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電容去離子(Capacitive Deionization, CDI) 技術是以電為驅動力於電極上進行離子之吸、脫附，藉由交替操作來達到脫鹽目的，其兩大優點為低能耗和高水回收率。CDI技術自1960年開始發展(發展史如圖 1所示[1])，至今已超過一甲子的時間，經過材料的發展、技術創新及精進後，CDI技術的應用已被使用到海水淡化、去除重金屬與有機污染物、水體消毒等領域[2-7]。近十年因低碳排、節能與高效能等環保意識抬頭，使得CDI的研究大幅增加[2]，如圖 2所示。以下將CDI應用領域逐項說明。

圖1 CDI技術發展史及重要文獻和研究[1]

圖2 CDI技術逐年發表文獻數量[2]

1. 海水淡化：因CDI技術中最早使用的電極材料為多孔性活性碳，但為了克服傳統活性碳導電性差、潤濕性差、吸附容量低等缺點，目前研究大多藉由活性碳改質、活化或摻雜離子等方式達到提高電極吸附性能的目的。
2. 去除重金屬與有機污染物：傳統去除水中的重金屬與有機污染物的方法，包括化學沉澱、離子交換、電化學、吸附、膜分離、混凝等方法，但傳統技術具有高能耗且產生廢棄物等缺點，尤其針對特殊的重金屬或微量有毒難分解的物質更提高去除的困難度，而CDI技術在低離子濃度溶液具有良好的去除能力，以CDI可選擇性去除離子是當前首要目標。
3. 水體消毒：為確保飲用或使用水不含有害細菌和病毒，通常水廠在水處理末端會進行消毒程序，消毒方法分為化學法和物理法，化學法以添加消毒劑消毒(如氯、臭氧等)，雖然這些消毒劑可以有效去除有害病原體，但消毒過程中不可避免會產生有毒副產物。物理方法主要是使用紫外線，但水體透明度會影響消毒效果，且成本和能耗較高。通常細菌會帶負靜電荷，在水溶液中可被認為是負離子，CDI在消毒過程中，細菌在電場力的作用下將被吸附到陽極表面，當細菌接觸到陽極表面的殺菌材料時就會被殺死，證明CDI將是可以替代傳統消毒程序的技術。

材化所水科技組深耕CDI技術十餘年，由實驗室模組、模組放大至實際應用(如圖 3)，應用領域包含家用或商用淨水裝置、有價物質回收、工業或農業回用水等。本團隊開發的CDI淨水原型機能耗僅需0.1~0.5 kWh/m³，遠低於常見的低壓逆滲透(low-pressure RO)淨水設備(1.0~2.5 kWh/m³)，且具有較高的水回收率(>70%)，降低水資源消耗。從能源消耗及成本考量，CDI技術之單位成本僅為RO之1/3，相關CDI淨水機優勢分析如圖4，顯示其競爭力與優勢。本團隊CDI技術應用以家用淨水機為起點，在掌握關鍵核心技術後，目前透過材料精進、電極放大與系統整合等方向持續研發，未來將延伸應用至工業界及科技產業之純水系統前處理。CDI技術是一種低耗能低碳排的綠色脫鹽技術，希望藉以推動綠色脫鹽技術的普及，共同邁向永續的未來。

圖 3材化所CDI技術發展歷程(a)活性碳改良，(b)黏結劑配方，(c)電極塗佈放大，(d)電極模組設計，(e)CDI淨水原型機。

圖 4 RO與CDI淨水機優勢比較表
 

參考文獻

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[2] Chai S., Xi J., Chen L., He W., Shen J. and Gong H. (2022). Selective ion removal by capacitive deionization(CDI)-based technologies. Processes, 10, 1075.

[3] Tang K., Kim Y.-H., Chang J., Mayes R. T., Gabitto J., Yiacoumi S. and Tsouris C. (2019). Seawater desalination by over-potential membrane capacitive deionization: Opportunities and hurdles. Chemical Engineering Journal, 357(1), 103-111.

[4] Bao S., Xin C., Zhang Y., Chen B., Ding W. and Luo Y. (2023). Application of capacitive deionization in water treatment annd energy recovery: A review. Energies, 16, 1136.

[5] Yang J., Bu Y., Liu F., Zhang W., Cai D., Sun A., Wu Y., Zhou R. and Zhang C. (2020). Potential application of membrane capacitive deionization for heavy metal removal from water: A mini-review. International Journal of Electrochemical Science, 15(8), 7848-7859.

[6] Lester Y., Shaulsky E., Epsztein R. and Zucker I. (2020). Capacitive deionization for simultaneous removal of salt and uncharged organic contaminants from water. Separation and Purification Technology, 2337(15), 116388.

[7] Laxman K., Sathe P., Abri M. A., Dobretsov S. and Dutta J. (2020). Disinfection of bacteria in water by capacitive deionization. Frontiers in Chemistry, 8, 774.

 

撰寫人：林以萱

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編輯/校稿：張冠甫