一种连续流式电极电容去离子系统，用于高效从废水中回收和富集氨氮

四室流电极电容去离子技术高效去除氨氮并提升循环稳定性，较传统三室系统去除效率达99.04%且能耗降低26.6%。通过双阴离子交换膜分隔电极室与浓缩室，实现定向迁移与副反应抑制。实验验证其适用于复杂水质且无需电极再生，结构优化突破传统技术瓶颈。

　　

刘启林|张春红|雷艳|王双|刘雅|徐星涛

成都理工大学材料与环境工程学院，中国成都611730

摘要

流式电极电容去离子化（FCDI）在含氨废水的处理和资源回收方面展现出显著潜力。然而，传统的三室FCDI（T-FCDI）存在一些问题，如电极与浓缩液混合、电极再生繁琐、碳颗粒在阳离子交换膜（CEM）上沉积以及法拉第反应加剧。本研究通过引入两个阴离子交换膜（AEM），构建了一种新的四室FCDI系统（F-FCDI），即阳极室-进水室-浓缩室-阴极室结构，实现了NH??从进水室向浓缩室的方向性迁移。实验表明，F-FCDI系统在NH??去除效率（99.04% vs 78.17%）、循环稳定性（50次循环后的容量衰减1.54% vs 24.51%）和能耗（12.70 kWh/kg N vs 34.32 kWh/kg N）方面均优于T-FCDI系统。在连续处理2500 mL含氨废水（100 mg/L NH?Cl）24小时后，F-FCDI的NH??去除效率仍保持在95.06%（T-FCDI为52.56%），且能耗仅为23.54 kWh/kg N（T-FCDI为56.23 kWh/kg N）。同时，电极室内未检测到NH??，pH值波动范围（6.87-8.87）也小于T-FCDI（6.88-13.62），这证实了其对法拉第反应的有效抑制作用。此外，在含有多种阳离子的模拟城市废水中，F-FCDI系统仍能有效去除超过65.8%的NH??，并表现出良好的离子选择性。简而言之，这种四室设计为解决传统FCDI技术的瓶颈提供了创新方案，促进了氨氮资源回收技术的发展。

引言

氨（NH??）是一种常见的营养污染物，存在于废水渗滤液、水产养殖废水、厌氧消化产物和食品废弃物发酵液中，可能导致藻类爆发和富营养化等水污染问题[1]、[2]。同时，氨也是农业中的重要营养元素（氮肥）[3]、[4]、[5]。然而，传统的废水处理工艺（如生物硝化和反硝化）通常会将NH??转化为N?等物质[6]、[7]、[8]，这不仅导致氮资源的浪费，还消耗更多的化学物质和能源。为了解决这一问题，人们开发了多种高效且低成本的NH??回收技术，包括化学沉淀[4]、催化氧化[9]、[10]、[11]、[12]、吸附[13]、[14]、光催化[15]和电容去离子化（CDI）[16]、[17]、[18]、[19]等。其中，CDI被认为是一种低能耗且易于操作的技术，因为它可以在低电压（≤1.2 V）下通过碳电极对带电样品进行强电吸附[20]、[21]、[22]、[23]。然而，静态电极的吸附容量有限，且吸附过程不连续，这极大地限制了其工业应用[24]、[25]。

目前，作为一种具有广泛应用前景的CDI衍生技术，流式电极电容去离子化（FCDI）通过使用离子交换膜（IEMs）将流动电极和进水分离，实现了近乎无限的理论离子去除容量[26]、[27]、[28]。在传统的FCDI装置中，通常会引入阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM），将整个FCDI单元分为两个流动电极室和一个进水室，即典型的三室FCDI（T-FCDI）[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。T-FCDI单元中流动电极和进水的分离设计使得吸附剂能够同步从流动电极浆液中回收带电样品（如NH??）。传统的T-FCDI单元通过电吸附将进水室中的NH??富集到流动电极室的碳悬浮液中。然而，T-FCDI单元的设计存在一些局限性：首先，随着流动电极室中电解质浓度的增加，法拉第副反应（如氧还原反应-ORR）加剧，导致离子去除效率下降和pH值波动增加[29]、[33]；其次，分离过程仅将目标离子转移到流动电极室，后续需要额外步骤，增加了工艺复杂性；第三，流动电极的吸附容量有限，难以实现连续批处理（尽管具有巨大工业潜力）。当电解质浓度达到临界值时，需要使用HNO?和NaOH等化学物质以及大量去离子水进行电极再生，这不仅操作繁琐，还容易引起二次污染，限制了其经济性和环境可持续性。此外，CEM与流动电极的直接接触不仅会导致膜污染，还会严重限制离子跨膜的迁移和传质动力学，这是FCDI性能不佳的关键因素之一。因此，重构膜-电极接触界面和开发新的腔室结构对于提高FCDI技术性能至关重要。

在本研究中，我们重点关注了FCDI单元的结构设计，而非电极材料，如图1所示。与T-FCDI（图1a）相比，由AEM构建的四室FCDI单元（F-FCDI，图1a）（从左到右依次为阳极室、进水室、浓缩室和阴极室）能够更好地解决传统T-FCDI的问题。首先，产物富集路径得到了重构。在电场的作用下，NH??直接迁移到独立的浓缩室，而不会与阴极室中的电极浆液混合，有效避免了T-FCDI中由于目标离子进入电极室而发生的严重副反应（例如ORR），从而为NH??的稳定富集创造了清洁的电化学环境。其次，传质界面得到优化，效率得到提高。AEM的引入阻止了碳颗粒进入浓缩室，显著减少了其在CEM表面的沉积造成的膜污染，并降低了NH??的跨膜传质阻力。这种结构优化有助于提高NH??的迁移通量和电荷利用效率，从而提升氨氮的回收性能。最后，回收过程得到简化，成本也得以降低。独立的浓缩室实现了富集氨溶液与流动电极浆液的物理分离，产品可以直接获得，无需经过后续的沉淀、过滤等固液分离步骤。这大大简化了资源回收过程，降低了运营成本和复杂性，有望推动FCDI技术向工业应用的进步。通过系统比较T-FCDI和F-FCDI单元的NH??回收性能，验证了四室FCDI单元的优势。实验设计采用了多参数优化策略进行评估，重点考察了流动电极中的碳悬浮液含量、进水速率、施加电压、进水浓度、不同阳离子和阴离子、循环稳定性以及实际应用等因素。

材料与化学品

导电剂炭黑（CB）和活性炭粉（AC）分别由天津金林新材料有限公司和福州亿环碳业有限公司提供。有关CB和AC的更多详细信息，请参见表S1。离子交换膜（IEMs）由杭州绿河环境保护科技有限公司提供，更多信息见表S2。化学试剂NH?Cl（99.5%）、NaCl（99.5%）、CaCl?（99%）、FeCl?（99.5%）、NH?NO?（99%）和(NH?)?SO?（99%）由相关公司提供。

流动电极中碳含量的影响

图2总结了使用不同碳含量（2.5%、5%和7.5%重量百分比）的流动电极时，T-FCDI和F-FCDI的NH??回收性能。在电压恒定为1.2 V、进水流量为10 mL/min的条件下，进水室中的NH?Cl浓度逐渐降低（图2a），表明在5%和7.5%碳负载下，NH??进入流动电极的吸附能力增强（图2b和c）。此外，电极...

结论

本研究展示了一种四室FCDI工艺，能够高效连续处理含氨废水，实现NH??的同时去除和回收，无需电极再生和后续分离步骤。与传统的三室T-FCDI相比，四室FCDI在NH??去除效率（99.04% vs 78.17%）方面具有显著优势，并且对不同进水浓度的适应性更强。

CRediT作者贡献声明

刘雅：可视化、验证。徐星涛：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。雷艳：方法学设计、资金申请。王双：项目管理、数据管理。刘启林：初稿撰写、实验研究、资金申请。张春红：软件开发、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了成都理工大学人才引进项目（编号2024RC008）和中国教育协会国际交流项目（“从长江到维斯瓦河：2022年水体中抗生素的快速电化学检测研究”219）的支持。