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電容去離子技術（Capacitive Deionization，簡稱CDI）是一種新穎的水處理技術，主要應用於去除水中的鹽分和其他離子，因此又可稱為電容脫鹽技術。基本原理是施加低電壓使電極產生正極和負極作為吸附水中離子的驅動力，水中的陽離子被靜電力(electrostatic force)吸引到負極，陰離子被吸引到正極，利用電雙層吸附(electrosorption)的機制得到移除目標離子的出流水。當吸附飽和後執行斷路(或倒極)使離子脫附再生(regeneration)電極產生濃水(brine)，以電吸附及電脫附交替的操作來達到去除水中離子的目的[1]，CDI基本操作概念示於圖 1。CDI的技術核心為塗佈在金屬電極上的多孔碳材料，通常需具備高導電性及高比表面積之特性，高導電特性可減少電極的電阻以提供較好的能源使用效率，而高比表面積則可提供較多的離子吸附容量，提高離子去除效率。

圖1 電容去離子(CDI)基本操作概念

CDI的兩大優點為低能耗和高水回收率，然而，高電極材料成本和適用於中低鹽度的限制是CDI技術在脫鹽領域中無法達到預期普及性的主要障礙。為提高CDI的應用多元性，目前已發展出各種型態的CDI，如圖 2所示[2]，其中，薄膜去離子(membrane capacitive deionization; MCDI)，主要是將CDI電極上再塗佈一層離子交換樹脂，而離子交換樹脂塗層的目的是為了在電吸附過程中減緩共離子(Co-ion)效應的影響，而有較好的離子去除量及效率，目前MCDI已達小型模廠研究階段[3]，但MCDI技術仍無法滿足實際使用需求，於是流動電極電容去離子(flow electrode capacitive deionization; FCDI)技術應運而生[4]，FCDI技術的出現打破了固定電極的限制，透過循環電極液取代固定電極吸附水中的離子，並在模組外脫附再生，FCDI 可提高整體脫去離子性能並創造可長期連續運行的系統。

隨著MCDI、FCDI技術的發展，又延伸出一種新的電容去離子系統，稱為混合電容去離子(hybrid capacitive deionization; HCDI)[5]，HCDI技術結合了CDI和電池材料組成不對稱電容系統，正極和負極由兩種不同的電極材料組成，正極為碳電極，負極為電池材料，HCDI表現出電化學和模組運作的穩定性，未來可期待成為實際應用的電容去離子技術。

圖2 目前發展中之CDI技術[2]
 

CDI用於脫鹽程序極具應用潛力，與目前主流且成熟的脫鹽技術包含逆滲透、電透析等技術相比下，具有低耗能、高水回收率等優勢(如表 1)，因此CDI成為全球學術及產業界的關注焦點且被公認為是一種環境友善的水中離子去除技術，極具應用潛力。
 

表 1 CDI與現行脫鹽技術比較

參考文獻

[1] AlMarzooqi, F. A., Al Ghaferi, A. A., Saadat, I., & Hilal, N. (2014). Application of capacitive deionisation in water desalination: a review. Desalination, 342, 3-15.

[2] Anna S., Marek B., Amir R., Wojciech K., Aleksandar N. N. & Ludovic F. D. (2022) Electro-driven materials and processes for lithium recovery – A review. Membranes, 343.

[3] Biesheuvel, P. M., & Van der Wal, A. (2010). Membrane capacitive deionization. Journal of Membrane Science, 346(2), 256-262.

[4] Porada, S., Weingarth, D., Hamelers, H. V., Bryjak, M., Presser, V., & Biesheuvel, P. M. (2014). Carbon flow electrodes for continuous operation of capacitive deionization and capacitive mixing energy generation. Journal of Materials Chemistry A, 2(24), 9313-9321.

[5] Lee, J., Kim, S., Kim, C., & Yoon, J. (2014). Hybrid capacitive deionization to enhance the desalination performance of capacitive techniques. Energy & Environmental Science, 7(11), 3683-3689.

撰寫人：林以萱
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