雍天智，李 陽(yáng)，陸建剛，林若昀，吳俊升，左曉俊

（1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2.江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044；3.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044）

為解決上述不足，流動(dòng)電極電容去離子（Flowelectrode capacitive deionization，F(xiàn)CDI）技 術(shù) 應(yīng) 運(yùn) 而生〔6〕。FCDI技術(shù)以流動(dòng)電極代替固定電極吸附水中離子，在運(yùn)行過程中電極懸浮液不斷循環(huán)流動(dòng)并在電極室外脫附再生，因此可以實(shí)現(xiàn)脫鹽性能的提高和系統(tǒng)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。近年來，F(xiàn)CDI領(lǐng)域的研究熱度不斷上升，以“flow-electrode capacitive deion?ization”為關(guān)鍵詞在Web of Science中搜索可以發(fā)現(xiàn)論文發(fā)表數(shù)量和被引頻次均逐年遞增（截止至2021年11月）（圖1）。研究者們從基本運(yùn)行機(jī)理、裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)、電極材料開發(fā)和潛在應(yīng)用拓展等方面開展了大量工作，研究展示了FCDI技術(shù)在水處理領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。筆者對(duì)FCDI技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，主要介紹FCDI技術(shù)發(fā)展歷程及運(yùn)行原理，分析影響其脫鹽性能的關(guān)鍵因素，回顧近年來在不同領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合其優(yōu)勢(shì)，提出未來可行的發(fā)展方向。

圖1 Web of Science 中關(guān)于FCDI技術(shù)的科研論文發(fā)表情況Fig. 1 Publications of FCDI technology in web of science

1 FCDI技術(shù)的發(fā)展歷程及運(yùn)行原理

自20世紀(jì)60年代以來，CDI技術(shù)被廣泛研究并應(yīng)用于脫鹽領(lǐng)域，但是其在吸附過程中常會(huì)產(chǎn)生共離子效應(yīng)從而導(dǎo)致電荷效率的下降。J. B. LEE等〔7〕在2006年提出膜電容去離子（Membrane capacitive deionization，MCDI）技術(shù)，通過在CDI裝置的電極表面增加陰陽(yáng)離子交換膜以避免共離子效應(yīng)。然而，無論是CDI技術(shù)還是MCDI技術(shù)，它們的脫鹽性能仍然受制于固定電極有限的吸附能力，這使得其僅適用于中低濃度鹽水淡化。此外，由于固定電極吸附飽和后需要額外的脫附過程，系統(tǒng)也無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的連續(xù)運(yùn)行。基于此，S. I. JEON等〔8〕在2013年將“流動(dòng)電極”這一概念引入到CDI技術(shù)中，構(gòu)建了能夠用于高濃度鹽水淡化的FCDI技術(shù)。其運(yùn)行原理：通過在集流板內(nèi)側(cè)雕刻出蛇形流道并于表面覆上離子交換膜，可將系統(tǒng)分為兩個(gè)電極腔室和一個(gè)脫鹽腔室；由活性材料制備而成的碳流動(dòng)電極液在電極腔室不斷循環(huán)流動(dòng)，通過電場(chǎng)的作用將陰陽(yáng)離子以雙電層形式儲(chǔ)存在電極液中的碳材料表面，從而完成吸附過程。在這個(gè)過程中除了電容吸附外，使用離子交換膜而產(chǎn)生的電滲析效應(yīng)也起著重要的作用〔9〕。電極材料在離開電極區(qū)域后，受靜電力吸附的陰陽(yáng)離子被釋放使得電極液重新回到電中性，完成脫附過程。

FCDI技術(shù)的發(fā)展包括理論研究、材料開發(fā)和工程應(yīng)用三個(gè)方面（圖2）。在理論研究方面，普遍認(rèn)為FCDI技術(shù)的運(yùn)行機(jī)理仍然是“雙電層”理論。但與CDI技術(shù)不同的是，F(xiàn)CDI過程中電荷傳輸過程是十分復(fù)雜的，為此大量的實(shí)驗(yàn)和模型研究深入描述了FCDI系統(tǒng)中的電荷傳輸過程（包括電子轉(zhuǎn)移和離子遷移），從而解釋其運(yùn)行機(jī)理〔10〕。研究者們還從系統(tǒng)構(gòu)型配置設(shè)計(jì)〔11〕、能量以及水回收率評(píng)估〔12?13〕方 面進(jìn)行 研究，為FCDI的發(fā)展 提供了可 靠的工程理論。與此同時(shí)，電極材料開發(fā)也是FCDI技術(shù)發(fā)展不可或缺的一部分。這類研究多側(cè)重于新材料的研發(fā)和電極制備工藝的改進(jìn)，以提高流動(dòng)電極的電荷傳輸能力和流體特性。隨著理論的完善和系統(tǒng)的優(yōu)化，F(xiàn)CDI技術(shù)的脫鹽性能不斷得到改善，其應(yīng)用前景愈發(fā)明朗。盡管水體脫鹽是FCDI技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，但是其在資源回收和水污染治理等領(lǐng)域也得到了拓展，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景〔14?15〕。

圖2 FCDI技術(shù)的發(fā)展歷程Fig. 2 Development process of FCDI technology

2 FCDI裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行

典型的FCDI組件主要包括集流體、離子交換膜和墊片，按照一定的排列順序固定而成（圖3）。在此基礎(chǔ)上，研究者們從元件選材、構(gòu)型設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式等各方面進(jìn)行調(diào)整，以期得到性能更好的裝置系統(tǒng)。

圖3 典型FCDI裝置及其主要組成結(jié)構(gòu)Fig. 3 Typical FCDI device and its main structure

2.1 集流體

集流體是FCDI組件的關(guān)鍵部件之一，其主要功能為引導(dǎo)電極液流動(dòng)、給電極顆粒分配電荷以及為離子交換膜提供支撐。與CDI組件中使用的平板集流體不同，F(xiàn)CDI組件中使用的集流體表面通?？逃猩咝瓮ǖ?。理想的集流體應(yīng)具備導(dǎo)電性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異、輕質(zhì)、耐腐蝕和便于加工等特性。目前，石墨板是FCDI組件常用的集流體，此外研究者們也研發(fā)了一些新型集流體。Jinxing MA等〔16〕使用激光切割在丙烯酸板上雕刻出蛇形流道，再與石墨紙貼合制成了一種靈活輕便的集流體，其表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)石墨板集流體相當(dāng)?shù)拿擕}性能。Fan YANG等〔17〕采用緊密放置在離子交換膜上的鈦網(wǎng)作為集流體，使得電荷傳輸距離顯著縮短，與常規(guī)的石墨/不銹鋼板集流體相比脫鹽率提高了76%。Y. CHO等〔11〕開發(fā)了一種3D蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的FCDI脫鹽組件，是一種具有許多空心通道的多孔陶瓷組件，通過在通道處涂覆離子交換層和石墨層，從而不需要再額外使用離子交換膜和厚重的集流體。

2.2 裝置構(gòu)型

在常規(guī)的FCDI實(shí)驗(yàn)研究中，通常使用S. I. JEON等〔8〕提出的三腔室裝置構(gòu)型，即兩個(gè)電極腔室和一個(gè)脫鹽腔室。為了提高FCDI系統(tǒng)的處理能力，S. C. YANG等〔18〕將處理系統(tǒng)改造成兩套FCDI裝置的堆疊模式，與單套裝置相比仍然保留了原有的脫鹽率和電流效率，但處理能力提升了5倍。Jinxing MA等〔19〕擴(kuò)展了中間的進(jìn)水單元，使用多組離子交換膜堆疊多個(gè)進(jìn)水單元，結(jié)果表明使用兩組離子交換膜時(shí)的處理效率最高，平均脫鹽速率達(dá)到1.1 μg/（cm2·s）。

2.3 運(yùn)行模式

FCDI系統(tǒng)的運(yùn)行模式對(duì)于脫鹽性能有著重要影響〔20〕。FCDI的運(yùn)行模式主要指流動(dòng)電極的流體運(yùn)動(dòng)方式，分為開式循環(huán)（Open cycle，OC）、隔離閉式循環(huán)（Isolated closed-cycle，ICC）、短路閉式循環(huán)（Short-circuited closed-cycle，SCC）和單循環(huán)（Single cycle，SC）（圖4）。在OC模式下，流動(dòng)電極液僅進(jìn)入系統(tǒng)一次，雖然這種模式下電極容量是無限的，但是電極未再生回收，所以在經(jīng)濟(jì)效益上不可行。典型的ICC模式有兩個(gè)獨(dú)立的流動(dòng)電極腔室和電極儲(chǔ)罐，正負(fù)流動(dòng)電極液在各自的電極腔室和電極儲(chǔ)罐中循環(huán)，吸附結(jié)束后通過反轉(zhuǎn)電極極性來實(shí)現(xiàn)電極再生。然而，ICC模式下吸附點(diǎn)位有限，需要周期性反轉(zhuǎn)電極，且系統(tǒng)也較為復(fù)雜。因此，S. C. YANG等〔21〕提出了SCC模式，即正負(fù)流動(dòng)電極溶液離開電極腔室后在同一個(gè)電極儲(chǔ)罐中混合，通過電中和作用再釋放吸附離子，同步完成電極再生。Kunyue LUO等〔22〕測(cè)試了不同運(yùn)行方式下的FCDI脫鹽性能，結(jié)果表明SCC單程模式在平均脫鹽率和電荷效率等指標(biāo)上優(yōu)于其他運(yùn)行模式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電極連續(xù)再生因而被認(rèn)為是最優(yōu)化的運(yùn)行模式。為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，Junjun MA等〔23〕提出了SC模式，在該模式中兩個(gè)電極腔室和單個(gè)電極液儲(chǔ)罐相連形成一個(gè)單閉合回路，電極的吸附和脫附在同一時(shí)間發(fā)生在同一電極室內(nèi)。與SCC模式相比，SC模式下的平均脫鹽速率進(jìn)一步提高達(dá)到1.13 μmol/（cm2·min），且能耗節(jié)省了50%。

圖4 FCDI的四種運(yùn)行模式Fig. 4 Different operation modes of FCDI

3 FCDI脫鹽性能的系統(tǒng)優(yōu)化

除了上述的裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行模式外，對(duì)流動(dòng)電極材料、鹽溶液濃度、外接電壓、運(yùn)行流速等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，也會(huì)直接提升FCDI的脫鹽性能。

像《摩西五經(jīng)》所規(guī)定的這種儀式的制度太嚴(yán)格了，他要求食品完全一致。其實(shí)摩西是把以色列的飲食神圣化、規(guī)格化了，使其完全同一。而中國(guó)的春節(jié)或其他節(jié)日，只有一樣相同，其他可以不同，如春節(jié)包餃子，元宵節(jié)吃元宵，端午節(jié)吃粽子，中秋節(jié)吃月餅，但是其他的菜肴則根據(jù)各地區(qū)、各家的喜好，自行安排。

3.1 流動(dòng)電極材料

流動(dòng)電極是電子傳輸和離子吸附的核心，直接決定FCDI的脫鹽性能。流動(dòng)電極是由具有高比表面積的活性電容顆粒、導(dǎo)電劑和離子電解質(zhì)構(gòu)成的。常用的活性材料主要是各類碳基材料，其中活性炭是目前FCDI流動(dòng)電極使用最廣泛的活性材料〔24〕。流動(dòng)電極液含碳量對(duì)于FCDI的脫鹽性能有著重要影響。增加含碳量可以促進(jìn)活性炭顆粒與集流體以及顆粒與顆粒之間的碰撞，從而強(qiáng)化電荷傳輸過程〔25〕。但是流動(dòng)電極液含碳量也不宜過高，過高會(huì)增加流動(dòng)電極液黏度影響其流體特性，從而增加泵的運(yùn)行能耗，同時(shí)還會(huì)造成集流體通道堵塞。為了尋求流動(dòng)電極導(dǎo)電性和黏度的平衡，目前已報(bào)道的流動(dòng)電極活性含碳5%～20%〔25〕。有研究表明，通 過化 學(xué) 氧化〔26〕、氮 摻 雜〔27〕、過 渡 金 屬 氧 化 物 負(fù)載〔28〕或官能團(tuán)修飾〔29〕等方法，可以在不影響流動(dòng)電極液黏稠度、不造成通道堵塞的情況下有效提高活性炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最高達(dá)到35%〔30〕。

除了碳基活性材料以外，還需要添加導(dǎo)電劑進(jìn)一步增強(qiáng)流動(dòng)電極的導(dǎo)電性。Peng LIANG等〔31〕在電極液中加入1.5%的導(dǎo)電炭黑，F(xiàn)CDI的電荷效率由83.5%提升至96.5%，電極內(nèi)阻顯著降低。Kexin TANG等〔32〕在電極液中加入1%的碳納米管，電極液黏度僅增加1.1倍，但是由于碳納米管的橋接作用，流動(dòng)電極的導(dǎo)電性提高了13.2倍。雖然使用固體導(dǎo)電劑可以顯著改善流動(dòng)電極的導(dǎo)電性，但是電極液黏度也會(huì)相應(yīng)增加。因此，導(dǎo)電劑的添加量需要合理控制，以避免顆粒團(tuán)聚并堵塞通道。研究者們還引入液態(tài)電子媒介添加劑，依賴其在電極/電解液界面上的快速氧化還原反應(yīng)來增強(qiáng)流動(dòng)電極的電荷傳輸能力。Jinxing MA等〔33〕在電極中添加氧化還原活性醌，通過溶液中氫醌和苯醌的可逆氧化還原反應(yīng)，使電極液中的電荷轉(zhuǎn)移顯著增加。但是這類液態(tài)添加劑需要謹(jǐn)慎使用，否則會(huì)帶來毒性物質(zhì)泄漏的安全風(fēng)險(xiǎn)。在流動(dòng)電極開發(fā)方面，研究者們進(jìn)行了大量的嘗試，以期盡可能地提高FCDI系統(tǒng)的脫鹽效果。圖5總結(jié)了不同流動(dòng)電極體系的FCDI脫鹽性能，可以發(fā)現(xiàn)，通過電極材料的不斷開發(fā)，F(xiàn)CDI系統(tǒng)在1 000～5 000 mg/L的中濃度鹽水處理中展現(xiàn)出了較好的脫鹽性能，并且還能夠用于與自然海水相近的高濃度鹽水脫鹽。

圖5 FCDI流動(dòng)電極的脫鹽性能匯總Fig. 5 Summary of desalination performance for FCDI electrodes

3.2 鹽溶液濃度

3.2.1 電極液電解質(zhì)濃度

電極液電解質(zhì)是流動(dòng)電極的主要成分，在溶液中添加適量的鹽能有效減少裝置的內(nèi)部電阻，提高電荷傳輸能力。流動(dòng)電極液常用的電解質(zhì)為NaCl和Na2SO4。C. R. DENNISON等〔34〕將Na2SO4濃 度 由0.5 mol/L增加至1.25 mol/L后電極液導(dǎo)電性提高了25%。S. C. YANG等〔35〕探究了 離子在不 同NaCl濃度流動(dòng)電極中的擴(kuò)散行為，結(jié)果表明，NaCl在較低濃度時(shí)主要起降低流動(dòng)電極電阻的作用，在較高濃度時(shí)可以加強(qiáng)活性炭表面離子向間隙孔中的內(nèi)擴(kuò)散，成為影響脫鹽效率的主要離子傳輸過程。但是，流動(dòng)電極中的電解質(zhì)含量過高會(huì)導(dǎo)致固體顆粒聚集，電極液穩(wěn)定性下降，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)反離子擴(kuò)散，影響庫(kù)倫效率和脫鹽性能〔25〕。

3.2.2 進(jìn)料鹽溶液初始濃度

FCDI脫鹽性能還與進(jìn)料鹽溶液的初始濃度密切 相 關(guān)。Jing ZHANG等〔36〕在 研 究 利 用FCDI去 除水中的磷元素時(shí)發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，系統(tǒng)對(duì)磷的吸附量與進(jìn)料鹽溶液中磷的初始質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，處理初始質(zhì)量濃度為50、100、150 mg/L含磷溶液時(shí)吸附量分別達(dá)到了0.434、0.97、1.307 5 mg/g。Kuo FANG等〔15〕利用FCDI進(jìn) 行 氨 回收研 究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中氨初始濃度升高時(shí)，平均氨吸附率和氨吸附容量也同步提升。然而，其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明當(dāng)進(jìn)料鹽溶液初始濃度達(dá)到一定高度時(shí)，脫鹽率反而開始有所下降〔37〕。這說明FCDI雖然有較寬的濃度處理范圍，但仍然存在閾值，因此在設(shè)計(jì)使用FCDI系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意適配進(jìn)料鹽溶液的初始濃度。

3.3 運(yùn)行電壓

運(yùn)行電壓對(duì)FCDI脫鹽性能的影響在于增加運(yùn)行電壓可以加快離子的遷移速度，但過高的電壓會(huì)使得水電解、氧還原、碳還原等法拉第反應(yīng)加速發(fā)生，導(dǎo)致系統(tǒng)電荷效率降低，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。Peng LIANG等〔31〕探究了FCDI系統(tǒng)在0.6～4.8 V下的脫鹽效果，當(dāng)電壓在0.6～1.5 V之間時(shí)，鹽去除率線性增加；當(dāng)電壓大于1.5 V時(shí)鹽去除率略微增加而電荷效率顯著降低。Kexin TANG等〔38〕系統(tǒng)地評(píng)估了FCDI系統(tǒng)在1.2～2.4 V電壓范圍的脫鹽性能，結(jié)果表明電壓為2.0 V與電壓為1.6 V時(shí)的脫鹽表現(xiàn)幾乎相同，進(jìn)一步增加電壓至2.4 V時(shí)，處理效果明顯提升，這可能是由于離子交換膜兩側(cè)滲透壓的不斷變化、法拉第反應(yīng)加劇、膜或者碳粒子性質(zhì)改變等系統(tǒng)特性造成的。綜合能耗考慮，1.6 V仍是運(yùn)行系統(tǒng)的最佳電壓。

3.4 運(yùn)行流速

在FCDI系統(tǒng)運(yùn)行過程中，流動(dòng)電極液和進(jìn)料鹽溶液分別由泵輸送流經(jīng)電極腔室和脫鹽腔室，因此兩者的運(yùn)行流速都應(yīng)該被考慮。S. PORADA等〔25〕發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)料鹽溶液流速一定時(shí)，電極液運(yùn)行流速越低，則電極材料在裝置中停留的時(shí)間越長(zhǎng)，脫鹽效率增加，但流速過低會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)電極電荷傳輸能力減弱反而使脫鹽效率降低。楊宏艷等〔37〕發(fā)現(xiàn)，在電極液運(yùn)行流速不變的情況下，F(xiàn)CDI系統(tǒng)的脫鹽效率隨著進(jìn)料鹽溶液運(yùn)行流速的增大而減小。這主要是因?yàn)檫^快的流速會(huì)對(duì)鹽溶液擴(kuò)散產(chǎn)生強(qiáng)擾動(dòng)，使得原本的雙電層厚度降低，脫鹽效率大幅下降。此外，在該研究中還進(jìn)一步探究了進(jìn)料鹽溶液與電極液運(yùn)行流速的相對(duì)大小對(duì)于FCDI脫鹽性能的影響。當(dāng)進(jìn)料鹽溶液流速與陰陽(yáng)電極室中電極液流速比為1∶2∶2時(shí)FCDI系統(tǒng)的脫鹽效率最高（達(dá)79.38%）。這是因?yàn)檩^大的流速差距使得電極室和進(jìn)料室容易產(chǎn)生紊亂流動(dòng)，從而使?jié)舛炔钤龃?，促進(jìn)離子的遷移。通過以上分析可知，在設(shè)計(jì)FCDI系統(tǒng)參數(shù)時(shí)需要充分優(yōu)化進(jìn)料鹽溶液運(yùn)行流速和電極液運(yùn)行流速，通過考慮脫鹽效果和泵輸送能耗等指標(biāo)來權(quán)衡取舍。

4 FCDI技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

FCDI技術(shù)最初是一種設(shè)計(jì)用作海水淡化/苦咸水脫鹽的水處理工藝，近些年研究者們還將其運(yùn)用到了各種領(lǐng)域。

4.1 海水淡化與苦咸水脫鹽

與CDI和MCDI技術(shù)相比，F(xiàn)CDI技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于其具有極大的吸附容量和能夠長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，可以適用于高濃度鹽水的持續(xù)脫鹽。目前，海水淡化/苦咸水脫鹽仍是FCDI技術(shù)研究最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。S. I. JEON等〔8，39〕在最初提出“FCDI”概念時(shí)就系統(tǒng)探究了其對(duì)與海水濃度相當(dāng)?shù)柠}溶液（鹽質(zhì)量濃度35.0 g/L）的脫鹽效果，證實(shí)了FCDI系統(tǒng)適用于海水淡化領(lǐng)域。此外，將FCDI技術(shù)與其他脫鹽技術(shù)聯(lián)用也可大幅提升脫鹽的效果并降低運(yùn)行能耗。S. CHOI等〔40〕將FCDI技術(shù)與納濾（NF）技術(shù)聯(lián)用，在處理TDS為10 000 mg/L的鹽水時(shí)可以實(shí)現(xiàn)70%的水 回 收 率。H. J. CHUNG等〔41〕將FCDI技 術(shù) 作 為 海水反滲透（SWRO）技術(shù)的二段處理工藝，這種SWRO?FCDI聯(lián)用工藝不僅可以保證符合要求的淡水產(chǎn)量還進(jìn)一步降低了能耗。此外，F(xiàn)CDI裝置可以利用海水或反滲透濃水作為流動(dòng)電極液，滿足了實(shí)際應(yīng)用。盡管FCDI技術(shù)在高濃度鹽水脫鹽上展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，但是目前的研究更多的是使用不同濃度的NaCl、Na2SO4模擬鹽水，對(duì)成分更加復(fù)雜的實(shí)際水體研究較少。

4.2 特殊離子去除與資源回收

由于FCDI在運(yùn)行過程中可以不斷吸附濃縮離子，所以它在特殊離子去除與資源回收方面也存在一定的應(yīng)用潛力。水體中氮、磷元素累積過量會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，如何有效去除并資源化一直是研究 的 熱 點(diǎn)。Kuo FANG等〔15〕利 用FCDI系 統(tǒng) 對(duì) 低 濃度城市污水中的氨氮進(jìn)行了預(yù)濃縮，去除率可以達(dá)到87%。Yanhong BIAN等〔14〕使用ICC模式同時(shí)去除水體中的氮和磷，PO43??P的去除率為49%～91%，NO3??N和NH4+?N的 去 除 率 分 別 為83%～99%和89%～99%。通過對(duì)上述FCDI系統(tǒng)脫附再生，排放的脫附液中含有高濃度的氮、磷元素，實(shí)現(xiàn)了氮、磷的資源化回收，但是由于其他物質(zhì)的存在導(dǎo)致氮、磷回收的純度不夠。為了從廢水中回收得到純度高的氮、磷濃水以用作水肥，可以采用選擇性離子交換膜或者選擇性流動(dòng)電極實(shí)現(xiàn)對(duì)于氮、磷的目標(biāo)去除和回收。Kuo FANG等〔42〕設(shè)計(jì)了一種新型堆疊式三單元FCDI裝置，利用一價(jià)陽(yáng)離子選擇性交換膜（M?IEM）將NH4+以85%純度的硫酸銨形式選擇性回收。Lin LIN等〔43〕將 特 制 的 二 鈦 酸 鉀（K2Ti2O5或KTO）顆粒與活性炭混合用作流動(dòng)電極選擇性去除NH4+，與單獨(dú)使用活性炭相比，添加KTO流動(dòng)電極的NH4+去除率由35.6%提升至80%。Changyong ZHANG等〔44〕使用Fe3O4/AC復(fù)合電極通過磁性顆粒與磷的離子交換作用選擇性吸附磷，進(jìn)一步用堿液將飽和的電極顆粒再生，則可實(shí)現(xiàn)高純度磷的回收。此外，也可以與其他技術(shù)聯(lián)用將鹵水中的氮、磷選擇性回 收。Changyong ZHANG等〔45〕將FCDI裝置與氣體分離膜結(jié)合成新型的裝置來回收氨，主要過程是NH4+在陰極室中由于pH的升高轉(zhuǎn)化為氨氣，隨后穿過氣體分離膜進(jìn)入酸性吸收室被轉(zhuǎn)化或銨鹽，氨的去除率達(dá)90%，氨回收率達(dá)80%。該課題組還將FCDI裝置與流化床結(jié)晶技術(shù)耦合，此系統(tǒng)中FCDI裝置可將磷從廢水中預(yù)濃縮，吸附后的流動(dòng)電極濃縮液進(jìn)入流化床結(jié)晶，最終得到高純度的鳥糞石。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)CDI裝置可以去除廢水中63%的磷，流化床可以將濃縮液中80%的磷轉(zhuǎn)化為鳥糞石〔46〕。

除了氮、磷以外，F(xiàn)CDI還可以對(duì)其他離子進(jìn)行選 擇 性 去 除 和 回 收。Xudong ZHANG等〔47〕發(fā) 現(xiàn)，F(xiàn)CDI系統(tǒng)在SCC模式下處理Na+和Cu2+共存的混合溶液時(shí)，Cu2+會(huì)優(yōu)先沉積或吸附在碳顆粒中而Na+主要分布在電解質(zhì)中，因此在電極室內(nèi)Na+和Cu2+實(shí)現(xiàn)了分離。C. HE等〔48〕通過調(diào)整電流密度和電極液的pH，可以在含有Na+和Ca2+的混合溶液中選擇性地分離去除二價(jià)陽(yáng)離子，實(shí)現(xiàn)對(duì)微咸水的軟化處理。Chao YU等〔49〕針對(duì)有機(jī)物高級(jí)氧化過程中生成的大量難以降解的小分子羧酸鹽副產(chǎn)物，采用SCC模式可以有效回收高級(jí)氧化出水中80%的醋酸鹽和草酸鹽。

4.3 能源回收

經(jīng)濟(jì)性是脫鹽技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的重要考量指標(biāo)，一般取決于產(chǎn)水量、水回收率和能耗等技術(shù)指標(biāo)。產(chǎn)水量和水回收率決定了基礎(chǔ)設(shè)施的建造規(guī)模和維護(hù)成本，能耗則最直接地反映了運(yùn)行成本。Changyong ZHANG等〔50〕將FCDI技術(shù)與 反滲透技 術(shù)（RO）和電滲析技術(shù)（ED）進(jìn)行了系統(tǒng)地對(duì)比，他們發(fā)現(xiàn)在相同產(chǎn)水量和水回收率前提下FCDI技術(shù)所需能耗為0.22～14 kW·h/m3，反而要高于RO技術(shù)（0.19～0.833 kW·h/m3）和ED技 術(shù)（0.14～3.8 kW·h/m3）。然而，RO和ED技術(shù)的水回收率一般僅能達(dá)到40%～70%，F(xiàn)CDI技術(shù)可獲得＞95%的水回收率。因此，F(xiàn)CDI技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行中要充分權(quán)衡各技術(shù)指標(biāo)，在獲得高產(chǎn)水量和高水回收率的同時(shí)盡可能地維持低能耗，以尋求最優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性。

此外，研究者們嘗試在FCDI運(yùn)行過程中將能量進(jìn)行回收從而減少總能耗，這對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有一定的積極作用。S. I. JEON等〔39〕在2014年便對(duì)使用ICC模式的FCDI系統(tǒng)進(jìn)行能量回收實(shí)驗(yàn)，能量回收率為20%。Junjun MA等〔12〕發(fā)現(xiàn)在流動(dòng)電極液中加入碳納米管可以提高能量回收率。H. LIM等〔51〕系統(tǒng)地研究了影響能量產(chǎn)生的因素，結(jié)果表明放電電流決定了產(chǎn)生的能量容量，當(dāng)放電電流密度為50 mA時(shí)能量產(chǎn)生能力最強(qiáng)，最大能量回收率可達(dá)25%。

5 總結(jié)與展望

FCDI是一種適用范圍極廣的具有良好應(yīng)用前景的脫鹽技術(shù)，擁有理論上無限的吸附能力，電極容易制備，運(yùn)行管理方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中高濃度鹽水的連續(xù)脫鹽，彌補(bǔ)了CDI技術(shù)的不足。雖然近幾年來FCDI技術(shù)受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，但是其仍然處于發(fā)展的起步階段，未來的研究應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）雖然流動(dòng)電極的“雙電層”理論可以用來解釋電荷傳輸及離子存儲(chǔ)過程，但是FCDI系統(tǒng)是一個(gè)包含電滲析、法拉第反應(yīng)、非法拉第反應(yīng)的復(fù)雜過程，對(duì)于其內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)及過程還需進(jìn)一步研究。

（2）仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)FCDI系統(tǒng)的過程優(yōu)化，比如開發(fā)制備新型離子交換膜或者流動(dòng)電極材料以提升其脫鹽性能，從減小水阻和電阻角度改進(jìn)升級(jí)裝置構(gòu)型以降低運(yùn)行能耗，通過化學(xué)、物理手段控制結(jié)垢和膜污染問題等。

（3）目前研究主要使用實(shí)驗(yàn)室模擬用水，需要加強(qiáng)其對(duì)成分更加復(fù)雜的實(shí)際水體的應(yīng)用評(píng)價(jià)。研究者們還需要通過與多種技術(shù)聯(lián)用，進(jìn)一步拓展FCDI技術(shù)的潛在應(yīng)用。此外，還需開展FCDI技術(shù)的中試研究，系統(tǒng)評(píng)價(jià)工藝、效率、經(jīng)濟(jì)等綜合指標(biāo)，推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用。