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【科技日报】电容去离子技术让“硬水”快速“服软”

发表时间: 2020-11-18 作者:科技日报记者 吴长锋

 

科技日报记者 吴长锋

记者从中科院合肥研究院获悉,该院固体所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,基于其独特的晶体通道及特有的赝电容效应,该电极展现出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。相关成果日前发表在《ACS应用材料与界面》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。长期饮用硬水还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。

电容去离子技术(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。但由于该技术所用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,科研人员基于Ca2+离子的插层作用,首次利用铜基普鲁士蓝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。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,尤其是在高钠/钙离子摩尔比(10:1)溶液中依然保有最高吸附选择性系数3.05,并且在循环过程中铜基普鲁士蓝CuHCF电极材料也能保持原有的形貌和稳定的吸附容量。科研人员结合电化学表征以及分子动力学模拟技术,阐明了铜基普鲁士蓝CuHCF电极材料选择性吸附钙离子的赝电容本征特性。

该研究成果对于探索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。