Na_xFe[Fe（CN）淡化电池中的优化与应用研究.pdfVIP

摘要

摘要

淡水资源短缺是人类所关注的重要议题，海水淡化则是补充现有水资源的

有力措施。其中，海水淡化电池技术自2012年首次被提出以来，受到业界广泛

的关注与研究，该技术的装置由储钠电极和储氯电极，以及电解质溶液组成。

然而，目前常见的储氯材料有限，主要有Ag、Bi等，且存在电性差、成本高、

有毒性等缺点，极大限制了其在海水淡化电池中的应用进程。

因此，本文改进装置结构，不使用储氯电极，而由一对储钠电极和中间的

+

阴离子交换膜构成摇椅式海水淡化电池。充电时，Na从阳极脱离进入阳极室，

+-

阴极室中的Na嵌入阴极，Cl通过阴离子交换膜进入阳极室保持体系电荷平衡，

从而实现阴极室淡化，阳极室浓缩的效果，放电过程相反，由此实现海水持续

淡化与电池材料的循环使用。摇椅式海水淡化电池减少了传统海水淡化电池的

使用局限性，对海水淡化电池的应用推广有意义。

本文选用兼具优异电化学性能与低成本的铁基普鲁士蓝类（FeHCF，化学

式一般写为NaFeFe[(CN)]）材料作为储钠电极，通过优化共沉淀的反应条件

x6

调控材料的形貌结构与元素组成，有效提高了材料的除盐容量与循环稳定性。

当添加0.3mol/L柠檬酸钠螯合剂，反应温度60˚C，添加2mol/LNaCl时，电

极材料有最佳的电化学性能。在三电极体系，材料在250mA/g下的最高充放电

容量分别为73.9mAh/g和75.0mAh/g的最高充放电容量，经过50个充放电循

环过程后的充放电容量保留率分别为85.1%和85.3%。经过优化后的FeHCF材

+

料拥有更高的初始Na含量与更少的结晶水。

进一步研究了FeHCF材料在摇椅式海水淡化电池发挥最佳性能的条件。当

电极间距为4mm，电解质浓度为0.6mol/L，活性物质质量约为3.0mg/cm2时，

装置表现出较好的除盐性能，最大充放电容量分别为53.9mAh/g和55.0mAh/g，

经150个循环后充放电容量保留率仍可分别达到69.6%和68.2%。将电解质替

换为模拟海水与真实海水，充放电容量与保留率在同样条件下有12%以内的损

耗，且除盐率均有所提升。此外，两种电解质中的Na、Fe、Ca离子及pH在持

续淡化后其浓度均符合饮用水标准。最后，对摇椅式海水淡化电池的实际应用

进行经济分析。结果表明：处理每吨淡水的成本约为4.37元，能耗费用仅占8%，

说明其具备很大的能耗优势，在其他成本上仍有较大提升空间。

关键词：电极；摇椅式海水淡化电池；铁基普鲁士蓝；海水淡化；经济分析

-I-

Abstract

Abstract

Theshortageoffreshwaterresourcesisanimportantissueofhumanconcern,

andseawaterdesalinationisapowerfulmeasuretosupplementtheexistingwater

resources.Seawaterdesalinationbatterytechnologyhasreceivedgreatconcernsand

researchworksintheindustrysinceitwasfirstproposedin2012.Thedeviceofthis

technol