影响电容去离子吸附性能的因素分析及研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0868

工业水处理 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (9): 19-28. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2024-0868

影响电容去离子吸附性能的因素分析及研究进展

陈俊杰¹(), 潘华坤¹, 滕新喜¹, 梁英², 范扬¹(), 宋海欧³(), 张树鹏¹()

^1. 南京理工大学化学与化工学院，江苏南京 210094
^2. 南京华创环境技术研究院有限公司，江苏南京 210023
^3. 南京师范大学环境学院，江苏南京 210097

收稿日期:2025-02-24 出版日期:2025-09-20 发布日期:2025-11-20
通讯作者: 范扬, 宋海欧, 张树鹏
作者简介:
陈俊杰（2000— ），硕士研究生，E-mail：951609810@qq.com。
基金资助:
江苏省重点研发社会发展项目(BE2023820); 江苏省重点研发社会发展项目(BE2021720); 江苏省“青蓝工程”; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(30925010506); 污染控制与资源化研究国家重点实验室开放基金项目(PCRRF19032); 江苏省研究生实践创新计划项目(SJCX24_0154)

Analysis and research progress on the factors influencing the adsorption performance of capacitive deionization

Junjie CHEN¹(), Huakun PAN¹, Xinxi TENG¹, Ying LIANG², Yang FAN¹(), Hai’ou SONG³(), Shupeng ZHANG¹()

^1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
^2. Nanjing Huachuang Institute of Environmental Technology Co. , Ltd. , Nanjing 210023, China
^3. School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China

Received:2025-02-24 Online:2025-09-20 Published:2025-11-20
Contact: Yang FAN, Hai’ou SONG, Shupeng ZHANG

摘要/Abstract

摘要：

电容去离子（CDI）技术因具有低能耗和环境友好等优势，在应对日益严峻的淡水资源短缺问题中展现出巨大潜力。近年来，CDI技术发展迅速，其应用已从最初简单的Na⁺吸附拓展至复杂溶液体系中的选择性离子分离。总结了近年来在提升CDI性能和构建选择性吸附能力方面取得的研究进展。CDI技术的脱盐性能主要受溶液环境条件和电极材料特性两大因素的影响。溶液中离子的电荷数、水合半径和价态等固有属性直接影响其在电场作用下的迁移和吸附行为。同时，电极材料的孔径分布和表面化学性质是调控离子选择性的关键要素，微孔结构能增强离子筛分效应，而特定的表面官能团则可通过静电作用或配位机制实现对目标离子的选择性吸附。然而，CDI性能往往受多种因素的协同影响，单一变量的控制难以获得具有特定吸附效果的理想材料。因此，如何权衡各因素之间的相互作用关系，并制备具备定向吸附能力的电极材料，是未来CDI电极材料优化的重要趋势。

关键词: 电容去离子, 电吸附性能, 影响因素, 选择性

Abstract:

Capacitive deionization(CDI) has emerged as a promising approach to address the escalating global freshwater scarcity due to its low energy consumption and environmentally benign nature. In recent years, CDI technology has experienced rapid advancements, expanding its application from simple Na⁺ adsorption to the selective separation of ions in complex solution systems. Recent progresses in enhancing CDI performance and engineering selective ion adsorption capabilities were summarized. The desalination performance of CDI technology was primarily governed by two key factors: solution environmental conditions and properties of electrode materials. The intrinsic properties of ions in solution, such as charge number, hydrated radius, and valence, directly affected their migration and adsorption behavior under the influence of an electric field. Concurrently, the pore size distribution and surface chemistry of the electrode materials were critical factors in regulating ion selectivity. Microporous structures could enhance ion sieving effects, while specific surface functional groups could achieve selective adsorption of target ions through electrostatic interactions or coordination mechanisms. However, CDI performance was often influenced by the synergistic effects of multiple factors, and controlling a single variable rarely yielded ideal materials with specific adsorption characteristics. Therefore, balancing the interplay between these factors and fabricating electrode materials with tailored adsorption capabilities would be a crucial trend in the future optimization of CDI electrode materials.

Key words: capacitive deionization, electroadsorption performance, influence factor, selectivity

中图分类号:

X703

陈俊杰, 潘华坤, 滕新喜, 梁英, 范扬, 宋海欧, 张树鹏. 影响电容去离子吸附性能的因素分析及研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 19-28.

Junjie CHEN, Huakun PAN, Xinxi TENG, Ying LIANG, Yang FAN, Hai’ou SONG, Shupeng ZHANG. Analysis and research progress on the factors influencing the adsorption performance of capacitive deionization[J]. Industrial Water Treatment, 2025, 45(9): 19-28.

https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I9/19

图/表 6

图1 CDI原理与过程（a、b）和影响因素（c）

Fig.1 CDI principle and process（a，b） and influencing factors（c）

表1 不同材料性能与选择性

Table 1 Performance and selectivity of various materials

影响因素	材料名称	工作电压/V	溶液种类	盐吸附容量/（mg·g^-1）	去除率/%	选择性	参考文献
电性与电量	NJUST	1.4	250 mg/L NaCl	15.39		无	〔12〕
	LMTO	2.0	424 mg/L LiCl	34.00		Li⁺	〔13〕
	NiFe-LDH/MoS₂	1.2	100 mg/L Cr（Ⅵ）	49.71		Cr₂O₇ ^2-	〔14〕
	Fe@N/C	1.2	5 mg/L PO₄ ^3-		93	PO₄ ^3-	〔15〕
	GA/CoP/Co₃O₄	0.6	50 mg/L Li⁺	37.0		Li⁺	〔16〕
	GA/CoP/Co₃O₄	0.2	30 mg/L B（OH）₄ ^-	70.0		B（OH）₄ ^-	〔16〕
	PC-ZIF-67	1.4	800 mg/L PbCl₂	117.2		Pb²⁺	〔17〕
	KOH-C	1.4	50 mg/L MCl₂ （M=Mg、Ca、Pb、Cd）	Mg²⁺：17.10		二价离子	〔18〕
				Ca²⁺：11.99
				Pb²⁺：16.85
				Cd²⁺：15.52
	钛酸钠/GO	1.2	5 mg/L MCl₂ （M=Ca、Mg）	$β C a 2 + / L i + = 2.49$ ， $β M g 2 + / L i + = 2.48$		二价离子	〔19〕
	MXene/rGO	1.2	5 mg/L MCl₂ （M=Ca、Mg）	120.0		二价离子	〔11〕
	Na₈Ti₅O₁₄/rGO	1.2	5 mg/L MCl₂ （M=Ca、Mg）	100.0		二价离子	〔11〕
孔径	3DG	1.4	500 mg/L NaCl	9.2		无	〔20〕
	C-A/S	1.2	500 mg/L NaCl	30.1		无	〔21〕
	3DNHPC	1.2	500 mg/L NaCl	25.36		无	〔22〕
	CoFe-NC	1.2	25 mg/L CuSO₄	91.31		Cu²⁺	〔23〕
	λ-MnO₂	1.0	50 mg/L LiCl	18.1		Li⁺	〔24〕
	COF_TPDA-PMDA	1.7~4.3	LiTSFI			Li⁺	〔25〕
	12-C-4@Fe₃O₄-rGO		70 mg/L LiCl	7.15		Li⁺	〔26〕
	IIP-GO/Fe₃O₄@C		100 mg/L LiCl	31.24		Li⁺	〔27〕
	FGO		10 mg/L Tl⁺	112.21		Tl⁺	〔28〕
	2H12C4	1.0	600 mg/L LiCl	36.94		无	〔29〕
	HDB14C4		6.8 mg/L LiCl	5.4		Li⁺	〔30〕
酸碱配位	PNCs	1.2	500 mg/L CuCl₂	159.0		Cu²⁺	〔31〕
	Mn-NC	1.8	500 mg/L UO₂（NO₃）₂	194.0		UO₂ ²⁺	〔32〕
	CeO₂@C/δ-MnO₂	1.2	50 mg/L F^-	22.03		F^-	〔10〕
	CAO-PNC	1.2	5 mg/L F^-		95.8	F^-	〔33〕
	ZnZr-COOH/CNT	1.2	10 mg/L PO₄ ^3-		97.0	PO₄ ^3-	〔34〕
	FL-MoS₂/NCS	0.8	50 mg/L CuCl₂	1 199.63		Cu²⁺	〔35〕
	PPyN-AC	1.2	4 mg/L LaCl₃	23.66		La³⁺	〔36〕
氧化还原	AC/PB	1.4	212 mg/L LiCl	24.0	95.11	Li⁺	〔37〕
	VHCF	1.0	1 110 mg/L CaCl₂	$β C a 2 + / N a + = 3.5$		Ca²⁺	〔38〕
	PaniT-AC	1.3	NaCl	30.5		无	〔39〕
	MnO₂插层材料	1.2	10 mg/L CdCl₂	12.0		Cd²⁺	〔40〕
	N，P-GC/MXene	1.4	500 mg/L NaCl	55.3		无	〔41〕
	Bi-ene NSs@MXene	1.2	1 170 mg/L NaCl	88.2		无	〔42〕

表1 不同材料性能与选择性

Table 1 Performance and selectivity of various materials

影响因素	材料名称	工作电压/V	溶液种类	盐吸附容量/（mg·g^-1）	去除率/%	选择性	参考文献
电性与电量	NJUST	1.4	250 mg/L NaCl	15.39		无	〔12〕
	LMTO	2.0	424 mg/L LiCl	34.00		Li⁺	〔13〕
	NiFe-LDH/MoS₂	1.2	100 mg/L Cr（Ⅵ）	49.71		Cr₂O₇ ^2-	〔14〕
	Fe@N/C	1.2	5 mg/L PO₄ ^3-		93	PO₄ ^3-	〔15〕
	GA/CoP/Co₃O₄	0.6	50 mg/L Li⁺	37.0		Li⁺	〔16〕
	GA/CoP/Co₃O₄	0.2	30 mg/L B（OH）₄ ^-	70.0		B（OH）₄ ^-	〔16〕
	PC-ZIF-67	1.4	800 mg/L PbCl₂	117.2		Pb²⁺	〔17〕
	KOH-C	1.4	50 mg/L MCl₂ （M=Mg、Ca、Pb、Cd）	Mg²⁺：17.10		二价离子	〔18〕
				Ca²⁺：11.99
				Pb²⁺：16.85
				Cd²⁺：15.52
	钛酸钠/GO	1.2	5 mg/L MCl₂ （M=Ca、Mg）	$β C a 2 + / L i + = 2.49$ ， $β M g 2 + / L i + = 2.48$		二价离子	〔19〕
	MXene/rGO	1.2	5 mg/L MCl₂ （M=Ca、Mg）	120.0		二价离子	〔11〕
	Na₈Ti₅O₁₄/rGO	1.2	5 mg/L MCl₂ （M=Ca、Mg）	100.0		二价离子	〔11〕
孔径	3DG	1.4	500 mg/L NaCl	9.2		无	〔20〕
	C-A/S	1.2	500 mg/L NaCl	30.1		无	〔21〕
	3DNHPC	1.2	500 mg/L NaCl	25.36		无	〔22〕
	CoFe-NC	1.2	25 mg/L CuSO₄	91.31		Cu²⁺	〔23〕
	λ-MnO₂	1.0	50 mg/L LiCl	18.1		Li⁺	〔24〕
	COF_TPDA-PMDA	1.7~4.3	LiTSFI			Li⁺	〔25〕
	12-C-4@Fe₃O₄-rGO		70 mg/L LiCl	7.15		Li⁺	〔26〕
	IIP-GO/Fe₃O₄@C		100 mg/L LiCl	31.24		Li⁺	〔27〕
	FGO		10 mg/L Tl⁺	112.21		Tl⁺	〔28〕
	2H12C4	1.0	600 mg/L LiCl	36.94		无	〔29〕
	HDB14C4		6.8 mg/L LiCl	5.4		Li⁺	〔30〕
酸碱配位	PNCs	1.2	500 mg/L CuCl₂	159.0		Cu²⁺	〔31〕
	Mn-NC	1.8	500 mg/L UO₂（NO₃）₂	194.0		UO₂ ²⁺	〔32〕
	CeO₂@C/δ-MnO₂	1.2	50 mg/L F^-	22.03		F^-	〔10〕
	CAO-PNC	1.2	5 mg/L F^-		95.8	F^-	〔33〕
	ZnZr-COOH/CNT	1.2	10 mg/L PO₄ ^3-		97.0	PO₄ ^3-	〔34〕
	FL-MoS₂/NCS	0.8	50 mg/L CuCl₂	1 199.63		Cu²⁺	〔35〕
	PPyN-AC	1.2	4 mg/L LaCl₃	23.66		La³⁺	〔36〕
氧化还原	AC/PB	1.4	212 mg/L LiCl	24.0	95.11	Li⁺	〔37〕
	VHCF	1.0	1 110 mg/L CaCl₂	$β C a 2 + / N a + = 3.5$		Ca²⁺	〔38〕
	PaniT-AC	1.3	NaCl	30.5		无	〔39〕
	MnO₂插层材料	1.2	10 mg/L CdCl₂	12.0		Cd²⁺	〔40〕
	N，P-GC/MXene	1.4	500 mg/L NaCl	55.3		无	〔41〕
	Bi-ene NSs@MXene	1.2	1 170 mg/L NaCl	88.2		无	〔42〕

表2 常见离子的半径与水合半径

Table 2 Radii and hydration radii of common ions

离子	半径/nm	水合半径/nm
Li⁺	0.060	0.380
Na⁺	0.095	0.358
K⁺	0.134	0.331
Mg²⁺	0.065	0.428
Ca²⁺	0.099	0.412
Sr²⁺	0.114	0.412
Cu²⁺	0.072	0.419
Zn²⁺	0.080	0.430
Fe³⁺	0.068	0.457
Cd²⁺	0.091	0.426
Tl⁺	0.144	0.330
La³⁺	0.115	0.452
F^-	0.136	0.352

图2 FL-MoS₂/NCS材料表面酸碱配位关系

Fig.2 Surface acid-base coordination of FL-MoS₂/NCS material

图3 PBAs材料的结构及离子插入示意

Fig.3 Schematic diagram of the structure and ion insertion of PBAs material

图4 RFD装置的原理示意

Fig.4 Schematic diagram of RFD device principle

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