评估循环型MCDI作为兼具离子去除和富集双重功能的系统

《Desalination and Water Treatment》：Evaluating circulation-type MCDI as a dual-function system for ion removal and enrichment

循环型膜电容去离子系统（C-MCDI）在20次循环中保持离子去除效率超80%，但其浓缩阶段能耗高达6.53 kWh/m3，提出ΔC指标量化浓度差异，验证C-MCDI兼具去盐与离子富集功能，但需解决能耗与长期稳定性问题。

　　在当前全球水资源日益紧张的背景下，膜电容去离子技术（Membrane Capacitive Deionization, MCDI）作为一种高效、低能耗的水处理技术，受到了广泛关注。MCDI通过在电场作用下利用多孔电极对水中的离子进行吸附和脱附，从而实现对低至中等盐度水源的脱盐处理。这项技术的优势在于其操作条件温和，无需高温高压，同时减少了化学药剂的使用，降低了膜污染的风险，使其在水处理领域具有显著的节能潜力。然而，传统的MCDI系统在结构设计上存在一定的局限性，尤其是在吸附和脱附过程均作用于同一进水系统的情况下，导致其理论产水率上限仅为50%，并且在再生过程中持续产生低盐度的浓缩液，这不仅限制了其实际应用，也增加了废水处理的复杂性。

为了克服这些限制，研究者提出了循环型MCDI（Circulation-type MCDI, C-MCDI）的概念，通过将脱附后的浓缩液导入一个循环池中，使其在多次循环过程中逐渐积累离子，从而实现离子的富集。这一创新设计不仅提升了MCDI的产水率，还为离子富集提供了新的可能性。然而，尽管C-MCDI在理论和应用潜力方面表现出色，其在实际操作中的表现仍需进一步验证，特别是在全周期能量消耗和离子富集机制方面。目前，关于C-MCDI的研究大多集中在提高产水率或改进电极结构上，而对其作为离子富集系统的性能评估则相对较少。

针对这一研究空白，本研究系统地评估了C-MCDI在循环操作中的离子富集性能和全周期能量需求。实验采用20个吸附-脱附周期，使用不同初始盐度（222–4000?μS/cm）的NaCl溶液作为进水，以比较MCDI和C-MCDI在脱盐和离子富集方面的表现。研究结果表明，两种系统在吸附阶段的离子去除效率均保持在80%以上，证实了其在脱盐方面的有效性。然而，在脱附阶段，C-MCDI的单位能耗（Specific Energy Consumption, SEC）显著增加，最高可达6.53 kWh/m3，这表明在离子富集过程中，系统需要额外的能量投入。因此，如何在保证离子富集效果的同时，降低脱附阶段的能量消耗，成为进一步优化C-MCDI性能的关键问题。

为了更准确地评估C-MCDI在离子富集方面的表现，本研究引入了ΔC（绝对浓度差）这一新的性能指标，定义为循环池与进水之间的电导率差异。与传统的相对比值（C?/C?）相比，ΔC能够更直观地反映系统在循环过程中的离子积累能力，从而为C-MCDI的性能评估提供更加全面和精确的依据。此外，本研究还对C-MCDI的全周期能量需求进行了量化分析，揭示了其在不同盐度条件下的能量消耗特征。结果表明，C-MCDI在吸附阶段的能量消耗范围为0.14–4.88 kWh/m3，而在脱附阶段则显著增加至6.53 kWh/m3，这进一步强调了脱附阶段对整体能耗的影响。

从脱盐的角度来看，MCDI和C-MCDI系统均表现出良好的离子去除能力，且在不同盐度条件下均能维持较高的去除效率。然而，C-MCDI在脱附阶段的能量需求明显高于MCDI，这主要是由于其在循环过程中需要持续地将脱附的离子重新引入系统，从而增加了能量消耗。尽管如此，C-MCDI的这一特性也为其在离子富集领域的应用提供了新的可能性。通过循环池的离子积累，C-MCDI能够在不牺牲脱盐性能的前提下，实现对特定离子的富集，这在资源回收和废水处理中具有重要的应用价值。

为了更全面地理解C-MCDI的运行机制和性能表现，本研究还对其系统配置进行了详细分析。实验采用的MCDI模块为实验室规模的电化学堆，由233对双极碳电极交替排列，并配合阳离子和阴离子交换膜以及非织造间隔物构成。在C-MCDI配置中，除了上述核心模块外，还配备了一个外部循环池，用于储存脱附后的浓缩液。这种设计使得C-MCDI能够在多次循环过程中逐步积累离子，从而实现从低盐度到高盐度的浓度梯度，为离子富集提供了稳定的环境。

在实验过程中，研究团队对MCDI和C-MCDI系统的运行参数进行了细致的监测和分析，包括进水盐度、电流密度、电极材料特性以及循环池的离子浓度变化等。通过对这些参数的跟踪，研究团队能够更准确地评估两种系统在不同操作条件下的性能表现，并揭示C-MCDI在循环操作中的独特优势。例如，在低盐度条件下，C-MCDI的离子去除效率与MCDI相当，但在中等盐度条件下，其产水率显著提升，这表明C-MCDI在处理中等盐度水源时具有更高的效率。同时，C-MCDI的循环池在多次运行后逐渐积累了较高浓度的离子，这一现象不仅验证了其离子富集能力，也为后续的资源回收提供了基础。

值得注意的是，C-MCDI的运行过程中，其能量需求的变化与离子浓度的动态积累密切相关。随着循环次数的增加，循环池中的离子浓度不断上升，导致电化学系统的电阻逐渐增大，进而影响系统的能量消耗。这一动态变化使得C-MCDI在不同阶段的能量需求呈现出明显的差异，特别是在脱附阶段，系统需要额外的能量来克服逐渐增大的电化学阻力。因此，如何在保证离子富集效果的同时，优化脱附阶段的能量管理，成为提升C-MCDI整体性能的重要方向。

此外，本研究还对C-MCDI与传统离子浓缩技术（如反渗透、电渗析等）在能量需求和离子富集能力方面的对比进行了深入探讨。结果显示，C-MCDI在离子富集方面具有一定的优势，特别是在低能耗和长周期稳定性方面。然而，其在脱附阶段的能量需求仍高于传统方法，这表明C-MCDI在实际应用中需要进一步优化其能量效率。为了实现这一目标，研究团队提出了多项改进措施，包括调整循环池的设计、优化电极材料的特性以及改进操作参数等，以期在提升离子富集能力的同时，降低系统的整体能耗。

总的来说，本研究通过系统的实验分析和理论探讨，揭示了C-MCDI在循环操作中的双重功能：一方面，它能够高效地去除水中的离子，实现脱盐目标；另一方面，它通过循环池的离子积累，为离子富集提供了新的途径。这些发现不仅拓展了MCDI技术的应用范围，也为未来在低能耗水处理和资源回收领域的研究提供了重要的理论支持和实践指导。同时，研究团队还提出了ΔC这一新的性能指标，为C-MCDI的评估和优化提供了更加科学和直观的依据。未来的研究应进一步关注如何在实际应用中平衡脱盐和离子富集的需求，优化系统的能量效率，并探索其在不同水源条件下的适应性，以推动C-MCDI技术在水处理和资源回收领域的广泛应用。