高品質(zhì)核桃殼濾料廠家揭示電容去離子電化學(xué)脫鹽過程中的 pH 變化

　　高品質(zhì)核桃殼濾料生產(chǎn)廠家揭示電容去離子電化學(xué)脫鹽過程中的 pH 變化。本研究觀察到在 MCDI 操作期間進(jìn)水和出水之間的 pH 值會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致硬離子沉淀，從而影響電極和膜的長期穩(wěn)定性。

　　這些變化可歸因于不同的現(xiàn)象，可分為兩個(gè)不同的類別：法拉第和非法拉第。

　　研究表明，在長期運(yùn)行期間，電極隨時(shí)間老化，pH 值變化的幅度和方向會(huì)發(fā)生變化。我們研究了兩種不同進(jìn)料水溶液的這些變化：NaCl 溶液和自來水溶液。我們觀察到在用 NaCl 溶液再生期間 pH 值降低，但在用自來水再生期間 pH 值升高，這可能會(huì)導(dǎo)致硬度離子沉淀。

　　我們將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論進(jìn)行比較，并得出結(jié)論：對于老化的電極，非法拉第過程是 pH 值變化的主要原因。此外，我們發(fā)現(xiàn)對于自來水脫鹽，HCO3-和 CO32-離子的吸附和解吸會(huì)影響 pH 值的變化。

　　02背景介紹

　　盡管 CDI 是一種有前途的苦咸水淡化技術(shù)，但長期穩(wěn)定運(yùn)行仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。除了 EDL 中的電容性離子存儲(chǔ)之外，還會(huì)發(fā)生不希望的法拉第過程。這些法拉第過程被認(rèn)為是海水淡化性能隨時(shí)間下降的主要原因。

　　此外，這些過程會(huì)導(dǎo)致海水淡化過程中的 pH 值發(fā)生變化，當(dāng)溶液中存在硬度離子(Mg2+、Ca2+和 Fe2+/Fe3+)和碳酸根離子(HCO3-和 CO32-)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致鹽析出，從而影響CDI 電池的脫鹽性能和長期穩(wěn)定性。

　　導(dǎo)致 CDI 過程中 pH 值變化的機(jī)制可分為兩類：法拉第反應(yīng)和非法拉第過程。非法拉第過程，例如離子遷移率的差異，會(huì)影響單個(gè)離子的吸附率，例如 H+和 OH-，從而影響局部 pH 值。對于法拉第反應(yīng)，在陽極，主要考慮碳、氯化物和水氧化等反應(yīng)，而在陰極，則與溶解氧和水的還原有關(guān)。

　　在實(shí)驗(yàn)和理論上，許多研究報(bào)告說，如果進(jìn)水只含有氯化鈉，則解吸過程中的 pH 值會(huì)降低。

　　然而，目前的工作表明，對于含有不同離子混合物的真正微咸水(自來水)，在解吸過程中觀察到 pH 值升高。解吸過程中這種 pH 值升高是有問題的，尤其是當(dāng)我們在高水回收率下運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致解吸過程中流道中的鹽濃度很高。當(dāng)高鹽濃度與高 pH 值相結(jié)合，就會(huì)導(dǎo)致鹽類沉淀，例如碳酸鈣(結(jié)垢)在 CDI 電池的膜或其他組件上。

　　本研究報(bào)告了在不同水回收率下 MCDI 和 i-MCDI 操作中老化電極的 pH 值波動(dòng)。此外，我們將NaCl實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與僅包括非法拉第過程的理論進(jìn)行了比較，我們發(fā)現(xiàn)該理論很好地描述了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢。

　　03圖文導(dǎo)讀

　　在吸附步驟中，流出物 pH 值高于進(jìn)料 pH 值，而在解吸過程中，流出物 pH 值低于進(jìn)料 pH。有趣的是，我們觀察到，就趨勢而言，理論很好地描述了流出物 pH 值的變化，即我們觀察到吸附過程中的 pH 值增加和解吸過程中的 pH 值下降。

　　對于用 N2和空氣吹掃溶液的理論計(jì)算 pH 變化，實(shí)驗(yàn)觀察到的 pH 變化幅度大于理論預(yù)測的幅度。對于 20 mM NaCl 進(jìn)料溶液，實(shí)驗(yàn)觀察到的 pH 變化幅度與吸附步驟的理論預(yù)測相似，而對于解吸步驟，幅度略大于理論預(yù)測的幅度。然而，動(dòng)力學(xué)與預(yù)測不同，這可能是由于 pH 傳感器的靈敏度有限(<0.1 pH 單位)。

　　顯然，該理論僅包括非法拉第現(xiàn)象，例如溶液中存在的離子物質(zhì)的不同擴(kuò)散系數(shù)的影響，與我們之前的研究相比，該理論很好地描述了數(shù)據(jù)。在我們之前的研究中，我們將理論與使用原始電極進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，我們得出結(jié)論，必須考慮法拉第現(xiàn)象來解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，在目前的工作中，我們使用了老化的電極，理論與數(shù)據(jù)的一致性表明，對于老化的電極，非法拉第現(xiàn)象是 pH 變化的主要原因。

　　有趣的是，對于用自來水進(jìn)行的 MCDI 實(shí)驗(yàn)，與 NaCl 的情況相比，pH 值的變化是相反的，即 pH 值在吸附過程中降低，在解吸過程中升高。由于在用自來水解吸過程中觀察到的 pH 值升高會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢，因此必須開發(fā)和探索策略來逆轉(zhuǎn)這些變化。

　　為此，使用 i-MCDI 堆疊進(jìn)行了自來水脫鹽實(shí)驗(yàn)。對于自來水脫鹽，在 i-MCDI 中觀察到的出水 pH 值變化與 MCDI 中的相似：出水 pH 值在吸附過程中降低，在解吸過程中升高。這一發(fā)現(xiàn)表明水中的 pH 值變化與吸附和解吸過程中的電池操作無關(guān)。

　　我們使用 Visual MINTEQ 3.1 比較了吸附和解吸過程中自來水脫鹽的實(shí)驗(yàn)測量的流出物 pH 值變化與計(jì)算出的 pH 值。計(jì)算出的 pH 值與測量的 pH 值具有相似的趨勢，即流出物 pH 值在吸附過程中降低，在解吸過程中升高。

　　我們在脫鹽步驟中改變 HCO3-的濃度降 (ΔcHCO3- )，結(jié)果表明，pH值的變化依賴于ΔcHCO3- ，并且在吸附步驟中增加HCO3-離子去除會(huì)導(dǎo)致更明顯的 pH 值變化。

　　接下來，我們預(yù)測了作為水回收率函數(shù)的結(jié)垢潛力。為此，我們使用 Visual MINTEQ 軟件計(jì)算了解吸過程中收集的水的 pH 值，用于基于測量的離子組成進(jìn)行 50% 水回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，對于高于 70% 的水回收率，我們觀察到顯著的結(jié)垢潛力(LSI > 0.5)，并且結(jié)垢潛力隨著水的回收率而增加。

　　在自來水脫鹽過程中，pH 值的變化主要是由碳酸鹽物質(zhì)的吸附和解吸引起的。但是，如果不存在碳酸鹽物質(zhì)，則 pH 值的變化歸因于 Na+、Cl–、H+和 OH–離子遷移率差異對單個(gè)離子傳輸速率的影響。這兩種不同的現(xiàn)象導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)觀察到的 pH 變化方向的反轉(zhuǎn)。

　　在圖 6a和b的兩種情況下，吸附和再生過程中平均 pH 值變化的方向正好相反。增加 ΔcCl-導(dǎo)致更顯著的 pH 值變化，在吸附期間平均 pH 值高于進(jìn)水 pH 值，在解吸期間低于進(jìn)水 pH 值。

　　在自來水的情況下，隨著碳酸鹽物質(zhì)(HCO3-和 CO32–)吸附的增加，pH值變化則變得更加顯著，吸附過程中 pH 值降低，解吸過程中 pH 值升高。這一結(jié)果凸顯了研究實(shí)際脫鹽條件下 pH 變化的重要性，以及通過減少 HCO3-吸附來控制流出物 pH 變化以減輕結(jié)垢問題的必要性。

　　04總結(jié)與展望

　　總之，我們使用老化的電極、NaCl 溶液和自來水研究了 MCDI 和 i-MCDI 的 pH 變化。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在脫鹽過程中觀察到的出水 pH 值不會(huì)發(fā)生顯著變化。這些 pH 值隨用 N2吹掃的 NaCl 進(jìn)水而變化的趨勢與我們僅考慮離子擴(kuò)散系數(shù)差異的理論一致，這表明非法拉第過程是 MCDI 中老化電極導(dǎo)致 pH 值變化的主要原因。

　　這一發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有的理解大不相同，即法拉第過程是 MCDI 中 pH 值變化的主要原因。此外，我們發(fā)現(xiàn)自來水脫鹽所觀察到的 pH 值變化顯示出與 NaCl 不同的動(dòng)態(tài)：在解吸過程中流出物的 pH 值增加。我們通過脫鹽過程中碳酸氫根離子 (HCO3- ) 的吸附和再生過程中的解吸來解釋了這種方向反轉(zhuǎn)。這項(xiàng)工作還表明，在未來對 CDI 中 pH 變化的研究中，強(qiáng)烈建議使用老化電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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