047] 為了證明脫鹽性能，我們通過連接流通電導(dǎo)探針(Microelectrode，Inc，Bedf ord， NH)直接描繪了脫鹽的和鹽水流的電導(dǎo)率(附圖4a)。正如在附圖4a中所看到的，脫鹽流的電 導(dǎo)率下降，并且鹽水流的電導(dǎo)率上升，因?yàn)殡x子通過ICP迀移。由于更高的應(yīng)用電壓或電流， 所以脫鹽性能變得更好；當(dāng)使用200μΑ(或者38.6±5.6V)是，97%的鹽離子從IOmM的NaCl溶 液中去除。注意到所有包括電流、電壓和脫鹽/鹽水電導(dǎo)率的參數(shù)飽和并且維持相同的數(shù) 值。這表明所屬裝置操作持續(xù)并且穩(wěn)定(附圖4a-c)。
[0048]已經(jīng)連續(xù)觀測到在ICP的耗盡區(qū)中的充電顆粒的置換。為了驗(yàn)證在新的ICP平臺上 的這種置換，我們使用了帶負(fù)電荷的熒光染料和顆粒:Alexa Fluor 488和6μπι的羧酸乙酯 微球(Polyscience，Inc ,Warrington ,PA)。能夠注意到，生物好自己實(shí)際上通常是帶負(fù)電荷 的（例如，Escherichia coli，SalmonelIa，和Pseudomonas)。在足夠高的電流或電壓下，耗 盡區(qū)和EC接觸通道的分叉點(diǎn)（附圖5)。然后，在脫鹽流(較低通道)中的大部分染料和顆粒向 上移動(dòng)到鹽水流中（上部通道）。在施用電壓或者電流之后立即發(fā)生這種移動(dòng)，并且產(chǎn)生離 子/染料/顆粒-自由流。
[0049] 為了闡明在ICP脫鹽平臺和ED之間的區(qū)別，在ED中的陽離子和陰離子能夠在電場 中向電極移動(dòng)，在ICP平臺中的陰離子（陽離子)被束縛到兩個(gè)AEM(CEM)之間。因此，如果通 過ICP的陰離子或者陽離子的內(nèi)部迀移由于某些原因（例如，非常重、固定的離子)沒有發(fā) 生，脫鹽流將不會形成。ICP平臺可以如ED系統(tǒng)那樣進(jìn)行堆疊，使用與ED相同的等式使用系 統(tǒng)的單元數(shù)N來計(jì)算能量和效率。具有固定的幾何結(jié)構(gòu)，ICP平臺的單元數(shù)量大約是ED的一 半。ED系統(tǒng)能夠結(jié)合在AEM和CEM(N=I)上的所有的脫鹽流，但是ICP系統(tǒng)在較低的CEM或者 較高的ΑΕΜ(Ν=1/2)上的脫鹽流的一半。如果我們講所述系統(tǒng)延伸至在IEM和電極之間的反 應(yīng)通道，那么我們發(fā)現(xiàn)在較高的CEM的陽極側(cè)和在較低的AEM的陰極側(cè)上的另一半脫鹽流。
[0050] 為了定量地比較ICP和ED，我們控制或者描述在兩個(gè)系統(tǒng)中的所有參數(shù)，包括電流 或者電壓，電導(dǎo)率，流速，裝置的幾何結(jié)構(gòu)等。我們比較了5個(gè)性能指標(biāo)，從而比較了在ED和 ICP之間的脫鹽性能：i)鹽去除率，ii)能量消耗，iii)每個(gè)離子去除的能量，iv)電流效率， 以及V)膜(電極)面積效率。
[0051] 首先，鹽去除率是一種參數(shù)，用于指示裝置的的脫鹽能力。通過測量樣品流CO的濃 度(或電導(dǎo)率）以及脫鹽流C脫鹽的濃度(或電導(dǎo)率），我們能夠算出有多少鹽離子從兩個(gè)電 導(dǎo)率逐漸的差異中被移除。鹽去除率是通過初始離子濃度(或者電導(dǎo)率)的脫鹽離子的量的 無因次形式。
[0053]所述濃度能夠用給定的電極摩爾電導(dǎo)率從在實(shí)驗(yàn)中測量的電導(dǎo)率σ進(jìn)行轉(zhuǎn)化。此 時(shí)，我們僅使用西施的電解質(zhì)（z+ = z_= I)，IOmM的KCl、NaCl和LiCl溶液。然后，用于轉(zhuǎn)化的 等式為：
[0055] 其中A+,i和A^i是陽離子和陰離子的摩爾電導(dǎo)率。(：1'1(+，他+，1^ +的摩爾電導(dǎo)率 分別為7.63、7.36、5.01、和3.87[IO3S mVor1]，這與它們的擴(kuò)散密切相關(guān)。
[0056] 為了比較不同的脫鹽裝置，頻繁地對能量消耗進(jìn)行測量。在電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)中，用 于脫鹽的能聊消耗是電能消耗（電流I和電壓V的乘積），通過每一個(gè)單元的脫鹽水Q脫鹽的 流量分離：
[0058]雖然能量消耗是確定脫鹽技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性是重要的指標(biāo)，但是不能碉堡系統(tǒng)的 脫鹽能量效率。因此，我們考慮了能量消耗用于移除單個(gè)離子，既每個(gè)離子移除的能量，能 夠通過移除的離子的量和通過熱能kBT( = 2.479kJ/mol)的無量綱化經(jīng)由分離能量消耗得 到：
[0060] 每個(gè)離子去除的能量是表示有效能量怎樣被消耗的參數(shù)，用于通過結(jié)合能量消耗 的概念和鹽去除率置換離子。但是，能夠注意到，鹽去除率或者電導(dǎo)率下降值應(yīng)當(dāng)同時(shí)被檢 查，因?yàn)檩^好的每個(gè)離子去除的能量不一定代表更好的脫鹽性能。
[0061] 電流效率描述的是在脫鹽流中置換離子和在電極上離子轉(zhuǎn)移的速率。下述等式是 一種改進(jìn)用于從初始樣品流和脫鹽流的濃度差異中得到電流效率：
[0063]最后，面積效率表示每個(gè)工作薄膜或者電極的單元面積的脫鹽離子的量：
[0065]此時(shí)，其中A是IEM的工作面積。電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的最顯著成本是膜成本，因此較高 的面積效率在經(jīng)濟(jì)上是有利的。但是，通常在有面積效率和能量消耗之間需要一種權(quán)衡;如 果使用一種通過使用較高電勢的限制面積的裝置增加面積效率從而增強(qiáng)鹽去除速率，能量 消耗將增加。如果在固定電壓或電流條件下為了更好的鹽置換使用一種較大的系統(tǒng)，那么 效率將會較低。
[0066] 在這里所描述的三種平臺，具有兩個(gè)CEMs(2CEM)或者AEMs(2AEM)以及ED的ICP被 制作用于研究每種技術(shù)的差異和潛在的優(yōu)勢。工作通道的高度h、寬度w、和長度L分別是 0.2、2、以及IOmm。因此，工作IEMs的面積為2x 10-V。具有IOmM的三種不同的電解質(zhì)（IOmM KCUNaCU和LiCl)被用于觀測陽離子和陰離子的非對稱摩爾電導(dǎo)率(或者擴(kuò)散率）的作用。 在IEM之間的流速是20yL/min，據(jù)此針對ICP，所述脫鹽流速Q(mào)?i鹽為10yL/min，并且針對ED，所 述脫鹽流速Q(mào)ffi鹽為20yL/min。用相同的電解質(zhì)(KC1或者NaCl或者LiCl)以30yL/min漂洗電 極;二元堿緩沖溶液在這里并沒有用于在樣品水內(nèi)提供相同的陽離子或陰離子。
[0067]首先，我們測量了在施加電壓從0到IOV的電流響應(yīng)，用于描述ICP和ED系統(tǒng)的特 征。正如在附圖種所看到的，在2V附近的斜率變化能夠清楚地觀測到從歐姆機(jī)制到過幅機(jī) 制的轉(zhuǎn)化。有趣的是，具有兩個(gè)CEMs的ED和ICP平臺的電流一電壓曲線是幾乎相同的，即使 具有相同的電極但是具有兩個(gè)AEMs的ICP平臺的曲線是位于上方的。這表明ICP平臺和ED平 臺的兩個(gè)主要特征；電流響應(yīng)由下述兩桶情況制約：i)通過導(dǎo)電離子(在2CEM中的陽離子和 在2AEM中的陰離子)或者ii)通過較慢的離子(在ED中的陽離子）。陽離子的運(yùn)動(dòng)制約了具有 KCl ,NaCl，和LiCl溶液的具有兩個(gè)AEMs的ICP平臺，因?yàn)槁入x子比這里的陽離子具有更高的 摩爾電導(dǎo)率。如果我們以較高的摩爾電導(dǎo)率來排列離子（與電泳迀移率或者擴(kuò)散率成正 比），其為Cl->K +>Na+>Li+。因此，在具有2CEM和ED的ICP中，具有K+的電流值比具有Na +和Li + 的電流值高。（附圖10)
[0068]通過之前的線性ICP分析的現(xiàn)象是極限電流密度(LCD)是與導(dǎo)電離子的擴(kuò)散率(或 者摩爾電導(dǎo)率)線性成比例。此時(shí)，極限電流可以選擇位于電流一電壓曲線的彎曲部分。 [0069] 針對定量兩種形式的ICP平臺和ED的脫鹽性能，我們記錄了在300sec期間的恒定 施加電流(歐姆機(jī)制：5、10μΑ和過幅機(jī)制：20、30、50、75、100、150、20(^4)和具有10111]\1的1((：1、 NaCU和LiCl的多種水溶液的給定速率(20yL/min)下的電壓響應(yīng)、脫鹽流的電導(dǎo)率降低、以 及具有熒光染料的可視化離子濃度/流量曲線。根據(jù)給定的、控制的、以及測量的參數(shù)，我們 好得到了鹽去除率、能量消耗、沒個(gè)離子去除的能量、電流效率、以及對于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對 應(yīng)的妙計(jì)效率。正如所看到的那樣，在歐姆機(jī)制中具有較低電流和電壓(〈2V)的大多數(shù)的參 數(shù)具有相同的數(shù)值，但是它們在過幅機(jī)制中是明顯不同的。這種具有三種不同電解質(zhì)的三 種不同系統(tǒng)的大范圍的數(shù)據(jù)集揭示了多種有趣的趨勢，并且闡明在ICP平臺和具有非線性 ICP的ED之間的差異。
[0070] 首先，電壓一電流響應(yīng)顯示了相似的傾向。相應(yīng)地，當(dāng)使用相同的電極時(shí)，ED和具 有2CEM的ICP的能量消耗是匹配的。在ICP具有2AEM的情況下，氯離子具有較高的摩爾電導(dǎo) 率因而能夠更快地移動(dòng)，導(dǎo)致了與其它兩種系統(tǒng)相比更低的電池電阻、更低的給定電流下 的電壓響應(yīng)，以及較低的能量消耗。
[0071] 但是，與具有2CEM和ED的兩種ICP相比，具有2AEM的ICP的鹽去除率更差;具有2CEM 的ICP表現(xiàn)出比ED更大的鹽去除率，意味著具有相同量的驅(qū)動(dòng)電流，ICP(2CEM)能夠從脫鹽 流輸出移動(dòng)更多的離子。值得注意的是，當(dāng)具有較快的陽離子(K+>Na+>Li +)時(shí)，鹽去除率時(shí) 恒定(ED)或者較高(具有2CEM的ICP)或者較低(具有2AEM的ICP)。在恒定施加電流下的鹽去 除率的這種矛盾意向也顯示在電流效率方面。具有2CEM(2AEM)的ICP的電流效率通常比ED 更好(更差），并且趨勢時(shí)放大陽離子摩爾電導(dǎo)率時(shí)較低的。這種現(xiàn)象將