電容去離子化

電容去離子化（英語：Capacitive de-ionization，簡稱CDI），是一項應用於去除水中鹽分的新型技術。它可以被廣泛運用於海水淡化、工農業用水除鹽和生活用水除鹽。

水處理技術概述

人口不斷增長使得人類對水的需求與日俱增，而對於那些位於乾旱地區的城市來說，這種需求尤為迫切。眾所周知，海洋、湖泊和河流中的天然水含有各種病原微生物和有毒有機物、固體懸浮物、重金屬和許多無機鹽類。即使從自來水廠出廠的自來水，由於管道污染，當為用戶使用時也受到不同程度的污染。為了淨化這些水體，必須進行殺菌消毒、過濾固體懸浮物和脫鹽處理。

常見的水處理技術包括：

去除固態微粒：膜過濾、吸附等；
去除有機物：吸附、紫外線殺菌、光催化等；
脫鹽（去除陰陽離子）：閃蒸、交換樹脂、逆滲透、電滲析、納濾等。

目前去除固體懸浮物和殺菌消毒已經有十分成熟的技術，但是廣泛使用的脫鹽技術還有很大的缺點。例如閃蒸能耗很大；離子交換和反滲析技術都需要很昂貴的再生工藝，而且在再生過程中會帶來二次污染；電滲析（EDI）系統雖然得到商業化，但是比較費電，因為使用的電壓非常高，同時還由於電解水的原因,產生出很多的氣體。社會進步和能源不足使得人們在評價脫鹽技術時越來越考慮成本和效率的因素。為此，非常需要開發一種節能環保的淨化水技術。

電容去離子技術就是出現在傳統的脫鹽領域，他被認為是一種低成本、高效率和無污染的很有潛力的脫鹽技術，將會在淨化水領域帶來一次革新。

電容去離子的基本原理

圖 1. Memebrane Capcitive Deionization工作示意圖。

電容去離子的基本思想是通過施加靜電場強制離子向帶有相反電荷的電極處移動，因此英文稱之為capacitive deionization（CDI）。由於碳材料，如活性碳和碳氣凝膠等製成的電極，不僅導電性能良好，而且具有很大的比表面積。若將兩片活性碳材料分別作為電容器陰陽兩級並在兩電極之間施加一定的直流電壓便會形成一個靜電場。置於靜電場中碳電極會在其與電解質溶液界面處產生很強的雙電層。雙電層能吸附並儲存大量的電解質離子，並儲存一定的能量。一旦除去電場，吸引的離子被釋放到本體溶液中，溶液中的濃度升高。這一過程也稱為「充電富集」。此種原理也被大量應用在超級電容器和電容鹽度梯度發電（capacitive blue energy）中。

和傳統的水溶液去離子方法相比，電容去離子具有幾方面重要的優勢。例如，離子交換是目前工業上從水溶液中去除陰陽離子，包括重金屬和放射性同位素的主要手段，但這一過程產生大量的腐蝕性二次廢水，必須經過再生裝置處理。而電容去離子與離子交換不同，系統的再生不需要使用任何酸、鹼和鹽溶液，只是通過電極的放電完成，因此不會有額外的廢物產生，也就沒有污染；同蒸發這種熱過程相比，電容去離子具有很高的能量利用率；和電滲析和反滲透相比，該方法還具有操作簡便的優勢。另外，從地下水中選擇性去除Cr（VI）的初步實驗表明，對水中某些微量雜質的選擇性處理也是有可能實現的。

因為具有能量利用率高，污染小，易操作等優點，電容去離子可以應用在很多方面，包括家庭和工業用水軟化、廢水淨化、海水脫鹽、水溶性的放射性廢物處理、核能電廠廢水處理、半導體加工中高純水的製備和農業灌溉用水的除鹽等。為了儘可能的提高電容去離子化的除鹽效率，我們還可以在碳電極表面附着上一層離子交換膜，也就是在陽極上加陰離子選擇性滲透膜，在陰極上加陽離子選擇性滲透膜，離子交換膜可以阻擋與之同性離子進入碳電極，由此改良雙電層內的被吸附離子分佈結構，從而吸附更多的離子（圖1）。

參考文獻

1. G.W. Murphy and D.D. Caudle (1967). 「Mathematical theory of electrochemical demineralization in flowing systems,」 Electrochim. Acta 12: 1655-1664.
2. A.M. Johnson and J. Newman (1971). 「Desalting by means of porous carbon electrodes,」 J. Electrochem. Soc. 118: 510-517.
3. Y. Oren and A. Soffer (1978). 「Electrochemical Parametric Pumping,」 J. Electrochem. Soc. 125: 869-875.
4. J.C. Farmer et al. (1996). 「Capacitive Deionization of NaCI and NaNO3 Solutions with Carbon Aerogel Electrodes,」 J. Electrochem. Soc. 143: 159-169.
5. C.J. Gabelich et al. (2002). 「Electrosorption of Inorganic Salts from Aqueous Solution Using Carbon Aerogels,」 Env. Sci. & Techn. 36: 3010-3019.
6. M.D. Andelman (2002). "Charge barrier flow-through capacitor," CA Patent 2444390.
7. T.J. Welgemoed and C.F. Schutte (2005). " Capacitive Deionization Technology: An alternative desalination solution," Desalination 183: 327-340.
8. J.-B. Lee et al. (2006). "Desalination of a thermal power plant wastewater by membrane capacitive deionization," Desalination 196: 125-134.
9. Y. Oren, (2008). "Capacitive deionization (CDI) for desalination and water treatment — past, present and future (a review)," Desalination 228: 10-29.
10. H. Li et al. (2008). "Electrosorptive desalination by carbon nanotubes and nanofibres electrodes and ion-exchange membranes," Water Research 42: 4923-4928.
11. P. Xu et al. (2008). 「Treatment of brackish produced water using carbon aerogel-based capacitive deionization technology,」 Water Research 42: 2605-2617.
12. P.M. Biesheuvel (2009). "Thermodynamic cycle analysis for capacitive deionization," J. Colloid Interface Sci. 332: 258-264.
13. P.M. Biesheuvel et al. (2009). 「Dynamic adsorption/desorption process model for capacitive deionization," J. Phys. Chem. C 113: 5636-5640.
14. R. Zhao et al. (2010). "Charge efficiency: A functional tool to probe the double-layer structure inside of porous electrodes and application in the modeling of capacitive deionization," J. Phys. Chem. Lett. 1: 205-210.
15. Y. Bouhadana et al. (2010). 「Several Basic and Practical Aspects Related to Electrochemical Deionization of Water,」 AIChE J. 56: 779-789.
16. M.A. Anderson et al. (2010). 「Capacitive deionization as an electrochemical means of saving energy and delivering clean water. Comparison to present desalination practices: Will it compete?,」 Electrochim. Acta 55: 3845-3856.
17. P.M. Biesheuvel and A. van der Wal (2010). 「Membrane capacitive deionization,」 J. Membrane Sci. 346: 256-262.
18. Y.-J. Kim and J.-H. Choi (2010). 「Improvement of desalination efficiency in capacitive deionization using a carbon electrode coated with an ion-exchange polymer,」 Water Research 44: 990-996.