海水淡化用碳基电极材料及电容去离子技术研究进展

电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)可以通过断电或电极反接方式使盐离子脱附,达到电极再生的目的,实现电极的可循环利用,其在海水淡化处理技术中具有独特的优势,逐渐成为一种缓和淡水资源紧缺和水污染的极具前景的技术手段。近年来,CDI处理技术正在向电极高效、无二次污染方向转变,未来将进一步聚焦碳基电极材料功能化(碳材料,钛碳化物MXenes,掺杂改性石墨烯材料)、装置和工艺设计优化等重要方向。为深入研究CDI海水淡化技术机理,进一步探索CDI方法在实际应用中的潜力,分别对CDI的脱盐机理、电极材料、装置和工艺设计对电吸附效率和性能的研究进展进行了总结,回顾CDI脱盐效果与电极材料、CDI电池装置设计等因素之间的密切关系,并对CDI技术在海水淡化中的研究发展提出展望。     

电化学联用技术研究微生物的胞外电子传递机制

胞外电子传递（EET）是指氧化还原反应所产生的电子在微生物细胞内和细胞外的电子受体/电子供体之间互相转移的过程,这一过程伴随着能量和物质的转化。阐明EET机制是提高微生物能量和物质转化效率的基础,为元素的生物地球化学循环、金属防腐以及生物电化学系统的应用等提供理论支撑。电化学技术作为研究电极/溶液界面电子转移的简便、有效方法,在研究微生物的直接电子传递和间接电子传递机制中发挥了重要的作用,也促进了EET机制的研究从宏观层面到微观层面不断深入。本文综述了研究微生物EET机制所涉及的电化学联用技术（包括微电极、扫描电化学显微镜、电化学联用光学显微镜和光谱电化学等）;详细介绍了这些电化学联用技术的功能和优势;重点阐述了这些电化学联用技术如何推动着EET机制的研究,从宏观的生物膜层面到微观的单个微生物细胞、蛋白和分子层面不断深入;展望了新的电化学联用技术在EET研究领域的应用前景。     

海水淡化原理及方法综述

介绍了海水淡化的原理和多级闪蒸、反渗透2种常用的海水淡化方法,并且简要回顾了我国海水淡化的研究和技术应用情况。     

新型海水微生物絮凝剂研制取得初步成果

国家“十一五”科技支撑计划的生活用海水集成技术研究及应用研究子课题海水净化微生物絮凝剂研究工作,目前已取得阶段性成果。海水微生物絮凝剂是一种天然高分子絮凝剂,具有可生物降解性、无二次污染等优点,是当前絮凝剂研究领域的热点。承担该任务的国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所课题组成员经过科研攻关,成功地从土壤和污泥中筛选出具有絮凝效果的微生物产生菌菌株,完成了对海水微生物絮凝剂产生菌菌种的鉴定等工作。初步确定了絮凝剂的有效成分和絮凝活性分布,确定了实验条件下投加量、水力条件、无机盐和pH值等的最佳取值范围,为海水微生物絮凝剂的应用等后续研究工作提供了有效支持。(中国化工仪器网)新型海水微生物絮凝剂研制取得初步成果     

纳米电化学传感器检测微生物的研究进展

致病微生物是影响人类健康的一类重要微生物。基于纳米材料的电化学免疫生物传感器在致病微生物检测方面具有检测速度快,灵敏度高,检测下限低,成本低等优点。本文综述了几种纳米材料电化学免疫生物传感器的构建和实验研究,分析了各种纳米材料如何改善电化学传感器性能,并具体比较分析了不同纳米电化学生物传感器对各种病原微生物的检测研究,最后,对未来的发展趋势进行了展望。     

基于纳米材料的电化学生物传感器检测微生物的研究进展

致病微生物是影响人类健康的一类重要微生物。基于纳米材料的电化学生物传感器在致病微生物检测方面具有检测速度快、灵敏度高、检出限低、成本低等优点。本文对几种基于纳米材料的电化学生物传感器的研究进展进行了介绍,分析了各种纳米材料如何改善电化学传感器性能,并对各种传感器的检测结果进行了比较分析;最后,对该领域未来的发展趋势进行了展望。     

网状骨架CVD生长碳纳米管用于重盐水脱盐

目前,太阳能海水淡化领域通过光子管理、纳米尺度热调控、开发新型光热转换材料、设计高效光吸收太阳能蒸馏器等方法实现了界面太阳能驱动蒸汽生成,这种绿色、可持续的脱盐技术已成为近年来的研究热点。碳基材料如碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨等都有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力,是一类新型的光热转换材料。本文通过对材料进行微结构设计,使用化学气相沉积(CVD)技术,在不锈钢网状骨架上生长碳纳米管形成光热转换活性区,以实现高效光吸收、光热转换,并进一步设计了房屋型太阳能蒸发器,其中盐水表面被微米网状-碳纳米管蒸发膜覆盖,利用光热转换过程产生的热量驱动重盐水中的水蒸发产生水蒸气,最后对水蒸气进行冷凝回收实现脱盐。实验结果表明,当光照强度为1个太阳光(1 kW·m~(-2))时,膜表面温度迅速升高并稳定于84.37°C,对于重盐水(100 g·L~(-1) NaCl)的脱盐率达到99.92%,可实现稳定持续的重盐水脱盐。这种方法可用于构建多孔界面光热转换脱盐系统,对设计界面光蒸汽转化膜材料及器件,实现规模化海水淡化具有重要的意义。     

天然海水中聚吡咯膜的防微生物附着及防腐蚀性能

采用恒电流法在316 L不锈钢电极表面合成聚吡咯(PPy), 通过开路电位、 生物显微镜(BM)、 Tafel极化曲线及电化学交流阻抗(EIS)研究了聚吡咯防止微生物附着及防腐蚀特性. 研究表明, 沉积聚吡咯的316 L不锈钢电极浸泡在天然海水中(0~20 d), 开路电位基本保持不变, 表明电化学合成的聚吡咯膜有良好的防止微生物附着能力, 并通过生物显微镜进行了验证, 且在浸泡的过程中其腐蚀电流密度维持在10^-7 mA/cm², 表现出良好的防腐蚀特性; 浸泡50 d后, 其防腐蚀效率仍高达97.45%. 因此, 电化学合成的聚吡咯具有优异的防止微生物附着和防腐蚀特性.     

利用原子力显微镜和分子技术研究海水微生物腐蚀(英文)

生物膜在自然界无处不在,但生物膜造成的腐蚀却基本上被忽视.本文展示了几种化学和微生物学新方法在海水微生物腐蚀研究中的应用.原子力显微镜用来揭示生物最初形成的机理和钢在受污染海水中的腐蚀程度,16SrDNA/RNA技术则用来分析生物膜中的微生物组成.试验结果表明,微生物腐蚀在6d内就已经开始了,腐蚀体积与时间的2.83次方成正比;腐蚀生物膜中的微生物以硫酸还原菌(脱硫弧菌科)为最多,其次是梭状芽孢杆菌.     

溴化钠水溶液体系中煤的电化学脱硫

煤炭脱硫技术包括:物理洗选、化学脱硫、生物脱硫、超声波脱硫和微波脱硫等[1～3]。物理洗选法脱硫最经济,但只能脱无机硫。生物、化学法脱硫不仅能脱无机硫,也能脱有机硫,但生产成本昂贵,距工业应用尚有一定距离。20世纪80年代出现的电化学脱硫技术是一种既能克服物理、化学等法的缺点,又能达到较好脱硫效果的洁净、温和的脱硫方法[4,5]。本文对电化学氧化脱硫进行了研究,探讨了电化学氧化法脱除煤中硫的适宜体系和条件。1　实验部分1 1　原料和试剂　实验采用山西平朔煤(Pingsucoal)为原料,煤样粒径小于0 125mm。对煤样进行硫分析,其…     

From capacitive deionization to desalination batteries and desalination fuel cells

The considerable growth of the world population, concomitant with an increase in environmental pollution, aggravates the antinomy between supply and demand for drinking water. Various desalination technologies have been developed to address this issue, allowing for abundant saltwater as a source for drinking water. Electrochemical desalination attracts more and more attention due to its high energy efficiency, facile operation, and low cost. Especially within the last decade, tremendous scientific progress on electrochemical desalination technologies has been made. This article reviews the development of electrochemical desalination technologies and introduces a facile classification into three generations based on the different working principles. The cell architecture, metrics, advantages, and disadvantages of other electrochemical desalination technologies are introduced and compared.     

Effect of environmental temperature and applied potential on water desalination performance using electrodialysis

Desalination of brackish water is a challenging task for higher recovery of water. In most of the cases, water recovery is low with high wastage. Electrodialysis (ED) provides a solution of water desalination with high recovery. Ion-exchange membranes are the main component for electrodialysis system. Here cation-exchange membrane and anion-exchange membrane were synthesized by free-radical polymerization for water desalination by ED. ATR-FTIR confirms the successful functionalization of the membranes and scanning electron microscopy technique reveals the dense morphology of the membranes. Here we used polyethylene as a binder and blow film extrusion for film formation, which is not only economically viable as well as large amount of membranes can be produced without using hazardous solvent. The desalination study reveals the improvement in desalination performance with slight increment in temperature which may be due to higher ionic mobility. The mechanical and thermal stability of the membranes was characterized to ensure the viability of membranes for desalination at higher temperatures. Effect of applied potential was also studied in the removal of pathogens during desalination and confirmed that 2 V/cell pair applied potential removes almost 97% pathogens during desalination in continuous mode.     

高回收率膜法苦咸水淡化工艺的应用研究进展

膜法苦咸水淡化过程中,符合环境保护要求的浓排水处理方法成本高昂,所以只有当回收率达到较高值时,在实际运行中才具有经济可行性。目前,在不加剧膜污染的条件下进一步提高苦咸水淡化系统回收率的方法已成为该领域研究热点。本文详细综述了高回收率膜法苦咸水淡化工艺的应用研究进展,包括基于反渗透、纳滤、正渗透、膜蒸馏、电渗析和电容去离子化淡化工艺过程,以及这些过程面临的热点问题,并对此提出了建议。     

基于离子浓差极化的立体式海水淡化微流控器件研究

海水淡化是解决人类淡水资源匮乏的一个重要途径。现有的海水淡化技术存在设备体积大、海水淡化成本高等问题。本研究采用聚二甲基硅氧烷( PDMS)制备了基于离子浓差极化原理的海水淡化器件,采用盐溶液模拟海水,进行盐离子和水分子分离的研究。研究了不同的外加电压、盐溶液在通道中的流动速度、盐溶液通道深度和Nafion纳米通道的深度等实验条件和结构参数对微流控器件分离盐离子和水分子的影响。对微流控器件的结构参数进行了优化。实验结果表明,采用外加电压为25 V、盐溶液流速为4μL/min、盐溶液通道深宽比为1：20、Nafion纳米通道深度为450~500μm的微流控器件进行盐溶液分离,除盐率可达到99%。研究结果对于开发新型高效、低能耗的海水淡化器件有重要的指导意义。     

A Polyoxometalate-Based Binder-Free Capacitive Deionization Electrode for Highly Efficient Sea Water Desalination

Capacitive deionization is a promising technique in sea water desalination. Compared with common electrodes, mixed capacitive-deionization electrodes exhibit better performance in sea water desalination because they integrate pseudocapacitance and electric double-layer capacitance in one system. Herein, a 3D binder-free mixed capacitive-deionization electrode was fabricated by direct electrodeposition of SiW₁₂O₄₀⁴⁻ and polyaniline on a 3D exfoliated graphite carrier. In this electrode, SiW₁₂O₄₀⁴⁻/polyaniline composite particles with a size of about 100–120 nm are dispersed homogenously on the 3D exfoliated graphite carrier. Its specific capacitance reaches 352 F g⁻¹ at 1 A g⁻¹. With increasing current from 1 to 20 A g⁻¹, the specific capacitance only decays by 32 %. When employed in sea water desalination, the performance of this mixed capacitive-deionization electrode is also excellent. At 1.2 V, the salt adsorption capacity of this mixed electrode reaches 23.1 mg g⁻¹ with a salt adsorption rate of 1.38 mg g⁻¹ min⁻¹ in 500 mg L⁻¹ NaCl. The performance of this electrode is well retained after 30 cycles. The excellent sea water desalination performance originates from the synergistic effect between SiW₁₂O₄₀⁴⁻ and polyaniline. This work has developed polyoxometalate as a new material for capacitive-deionization electrodes.     

Optimum design of reverse osmosis system under different feed concentration and product specification

The design of various multistage RO systems under different feed concentration and product specification is presented in this work. An optimization method using the process synthesis approach to design an RO system has been developed. First, a simplified superstructure that contains all the feasible design in present desalination process has been presented. It offers extensive flexibility towards optimizing various types of RO system and thus may be used for the selection of the optimal structural and operating schemes. A pressure vessel model that takes into account the pressure drop and concentration changes in the membrane channel has also been given to simulate multi-element performance in the pressure vessel. Then the cost equation relating the capital and operating cost to the design variables, as well as the structural variables of the designed system have been introduced in the objective function. Finally the optimum design problem can be formulated as a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem, which minimizes the total annualized cost. The solution to the problem includes optimal arrangement of the RO modules, pumps, energy recovery devices, the optimal operating conditions, and the optimal selection of types and number of membrane elements. The effectiveness of this design methodology has been demonstrated by solving several seawater desalination cases. Some of the trends of the optimum RO system design have been presented.     

苦咸水反渗透淡化中膜面结垢预测及防垢进展

苦咸水反渗透（BWRO）中的防垢过程,首先取决于给水水质,而根据水质条件和垢在膜面的形成机理采取相应的防垢措施是非常重要的。 显然,有效地管控膜面无机结垢及抑制膜面污染需要开展无机结垢趋势的预测、防垢措施和非破坏性无机垢监控等方面的技术研究。 一系列传统和新兴的分析技术,包括摩尔比率法、直接目测法和光谱法等已应用于BWRO过程中膜面防垢研究。 本文详细综述了该过程中无机结垢趋势的预测、防垢方法和非破坏性无机垢监控技术等方面的研究进展。 此外,针对目前的研究方向提出了建议。