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基于Donnan理论的非对称吸附ICP-CDI体系构建及其除盐机制研究

批准号:
52100075
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘美君
依托单位:
学科分类:
工业水处理与回用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘美君

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
电除盐体系在含盐水体淡化应用中具有显著优势,然而,体系能量效率与除盐效果之间依然难以达到平衡,盐离子在体系中的迁移作用与电化学反应机理尚不明晰。本研究针对电除盐体系中能量效率提升的瓶颈问题,将Donnan平衡原理引入CDI体系,提出了基于非对称吸附的ICP-CDI技术,选取离子吸附容量高、充放电能力强的赝电容材料作为电极基底,通过官能团修饰的方法将离子选择性功能内化于电极内部,利用阴阳离子扩散速率差异的原理,构建非对称吸附体系,抑制低浓度离子边界层对体系能耗的影响。拟重点研究体系中的界面离子扩散及反应机制,将微流控模型实验与直接数值模拟相结合,探明影响除盐过程能量消耗的关键因素,以指导电极材料制备、电池构型、操作参数等方面的优化调控。本课题为电化学脱盐的机制探究提供了新的视角,为含盐水体净化与回用提供了新的解决方案及技术途径,具有重要的理论意义和应用价值。
英文摘要
The electro-driven desalination system has significant advantages in the existing desalination technologies. However, it is still difficult to achieve a balance between the energy efficiency and the desalination effect. The salt ions migration and the electrochemical reaction mechanism are still unclear. Aiming at the bottleneck of energy efficiency improvement in the electro-driven desalination system, this research introduces the Donnan equilibrium theory into the CDI system, and proposes an ICP-CDI technology based on asymmetric adsorption. Pseudocapacitance materials with high ion adsorption capacity and strong charge and discharge capabilities are selected as the electrode substrate, and the ion selective functions are internalized into the electrode under modification. In order to suppress the influence of the low-concentration ion boundary layer on the energy consumption, the principle of the difference in the diffusion rate of anion and cation will be used to construct an asymmetric adsorption system. It is planned to focus on studying the interface ion diffusion and reaction mechanism in the system by combining the microfluidic model experiment with direct numerical simulation. The key factors affecting the energy consumption of the desalination process will be found out to guide electrode material preparation, battery configuration, and operating parameters Optimal regulation and other aspects. The subject provides a new perspective for the investigation of the mechanism of electro-driven desalination, and provides a new solution and technical approach for the purification and reuse of salt water, which has important theoretical significance and application value.
电容去离子(CDI)是一种能够同步实现离子去除与能量储存的新型除盐技术,然而其离子去除性能与能量效率之间存在着制约关系,且盐离子在体系中的迁移作用与电化学反应机理尚不明晰。为突破CDI体系能量效率提升的瓶颈,本项目从离子迁移机制解析、电极材料设计和机器学习辅助体系优化三个方面展开研究。.基于Donnan原理,项目深入探究了离子交换膜(IEM)界面离子迁移行为对离子去除性能的影响。通过分析阴阳离子扩散系数的差异,调控离子交换膜的排布方式,成功调整了膜界面离子富集/消耗层的厚度,从而加速了电吸附过程。研究首次提出了电极界面离子浓度对流动电容去离子(FCDI)体系中离子传输速率的影响机制,并构建了三膜CAC-FCDI体系。该体系实现了良好的电流效率、高除盐速率和低能量消耗量。此外,根据反应器的实际结构,本研究构建了多物理场仿真模拟模型,通过数值模拟解析了离子迁移机制。.针对CDI体系中离子储存容量的限制,研究选取了离子吸附容量高、充放电能力强的赝电容材料MXene作为电极基底。通过电沉积方法制备了Ti3C2Tx@PPy电极材料。二维Ti3C2Tx的自堆积倾向和易氧化性质限制了其在CDI领域的应用,而PPy的引入不仅提升了Ti3C2Tx的层间距,还在其表面形成了一层保护层,同时有效增强了离子吸附位点的暴露。Ti3C2Tx@PPy电极材料的协同效应使其具有优异的脱盐性能,为MXene纳米片在CDI体系中的实际应用提供了可行策略。.由于现有CDI体系存在盐去除率、电流效率、摩尔能耗、能量效率等多种评价标准,研究通过已有实验结果获取数据集,构建了机器学习(ML)模型,辅助建立CDI体系性能评价标准。通过对实验数据进行相关性分析,首次提出脱盐速率和能量回收之间存在权衡关系。本研究构建了四种机器学习模型,用以预测不同操作条件下膜电容去离子(MCDI)的性能,并通过特征分析解析操作参数对性能的影响。进一步采用贝叶斯优化预测突破现有权衡关系的最佳操作参数,经实验证实,ML的预测结果成功突破了现有数据集的上限,为CDI体系的性能优化提供了科学依据。
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