物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (4): 100032.doi: 10.3866/PKU.WHXB202404006
所属专题: 电化学分离与资源化
严国泽1, 左彬1,*, 刘少卿1, 王桃1, 王若愚1, 包锦洋1, 赵忠舟1, 储菲菲1, 李政通2, YusukeYamauchi3,4,5, SaadMelhi6, 徐兴涛1,*(
)
收稿日期:2024-04-02
修回日期:2024-04-30
录用日期:2024-05-07
发布日期:2024-12-28
通讯作者:
Email: zuobin@zjou.edu.cn (左彬)xingtao.xu@zjou.edu.cn (徐兴涛)
基金资助:
Guoze Yan1, Bin Zuo1,*, Shaoqing Liu1, Tao Wang1, Ruoyu Wang1, Jinyang Bao1, Zhongzhou Zhao1, Feifei Chu1, Zhengtong Li2, Yamauchi Yusuke3,4,5, Melhi Saad6, Xingtao Xu1,*(
)
Received:2024-04-02
Revised:2024-04-30
Accepted:2024-05-07
Published:2024-12-28
Contact:
Email: zuobin@zjou.edu.cn (Bin Zuo)xingtao.xu@zjou.edu.cn (Xingtao Xu)
Supported by:摘要:
铀是核工业不可或缺的资源,而陆基铀矿资源含量有限且分布不均。因此,海水提铀(UES)对可持续能源生产具有巨大潜力。电容去离子(CDI)技术以其低能耗、工艺简单、对环境友好和高吸附效率而闻名,对UES具有重要潜力。本文回顾了CDI技术的发展历史、原理、分类和应用。在发展历史部分,我们简要介绍了CDI技术的早期发展,并强调了其在UES中的关键里程碑以及近期优化工作。在原理和分类部分,我们将CDI技术置于UES应用的背景下,进行了全面介绍。另外,在应用部分,我们重点介绍了CDI技术在UES中的当前应用。此外,本文详细阐述了CDI技术在UES中的当前研究现状及其在吸附性、选择性和经济效益方面的优势。在吸附性方面,CDI技术通过精心优化电极结构和材料选择,展现了其吸附铀离子的效率。在选择性方面,CDI技术通过灵活调控电极材料和操作参数,有选择性地提取铀,同时减轻了来自竞争离子的干扰,从而提高了提取效率。在经济性方面,CDI技术因其低能耗和经济性脱颖而出,促进了高效的铀提取,且在UES领域具有与替代方法相比的实质经济优势。最后,我们讨论了该技术在铀提取过程中的挑战因素(竞争离子、盐度、pH值和生物污损),旨在探讨使用CDI技术进行UES的可行性和经济效益,并为进一步优化和推广CDI技术在UES中的应用提供理论支持。此外,我们还致力于通过引入材料信息学来解决CDI在提铀过程中存在的一些当前挑战,并展望该问题的未来发展。本文为CDI技术在UES中的发展和工业进展提供了实用的见解,旨在为后续CDI海水提铀研究提供宝贵的参考,以促进海水资源的可持续利用。
严国泽, 左彬, 刘少卿, 王桃, 王若愚, 包锦洋, 赵忠舟, 储菲菲, 李政通, YusukeYamauchi, SaadMelhi, 徐兴涛. 电容去离子海水提铀的机遇与挑战[J]. 物理化学学报, 2025, 41(4), 100032. doi: 10.3866/PKU.WHXB202404006
Guoze Yan, Bin Zuo, Shaoqing Liu, Tao Wang, Ruoyu Wang, Jinyang Bao, Zhongzhou Zhao, Feifei Chu, Zhengtong Li, Yamauchi Yusuke, Melhi Saad, Xingtao Xu. Opportunities and Challenges of Capacitive Deionization for Uranium Extraction from Seawater[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(4), 100032. doi: 10.3866/PKU.WHXB202404006
表1
"
| Electrode material/Type | Electrosorption mechanism | Adsorption performance | Ref. | |
| Uptake capacity | Removal ratio | |||
| 3DG | EDL formation | 113.80 mg∙g−1 (at 1.8 Ⅴ) | N/A | |
| CS/GO | EDL formation and complexation | 271.2 mg∙g−1 (at 0.9 Ⅴ) | N/A | |
| CS/BC | EDL formation, ion exchange and complexation | 207.6 mg∙g−1 (at 0.9 Ⅴ and pH 4.0) | N/A | |
| PVA/GO | EDL formation and complexation | 333.0 mg∙g−1 (at 0.9 Ⅴ) | N/A | |
| RGH | EDL, extra micro electric field and complexation | N/A | 97.9% (at 1.2 Ⅴ and 4 h) | |
| HGNbP | Electro-adsorption, electro-reduction and coordination | 1340 mg∙g−1 (in 1000 mg∙L−1 U(Ⅵ) solution) | 99.9% (within 30 min in 50 mg∙L−1 U(Ⅵ) solution) | |
| WO3/C | Synergistic effect of EDLs and pseudocapacitive from WO3/C | 449.9 mg∙g−1 (at 1.2 Ⅴ) | N/A | |
| CMPC | EDLs and pseudocapacitive | 410.33 mg∙g−1 (at 1.2 Ⅴ). | 95.2% | |
| CC/PANI | Hybrid capacitive adsorption and coordination | 282.2 mg∙g−1 (at 0.9 Ⅴ and pH 4.0) | N/A | |
| GO/PPy | EDL and pseudocapacitive adsorption and complexation | 246.5 mg∙g−1 (at pH 4.0 and 0.9 Ⅴ) | N/A | |
| FCDI | Electrosorption and electroreduction | The volume of uranium-containing water was reduced from 2400 mL to 40 mL | 99% | |
| MCDI | Electrosorption | N/A | 98.9% (a groundwater source containing 50 μg∙L−1 uranium) | |
表2
"
| Electrode material | Electrosorption mechanism | Performance | Ref. | |
| Uptake capacity | Comparation | |||
| NHPC | UO22+ and NHPC produce synergistic effects through coulomb interaction and reduction reaction | 152.43 mg∙g−1 | Kd = 1620.84 mL∙g−1 | |
| CMM | MXene provides a pseudocapacitance/intercalation effect and the conductive base | 582.46 mg∙g−1 (at 1.2 Ⅴ) | 92.3% multi-ionic solution | |
| Amorphous BP nanosheets | The strong coordination between P and U | In aqueous solutions ranging from 0.05 to 130 mg∙L−1, the maximum adsorption capacity is 2584 mg∙g−1. | When nine kinds of ions coexist and the concentration is 100 times, the material maintains good selectivity for uranyl ions. | |
| CSKN-15 | The redox fixation of U(Ⅵ) | 78.34 mg∙g−1 in seawater | SU/M is higher than 120. | |
| HGP hydrogel | The physi-, chemi-, and electro-sorption simultaneously took effect | 545.7 mg∙g−1 (at 1.2 Ⅴ and pH 5.0) | SU/M values for each cation are far above 1. | |
表3
"
| Technologies | Raw material cost | Working cost | Site and system maintenance cost | Total cost |
| Chemical reduction | $20 to $41 | $20 to $100 | $40 to $120 | $80 to $261 |
| Microbial reduction | $20 to $41 | $50 to $130 | $30 to $56 | $100 to $227 |
| Photocatalytic reduction | $20 to $41 | $23 to $30 | $$30 to $60 | $73 to $131 |
| CDI | $40 to $80 | $0.74 to $1.75 | $10 to $80 | $50.74 to $161.75 |
| 1 |
doi: 10.1016/j.desal.2023.116773 |
| 2 |
doi: 10.3390/en15124310 |
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| 4 |
doi: 10.1016/j.ccr.2023.215097 |
| 5 |
doi: 10.1002/anie.201906191 |
| 6 |
doi: 10.1016/j.ccr.2023.215234 |
| 7 |
doi: 10.1021/acs.est.0c08743 |
| 8 |
doi: 10.1016/j.seppur.2023.124204 |
| 9 |
doi: 10.1016/j.desal.2022.116153 |
| 10 |
doi: 10.1016/j.cej.2021.133578 |
| 11 |
doi: 10.1021/acsami.1c09107 |
| 12 |
doi: 10.1039/d0qm00946f |
| 13 |
doi: 10.1016/j.cej.2020.128129 |
| 14 |
doi: 10.1016/j.asej.2022.102030 |
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doi: 10.1080/19443994.2016.1152638 |
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doi: 10.1016/j.carbon.2008.11.012 |
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doi: 10.3390/membranes12050459 |
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doi: 10.1016/j.watres.2015.08.012 |
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doi: 10.1016/j.cocis.2022.101602 |
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doi: 10.1016/j.memsci.2009.09.043 |
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| 55 |
doi: 10.1016/j.desal.2018.01.026 |
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doi: 10.1016/j.cej.2022.137415 |
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doi: 10.1016/j.desal.2023.117096 |
| 63 |
doi: 10.1016/j.memsci.2017.10.026 |
| 64 |
doi: 10.1016/j.seppur.2020.116626 |
| 65 |
doi: 10.1016/j.electacta.2016.09.026 |
| 66 |
doi: 10.1016/j.desal.2022.115569 |
| 67 |
doi: 10.1016/j.desal.2018.10.009 |
| 68 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.0c04101 |
| 69 |
doi: 10.1016/j.desal.2019.114078 |
| 70 |
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