Coupling of Electric and Flow Fields to Enhance Ion Transport for Energy-Efficient Electrochemical Tap-Water Softening

电化学 自来水 软化 阳极 阴极 电场 水运 电压 材料科学 化学 水流 环境科学 环境工程 物理 复合材料 电气工程 电极 工程类 物理化学 量子力学
作者
Zhengsen Li,Bincheng Xu,Tao Tao,Fengting Li,Gong Zhang,Ying Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (17): 7643-7652 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c08333
摘要

Electrochemical-induced precipitation is a sustainable approach for tap-water softening, but the hardness removal performance and energy efficiency are vastly limited by the ultraslow ion transport and the superlow local HCO3–/Ca2+ ratio compared to the industrial scenarios. To tackle the challenges, we herein report an energy-efficient electrochemical tap-water softening strategy by utilizing an integrated cathode–anode–cathode (CAC) reactor in which the direction of the electric field is reversed to that of the flow field in the upstream cell, while the same in the downstream cell. As a result, the transport of ions, especially HCO3–, is significantly accelerated in the downstream cell under a flow field. The local HCO3–/Ca2+ ratio is increased by 1.5 times, as revealed by the finite element numerical simulation and in situ imaging. In addition, a continuous flow electrochemical system with an integrated CAC reactor is operated for 240 h to soften tap water. Experiments show that a much lower cell voltage (9.24 V decreased) and energy consumption (28% decreased) are obtained. The proposed ion-transport enhancement strategy by coupled electric and flow fields provides a new perspective on developing electrochemical technologies to meet the flexible and economic demand for tap-water softening.
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