第一作者：马杰

通讯作者：马杰、于飞

通讯单位：同济大学、上海海洋大学

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118455

研究背景

为了克服传统 CDI 工艺不连续运行、难以放大、成本高等缺点，FCDI 技术越来越受到关注。流动电极的特性提供了耦合其他过程以物理或化学方式操纵流动电极的可行性，并增强了选择性去除或回收的性能。针对海水淡化率和运营成本，FCDI 在海水淡化的电动驱动技术领域显示出有前途的工业应用。从关键词数量和聚类统计可以直观地看出，FCDI 的研究重点逐渐从海水淡化性能转向选择性，具有独特选择性潜力的法拉第材料越来越受到关注。

然而，无论机制如何，能耗一直是海水淡化过程的主要关注点和研究领域。在总结了限制 FCDI 能源性能的基本因素后，发现先进材料几乎没有机会进一步提高海水淡化能源效率。材料研究应针对更具影响力的应用，而不仅仅是提高海水淡化效率。结构优化可以减轻扩展 FCDI 单元所增加的尺寸和所需的费用。与材料优化相比，扩展设计实现了更高的能源效率，同时确保了可接受的盐去除率。

内容简介

这篇综述总结了以 FCDI 性能优化为核心的反应器结构和流动电极性能的优化。基于对基本 FCDI 操作模型的回顾，提供了对 FCDI 的扩展和优化设计的见解，并研究了不同类型的堆叠配置之间的差异。结合最近用于材料优化、运行模式优化和反应器结构优化的热力学能效比较，我们评估了开发材料和优化结构在降低能耗方面的作用，并讨论了 FCDI 的当前性能和关键优化方法。最后，我们讨论了 FCDI 的新兴应用和紧迫问题，同时展望了有吸引力的未来研究方向。

图文导读

传统 FCDI 系统运行优化的研究主要集中在运行模式的选择上，而流电极材料改性的研究大多集中在获得高脱盐率而不是能源效率上。许多传统的 FCDI 操作优化和材料优化系统可以实现的最大热力学能效通常低于 10%，并且突破此能效限制的单个材料优化研究被限制在非常低的 Δc。传统碳材料的能源效率有时甚至高于改性碳材料的能源效率。FCDI 的结构设计优化在提高η方面比其他形式的创新更具优势。在正确选择工艺配置和操作条件的帮助下，出色的系统设计可以减少实现所需产水的驱动力并提高能量回收率。

图1.(a)FCDI在结构优化、材料优化和操作优化，(b)不同的技术手段下的η vs. SE关系。

凭借流动电极的独特优势，FCDI 可以连续去除给水中的离子物质。已经开发了几种新型电极材料、操作模式和反应器结构。然而，海水淡化中的大多数选择性应用都依赖于选择性膜。考虑到 FCDI 在海水淡化应用中的η普遍较低，除了继续探索提高能源效率的方法外，有必要将 FCDI 研究的重点转移到更合适的环境应用上。由于理论选择性电吸附过程所需的能耗在很大程度上取决于可以实现的离子选择性程度，因此选择性去除（回收）低浓度的特定物质是可行的。迫切需要研究 FCDI 在处理真实盐水方面的性能以及面向 FCDI 的复杂离子组装体的选择性。

图 3.选择性离子去除的不同机制：（a） 通过受控操作选择性去除 Ca2+ 离子。（b-d）基于不同价离子的膜亲和形成的选择性。（e） 向流动电极添加氧化还原对。（f） 低电流密度下的选择性。（g） 通过磁性电极与目标污染物形成复合物。（h-i）由充电和放电过程控制的选择性资源回收。

关于 FCDI 操作模式的最新研究主要集中在其优化和放大设计上。放大设计是 FCDI 实际应用中必然的话题。总结和比较各种操作模式的放大可能性和优势，对于FCDI作为具有连续脱盐能力和易于放大的代表性工艺技术的发展具有重要意义。FCDI 系统与其他技术的结合在解决特定环境问题方面发挥着积极作用。离子交换膜 （IEM） 昂贵的价格是限制 FCDI 设计放大的重要因素，因此，实现“无膜类”将成为改进工业应用的巨大动力。目前，将 IEM 作为膜垫片组件 （MSA） 涂布在具有多孔结构的表面上是最简单的方法之一（图 4a）。然而，涂层的 IEM 不可避免地穿透多孔分离物的表面，干扰了内部孔隙的盐水通道作用，处理能力必然会显着降低。使用 SiO₂或聚合物堵塞外表面的微孔甚至纳米孔的简单涂层阻隔方法是可行的替代方案（图 4b）。随着电池堆叠技术的发展，三维 （3D） 管状“无膜状”（无单独的离子交换膜）电极阵列具有被进料溶液浸没的交替阳极/阴极通道，可用于具有高效面积的 FCDI 海水淡化（图 4c）。

图 4.（a） “无膜类”设计方法的示意图和相应的表面/剖面图，以及 （b-c） FCDI“无膜类”设计中的 2D/3D 结构。

FCDI 的堆叠配置已被证明是扩大去离子过程和打破入口/出口流速限制的可行策略。与 CDI 类似，FCDI 的堆叠可分为串联式和并联式（图 5）。并联与串联电池组本质上是数量与质量的权衡。串联烟囱结构中水力停留时间的延长导致处理水的纯度增加。然而，由于需要高泵送压力，可以同时获得的处理水量减少了。由于水力停留时间明显短于串联堆栈，因此在获得高处理量时，只能获得接近单个装置的容量。近年来，对这两种叠层方法的研究都集中在获得更高的海水淡化效率和扩大水生产之间的权衡上。在海水淡化水量方面，结构设计进一步提高了 FCDI 在商业规模上进行海水淡化的可行性。

图 5.FCDI 的 （a） 串联和 （b） 并联结构示意图以及 （c，d） 2，3 对膜堆栈配置的示意图。

FCDI 系统结构设计研究的注意力一直集中在流电极室和垫片室上。关于流动电极再利用和分离的研究被严重忽视，尽管这是实现非间歇性海水淡化的必要先决条件。从盐水流中分离移动电极颗粒的一种简单方法是使用多个电池或添加额外的隔室，其中电极在一个 FCDI 模块（淡水生产）中充电，在另一个模块中排放（盐水分离）。然而，额外的 IEM 和反应器单元增加了系统的复杂性和单元堵塞的风险，这些限制阻碍了 FCDI 的放大。为了解决这些问题，FCDI 与其他系统的耦合主要围绕着回收或储存充电步骤中消耗的部分能量。

图 6.具有电极再生和浓缩物分离功能的 FCDI 结构：（a） 多个单元，（b） 增加单独的分离室，以及 （c-e）独立的分离室。

总结与展望

FCDI 作为一种有前途的离子去除技术具有许多优势：（i） 基于拟议的无限电吸收能力的持续和稳定的操作可行性，（ii） 高 WR，（iii） 简单的放大设计和灵活的结构，以及 （iv） 与其他工艺耦合以开发特定功能的可能性。为了促进实际应用，我们认为应特别致力于：（i） FCDI 结构优化应侧重于放大设计和“无膜”设计，（ii） 减少独特结构无法避免的额外能源消耗或能源回收，（iii） 迫切需要提高系统在资源回收过程中对有用物种的选择性， （iv） 开发创新的电极、膜、操作模式和对原位法拉第反应的适当控制，以实现更高的目标离子去除和回收选择性。在这篇综述中，我们围绕实现工业应用所面临的问题，重点介绍了当前设计优化和放大结构的进展。FCDI 设计优化在 η 与操作条件优化以及材料优化方面具有优势。

文献链接https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118455

另：封面图