全球粮食安全对于地缘政治稳定和可持续发展至关重要；然而，目前约有1.24亿人分布在51个国家中面临粮食不安全的问题。钾作为肥料的重要组成部分，对于提高作物产量和建立有韧性的农业系统至关重要。目前，全球钾资源高度集中在少数地区，尤其是加拿大和俄罗斯，这给供应链稳定性带来了重大风险，并使中国等主要进口国面临巨大的市场波动和战略脆弱性。因此，从非传统资源中回收钾已成为确保供应安全的紧迫任务。
从含钾废水（如尿液[1]、[2]、垃圾填埋场渗滤液[3]、[4]甚至海水[5]）中回收钾是一种有前景的策略。这种方法不仅减少了污染，减轻了污水处理厂的负担，还促进了水和营养元素的再利用，这对于缓解资源和能源危机至关重要。然而，这些来源通常具有较低的钾钠比，并含有高浓度的竞争性离子，使得选择性提取K?变得复杂。
现有的钾回收技术，包括电渗析[6]、[7]、沸石吸附[8]和化学沉淀[9]、[10]，都存在关键局限性。电渗析技术难以区分单价离子，而化学沉淀方法则伴随着较高的运营成本和副产品风险。同样，沸石吸附技术可能导致二次污染。值得注意的是，现有技术尚未实现高选择性的钾离子回收，这凸显了创新回收方法的迫切需求。
电容去离子（CDI）是一种利用多孔电极上的电双层吸附的节能脱盐技术[11]，受到了关注。改进后的摇椅式电容去离子（RCDI）技术结合了对称电极和离子交换膜，以实现连续和可逆的离子分离和富集。当施加电压时，阳离子嵌入阴极的晶格中，而阴离子通过膜迁移到阳极室，从而在不同腔室中同时实现脱盐和离子浓缩。电压反转循环交替这些角色，驱动定向离子传输和富集[12]、[13]。这种架构克服了传统CDI中典型的电极容量不同步问题，优化了离子存储动力学[14]、脱盐稳定性和能源使用效率。此外，该系统在相对较低的运行电压下实现了高效的脱盐，显示出显著的节能潜力。通过选择具有选择性的电极材料，RCDI平台可以实现离子的选择性回收[15]。这些显著优势促使我们选择RCDI作为本研究中目标钾提取的基础平台。
RCDI系统的性能在很大程度上取决于用于电极的材料。普鲁士蓝类似物（PBAs）因其尺寸选择性的阳离子筛分特性而引起了广泛关注[16]。其中，柏林绿（FeHCF）已被证明具有高效的选择性K?回收能力[17]、[18]。然而，这种材料依赖的双活性中心可能导致在长时间电化学循环过程中结构应力积累和晶格畸变，从而导致结构降解和容量损失。虽然基于铜的PBAs具有类似的筛分结构，但其Cu2?/Cu?氧化还原对在水性电解质中的电化学稳定性不足，从而限制了其实际应用潜力[19]。因此，实际应用的电极材料必须结合出色的电化学和结构稳定性以及高选择性。
六氰合铁镍（NiHCF）是PBAs家族的重要成员，其晶格尺寸与FeHCF相当，具有筛分能力，并且在多个维度上表现出多种独特优势。从电化学角度来看，NiHCF利用Fe3?/Fe2?氧化还原对作为可逆中心，在离子插层/脱层过程中有效平衡电荷转移（方程1），从而确保了高效的离子回收[20]。离子插入过程中的最小晶格畸变进一步增强了NiHCF的结构稳定性[21]。此外，其操作电位窗口位于水的电化学稳定区内，有效抑制了氢气和氧气的产生等副反应[22]。基于这些特性，NiHCF在长期循环过程中表现出优于其他PBAs的结构完整性和电化学稳定性，凸显了其实际应用的潜力[19]。
总之，NiHCF结合了筛分能力、高效的氧化还原活性和优异的循环稳定性，使其成为合适的核心电极材料。因此，本实验选择NiHCF来系统研究其在RCDI系统中选择性回收钾离子的性能和潜在机制[20]。Ni?[Fe(CN)?]? + 2e? + 2K? ? K?Ni?[Fe(CN)?]?
目前，关于从废水中回收钾离子的研究仍然有限。然而，FeHCF已成功证明了电化学驱动的K?与Na?分离的可行性。大多数研究集中在具有简单离子组成的理想化溶液中，这使得将其结论推广到复杂废水环境中变得具有挑战性。因此，本研究旨在通过探索NiHCF-RCDI系统在低钾钠比以及Na?、Ca2?和Mg2?离子竞争存在下的复杂模拟废水系统中的性能边界，将研究重点转向更现实的情景。我们构建了NiHCF-RCDI系统来评估其选择性钾离子回收性能。首先进行了电化学表征，以研究电极在各种电解质溶液（K?、Na?、Ca2?和Mg2?）中的响应。鉴于NiHCF接近水分解电位的狭窄氧化还原窗口，我们系统评估了电压（0-1.4伏特）对吸附容量、电荷效率、溶液pH值变化和能耗的影响，以确定最佳操作电压。随后，在不同钾钠比的溶液中以及含有等量Ca2?和Mg2?的废水中进一步验证了该系统对K?的选择性。最后，进行了合成尿液实验，以证明该系统在模拟实际废水条件下的稳定性和可行性。
