炭为电极材料，在1.2V电压下，砷的去除率达到76%（降至0.13mg L^-1），净化出水的砷浓度低于台湾饮用水和灌溉水源的标准砷浓度(0.05 mg L^-1)，证实了活性炭基材料是一种高潜力的电容去离子除砷电极材料，单通道CDI是一种稳定、节能的修复砷污染地下水的方法。2022年，Cuong等人采用单通道模式CDI系统对实际地下水进行了除砷测试，研究表明，3对电极材料的CDI系统运行2 h后水箱内砷的平均浓度为0.008 mg L^-1，符合WHO饮用水水质标准。2023年，Chen等人采用从棕榈壳废物中回收的碳制备的电极材料，去除台湾受黑足病影响的地下水中的有毒砷。研究表明，在不同浓度(5和196 mg L^-1)下，砷的去除率都很高。在1.2V电压下，电吸附1h，对水中As(V)⁻(196 mg L^-1)和As(III)⁰(196 mg L^-1)的去除率分别为76%和61%。此外，研究发现，As(III)⁰到As(V)⁻具有较高的氧化速率常数(0.93 h⁻¹)，使得As(V)⁻在AC的介孔和微孔上的电吸附速率常数分别为0.021和0.0013 h⁻¹，As(III)⁰氧化为毒性较小的As(V)⁻，使其能够通过电吸附去除，这证明了利用从农业废物(如棕榈壳)中回收的AC对黑足病以及其他砷污染地下水进行绿色修复的可行性。

Figure 3 (a)An illustration of the fabrication of the Fe₇S₈@NCNT composite, (b) Electrosorption capacity of the Fe₇S₈@NCNT electrode, (c) Schematic illustration of the preparation process of Fe₃O₄/PGCN composite material, (d) The stability test of the Fe₃O₄/PGCN assembled CDI for the removal of Pb²⁺and Cd²⁺with the initial concentration of 0.5 mg L^-1and 0.1 mg L^-1, respectively, (e) Schematic diagram of the NF/Mn₂CoO₄@TA-Fe³⁺electrode synthesis process and (f) Lead removal capacity.

2018年，研究人员首次验证了在恒定进料浓度的单通道模式下CDI选择性去除Pb²⁺的可行性。单通道模式CDI在去除重金属离子方面具有良好前景。基于硫醇基团对Pb²⁺等重金属离子的强亲和力，2019年，研究人员使用硫醇功能化石墨烯氧化物/活性炭（GO/AC）复合材料选择性去除自来水中的Pb²⁺，报告了一种零废水电容去离子（CDI）技术。研究发现，天然磷酸根离子可以显着改变自来水中的CDI 过程。磷酸盐离子的存在导致自来水中与游离离子形成铅颗粒。在充电过程中，颗粒通过电吸附到阴极上而被去除，而累积的铅颗粒在放电时被释放，通过与来自阳极的浓磷酸根离子反应形成沉淀物。随后可以使用管道中配备的过滤器收集沉淀物，从而实现零废水CDI。2020年，研究人员以甘蔗渣为起始原料，通过简单的热解处理，借助KOH进行预碳化和活化，经初湿浸渍开发了超细Fe₃O₄NPs功能化PGCN（Fe₃O₄/PGCN）作为 CDI 电极材料，在1.2V电压下，初始浓度分别为0.5 mg L^-1和0.1 mg L^-1的Pb²⁺和Cd²⁺溶液中，CDI处理90 min后，Pb²⁺和Cd²⁺浓度分别降至5.6 μg L^-1和5.9 μg L^-1，去除率分别为98.8 %和94.3 %。处理后溶液中的Pb²⁺和Cd²⁺残留浓度均低于国家规定的饮用水中的残留浓度，表现出优异的Pb²⁺和Cd²⁺电容去除能力。2021年，研究人员采用对称活性炭电极，成功地将废水中的Pb²⁺浓度降低至排放到公共下水道的法定限值 5 ppm 以下。在1.3 V电压下，30分钟内实现了98.1 %的高Pb²⁺去除效率，优于之前报道的54 %至81 %。2022年，基于赝电容电吸附机制，研究人员利用三聚氰胺泡沫框架通过水热、碳化和硫化三个步骤制备氮掺杂碳纳米管封装的Fe7S8 纳米粒子（Fe7S8@NCNT），成功应用于去除水中的 Pb²⁺离子。在1.2V电压下，Pb²⁺的去除容量达到223.1 mg g^-1，在16次吸收-解吸循环中表现出优异的循环稳定性，原始吸收容量保留率为91%，证实了以Fe²⁺/Fe³⁺法拉第氧化还原为主的赝电容对于增强Pb²⁺捕获能力的重要性。2023年，研究人员采用水热法和涂层法制备了泡沫镍(NF)/Mn₂CoO₄@单宁酸(TA)-Fe³⁺电极，使用所制备的电极和石墨纸正极建立了非对称电容去离子（CDI）系统。设计的不对称 CDI 系统在1.4 V、中性 pH条件下表现出 375 mg g^-1的高Pb²⁺吸附容量、高去除效率和显着的再生行为。此外，使用非对称CDI系统在1.4 V工作电压下通过电吸附富集浓度分别为10 ppm和100 ppm的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Pb²⁺混合离子水溶液时，Pb²⁺的去除率为选择性分别高达100%和70.8%，证实了饮用水中其他无害的竞争性阳离子对电吸附去除Pb²⁺的影响很小。

综上所述，电容去离子（CDI）是一种用于去除饮用水中重金属离子的有效方法，通过双电层和赝电容等机制可以实现重金属离子的高效和选择性去除。此外，选择合适官能团或活性物质对电极材料进行掺杂改性可以有效提升电极材料对于不同重金属离子的选择性去除能力。离子交换膜的使用也可以有效改善电极材料的重金属去除能力，但昂贵的价格限制了MCDI的应用。因此，开发高效、经济、绿色的CDI电极材料用于去除饮用水中的重金属离子仍是一个重要问题。

Figure 5 (a) Preparation procedure of industrialized CA powder, (b) The removal effect of CA electrode on different anions, (c) Effect of coexisting ions on the fluoride removal capacity of CA electrode, (d) The synthesis process of NH₂-MIL-53(Al) and AlNC, (e) F^-removal capacity of NH₂-MIL-53(Al) and AlNC at various F^-initial concentration, (f) F^-removal capacity by AlNC as a function of time at different concentrations, (g) at different initial pH and (h) under co-existing ions, (i) Mechanism of F^-electrosorption on AlNC.

CDI系统的性能通常取决于电极材料，目前活性炭和石墨烯等碳基材料，Ti₃C₂等金属碳化物和金属氧化物等离子嵌入材料，金属有机框架（MOFs）及其复合材料都已被用于饮用水电容去离子除氟。

碳基材料因其独特的性能，如高比表面积、良好的导电性和在水中的优异稳定性，被广泛用作CDI电极。活性炭（AC）、碳纳米管（CNT）、石墨烯和金属有机框架衍生碳（MOF衍生碳）是常用的碳电极材料，这些碳基材料已被应用于CDI除氟过程。Park等采用水热法制备了还原氧化石墨烯/羟基磷灰石氟化物选择性复合材料 (rGO/HA)。通过比较原始活性炭和rGO/HA的性能，发现rGO/HA电极的除氟性能优于原始活性炭电极。在氟化物、氯化物和硝酸盐的混合溶液中，rGO/HA和AC的最高F^-去除能力分别为0.2和0.041 mmol g^-1。通过对比，证明了rGO/HA的F^-去除能力不受溶液中Cl^-和NO₃^-存在的影响。此外，rGO/HA表现出良好的循环稳定性和可重复使用性，当施加足够的电压时，氟化物去除能力会进一步增加。该研究表明了rGO/HA电极材料具有优异的氟化物选择性，可能与电极材料中HA对F^-选择性的高亲和力有关。

Zhang等将工业制备的碳气凝胶成功应用于CDI电极材料，显示出良好的除氟性能（24.44 mg_F^-g_{CA electrode}^-1），高比表面积、高电导率和分级多孔结构等优点极大地促进了碳气凝胶电极的离子传输效率，增强了碳气凝胶电极的F^-去除性能。此外，研究表明碳气凝胶具有良好的稳定性，电极的比容量在100次充放电循环中没有明显损失。通过对共离子竞争吸附研究表明，当存在多种离子时，碳气凝胶电极对不同离子的去除效果排序为：F^-<SO₄^2-<Cl^-<NO₃^–，这可能与不同离子所带电荷数和其固有的水合半径不同有关。相比之下，小水合半径能促进离子在电极上的吸附，二价阴离子比一价阴离子更有效地去除，因此，具有最小水合半径的Cl^-（0.332 nm）表现出较好的吸附结果，另一方面，二价离子比一价离子更容易受到电场的影响，再加上水力半径的耦合作用，使得硫酸根的去除效果优于氟离子的去除效果。同时也说明了杂离子的存在会影响碳气凝胶电极对F^-的去除效果，但碳气凝胶电极对杂离子同样表现出较好的去除效果，说明碳气凝胶电极具有较好的实际应用潜力。

碳基材料虽具有高比表面积、良好的导电性，但低离子选择性限制了其对特定污染物的去除能力，因此，提高碳基材料的离子选择性是推动其发展的突破口。通过杂原子掺杂改性和制备复合材料等方法，可以提高碳基材料的离子选择性。此外，由于实际水体中存在着共离子竞争吸附效应，在研究模拟废水除氟性能的同时，也要考虑电极材料在实际水体中的除氟性能，综合考虑共离子竞争吸附影响。

Figure 6 (a) Mechanism of selective fluoride removal by NiAl layered metal oxide membrane electrode, (b) Mechanism of fluorine removal by Ti-AC electrode, (c) Schematic diagram of the fabrication process of the Cr-MOF electrode, (d) Defluorination mechanism diagram of Cr-MOF electrode, (e) Schematic illustration of the fabrication process of UiO-66-NH₂@PCNF, (f) CDI defluoridation process and the related adsorption mechanism on UiO-66- NH₂@PCNF electrode.

由于Al、Fe和Ti等金属氧化物具有高吸附容量、无毒、低水溶性、亲水性、强F^-亲和力和解吸潜力，氧化物纳米粒子具有丰富的表面官能团，使其在F^-吸附中特别稳定，因此具有较好的除氟潜力。基于铁、铝、钛、镁、硅、锆、铈、锰和镍氧化物的金属氧化物纳米材料及其复合材料已被开发用于除氟过程。

Bai等研究表明，NiAl层状金属氧化物可以用于水中的 CDI 除氟电极材料。相比之下，对F^-的吸附容量分别是Cl^-的4倍和SO₄^2-的2倍，对F^-表现出更好的吸附效果。此外，数据表明，对F^-的最大吸附容量达到49.28 mg g^-1。Wang等成功制备了NiFeMn三元层状金属氧化物（NiFeMn-LMO），研究表明，在500 mg L^-1NaF中，NiFeMn-LMO的除氟容量可达16.7 mg g^-1，其除氟容量在1.0 V电压下经过循环30次后仍保持在90%以上。电极导电性的提高可能与Mn的引入有关，不仅调节了电极的电子结构，也改善了赝电容行为，从而使该电极材料表现出优异的CDI脱氟性能。

金属氧化物纳米材料及其复合材料具有良好的选择性去除水中氟化物的潜力。F^-电吸附选择性主要是由于充电表面和氟化物之间的静电相互作用以及表面羟基与F^-的交换作用。对于这类材料的应用仍需考虑成本及环境污染问题，使其大规模生产及应用成为可能。

金属有机框架（MOFs）是一类新兴的多孔材料，由金属节点和有机配体通过配位键组成^[52]。由于MOFs具有高比表面积、多孔结构且孔结构可控、多样化的配体官能团、可大规模生产等特点，MOFs被广泛应用于许多领域（吸附、光催化等领域）。MOFs具有的独特结构及特点为其在除氟应用中提供了支撑。

Yu等通过水热法成功制备了具有超高比表面积、高水稳定性和开放金属位点的MIL-101(Cr)，使用炭黑增强电极材料的电导率和离子存储能力，表现出了出色的除氟能力，在1.4 V电压下，除氟容量达到39.84 mg_NaFg_electrodes⁻¹，并且能耗低（1.2 kWh kg_NaF⁻¹）。Hu等通过溶剂热法在多孔碳纳米纤维(PCNF)表面成功原位合成UiO-66-NH₂，表现出优异的吸附性能，最大F^-吸附量为213 mg g^-1，并且具有较高的稳定性，经过10次吸附/再生循环后，仍能保持88%的F^-吸附容量。此外，由于UiO-66-NH₂纳米通道的孔径筛选作用和与UiO-66-NH₂纳米通道中特定活性位点的强F^-结合能力，该电极在Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-和CO₃^2-存在下具有良好的F^-选择性。在高浓度F^-的模拟地下水中，CDI吸附后的去除率接近87%，F^-残留量降至0.64 mg L^-1，远低于世界卫生组织(WHO)饮用水标准的可接受限值。Hu等通过电泳沉积在聚吡咯薄膜上沉积金属有机骨架Ce/Zn-BDC-NH₂(CZBN)，成功制备了CZBN/PPy电极。然后将CZBN/PPy阳极与MnO₂阴极耦合，用于CDI除氟。结果表明，CZBN/PPy-MnO₂体系具有优异的除氟性能，在1.2 V、100 mgL^-1的F^-溶液中，去除率可达55.12 mgg^-1。F^-主要通过静电相互作用和与羟基的离子交换去除。同时具有较高的F^-选择性，在一些常见阴离子存在的情况下，即使经过五次吸附再生也能保持较高的F^-去除能力。

以上研究结果表明，MOFs通过特异性键合、静电相互作用及离子交换等机制可实现含氟废水中F^-的选择性去除，但由于导电性差等原因，MOFs通常与碳基材料等复合以提高其导电性，同时也可以提高其除氟能力。考虑到实际水体中的共存离子以及大规模生产应用的成本问题，如何以简单的方式构建高性能、高选择性的MOFs电极材料仍然是迫切需要解决的问题。

Figure8(a)Energy efficiency, i.e., energy per liter of freshwater, as function of salt concentration for mCDI, HCDI, and IDI, compared to values for reverse osmosis (RO) by J. Urban, (b)Comparison of capital and operating costs for baseline CDI, MCDI, FCDI, and least-cost RO, (c)Effects of change in input and cost parameters changed individually to the 25th (patterned) and 75th (filled) percentile from medianvalues (A) on CDI (B) and MCDI at high (C) and low (D) IEM costs, (d)Component cost contributions for the LCOW of the MCDI stack under feedwater scenarios of (a) soft tap water, (b) hard tap water, (c) cooling tower blowdown, and (d) wastewater discharge.

CDI 技术在饮用水处理领域的潜力令人着迷，尽管 CDI 技术已在实验室规模上展示了从水中去除污染物的潜力，但在实际应用中仍有许多挑战和需要进一步研究的领域，特别是在大规模饮用水处理中。为了确定正确的前进方向，需要解决三个关键且相关的问题：（i）如何优化电极材料？（ii）能否实现长期连续稳定的处理系统？（iii）系统运行成本是否太高？

电极材料是CDI系统的核心部件，其性能直接影响系统效率和运行成本。电极材料的稳定性对于CDI系统的实际应用至关重要，提高电极材料的可逆性和可回收性仍然是一大挑战。在实际应用中，水的体积相对于实验室模拟水来说是巨大的，使用小尺寸的电极材料达到预期的水处理效果是不现实的。此外，模拟水的成分简单，而实际水的成分复杂。实际水体中含有各种非目标处理对象，如有机物、无机物和杂质离子，这些物质可能会破坏CDI系统并降低处理性能。因此，如何在不影响CDI系统性能的情况下将整个系统放大到中试规模是一个关键问题。这也是目前大多数研究仅基于实验室模拟水的原因之一。如上所述，实际水中含有多种物质，需要电极材料具有相当大的离子选择性才能成功去除目标离子。离子选择性电极的发展不可避免地提高了电极材料的成本，而且人们也注重电极材料的绿色生产，这使其商业化应用更加困难。 如果研究人员能够解决这些问题，开发出高容量、高稳定性、高选择性和低成本的电极材料，预计CDI技术在未来的水处理中将发挥越来越重要的作用。

由于结垢，CDI系统在长期运行过程中可能会出现性能下降。结垢会影响CDI系统的去除效率并增加运行能耗，甚至可能加速电极材料的损耗。此外，CDI技术对不同类型的水源（如地下水、地表水、废水等）的适应性和处理效率可能会有所不同。饮用水源的水质差异很大，包括不同的离子种类和浓度、有机物含量、微生物污染等。CDI技术需要具有良好的水质适应性，能够在各种水质条件下有效处理饮用水。无论是运行过程中的结垢，还是应用于处理来自不同水源的水，都要求CDI系统具有良好的长期运行稳定性，这对CDI系统的设计提出了新的挑战。CDI系统的设计需要考虑电极排布、流体力学、离子迁移路径等，保证系统在实现目标离子有效去除的同时能够长期稳定运行。CDI系统的设计还需要考虑规模扩大带来的不可控因素，在扩大CDI系统规模时，保持系统的高效运行和可扩展性是一个挑战。另外，系统的集成化、模块化设计也是实现规模化应用的关键。

CDI 系统的总资本成本将包括 CDI 设备的成本（例如膜、电极、收集器、垫圈和外壳）以及与预处理、后处理和其他辅助设施（例如泵）、电力基础设施等相关的成本。图 8(a) 显示了 CDI 和传统水处理工艺 RO 的能源效率比较。只有在高浓度的咸水条件下，CDI 工艺才比 RO 更节能。刘等人开发了一个参数模型来评估基于咸水处理的 RO 和 CDI 工艺之间的成本比较。RO 工艺和 CDI 的详细参数成本如表 4 和表 5 所示。在 CDI 电极寿命为 0.5 年、MCDI 和 FCDI 电极寿命为 1 年的基准技术假设下，基准 CDI、MCDI 和 FCDI LCOW 估计分别为 0.25 美元、0.30 美元和 0.39 美元/立方米。与成本最低的混合型反渗透系统相比，这代表着 100% 到 210% 的成本溢价，如图 8（b）所示。如图 8（c、d）所示，对于 CDI 系统，最大的支出可能与 IEM 和电极更换有关，其成本取决于特定水处理任务所需的总膜面积。目前，IEM 价格昂贵（$20-100 $ m^-2），可能比碳电极（$10 $ m^-2）贵 2 到 10 倍。研究已经开发出相应的平准化水成本参数模型（LCOW，$m^-3产品水）用于 CDI 系统的经济性评估。结论与先前研究的结果一致，即 IEM 和电极材料的老化更换是系统运行成本高的主要原因。此外，随着电极更换频率的增加，电极成本在 LCOW 中占主导地位。这意味着对于现有的 CDI 系统，资本和材料成本通常超过能源和其他运营成本，尤其是在高生产率下。因此，简化工程设计并开发用于专门应用（例如选择性污染物去除和元素回收）的经济高效且稳定的材料（例如IEM和电极）可以有效提高CDI技术在工业应用中的工程意义和经济可行性。

根据每种技术的实际应用现状，RO 比 CDI 系统更具成本竞争力，除非在制造低成本、耐用的电极和集成电路方面取得重大进展，否则反渗透可能仍将是咸淡水淡化更具成本效益的技术。 因此，未来对合成和制造耐用电极和低成本 IEM（或离子交换涂层）的研究将是降低 CDI 工艺成本的关键。

4.总结与展望

电容去离子技术在饮用水处理领域的应用前景广阔。当前的挑战通过不断的研究和创新得以克服：开发新的高效且经济的电极材料，优化CDI系统设计以提高处理效率并降低能耗，以及集成智能控制系统进行实时监控和性能调整。此外，将CDI与其他水处理技术相结合形成综合处理解决方案将进一步提高水质和安全性。全面的经济评估和政策支持也将促进CDI技术的发展，而国际合作将有助于共享知识，加速技术创新，并开发基于CDI技术的微型净水装置，这将在缓解缺水地区和特殊场所（例如战争，灾难）饮用水供需不平衡方面发挥重要作用。我们相信，通过这些努力，CDI技术有望成为未来饮用水处理的关键技术，并为全球水资源的可持续管理做出重大贡献。

近年来，电容去离子（CDI）技术在饮用水处理中发挥着重要作用。综述文献显示，CDI对于去除饮用水中的重金属离子（Pb²⁺、Cd²⁺等）、氟化物、硝酸盐等是可行的。此外，MCDI可以选择性地去除饮用水中的溴化消毒副产物前体，从而减少水体中的消毒副产物。电极材料是CDI体系的关键，不同的电极材料由于其独特的性质可能在CDI体系中表现出明显不同的性能，同时在不同的CDI设备和不同的应用环境中可能表现出不同的优势。高效、高选择性电极材料的开发吸引了越来越多的科学家将CDI技术应用于饮用水处理。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129285