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现如今，淡水资源匮乏及水体污染等水资源问题日益突显，越来越制约着人类社会的可持续发展。海水或苦咸水淡化已成为解决水资源危机、开拓新的安全环保水源的必然选择。目前，国际上常用的脱盐技术有多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、反渗透(RO)、电渗析(ED)等，但这些技术有着或能耗大或成本高或二次污染等问题。因此，开发低能耗、操作简单、环境友好的脱盐技术已成为人们关注的焦点。相比于其他传统的脱盐技术，电容法脱盐(Capacitive Deionization，CDI)技术具有节能(在低电压下运行，无需高压泵、热泵、加热器或高直流电压等)、环保(无化学物质、无二次污染)等优点。近年来，研究者构建了无机盐、金属氧化物、有机小分子及高分子功能化的碳基复合电极材料，并辅以酸碱活化、氮掺杂、热处理等工艺制备出CDI电极材料，使得CDI性能逐步提升展现出其技术上的优越性。
本文针对(膜)电容法海水脱盐过程，以其单元电极内多物理场耦合问题分析为对象，采用数值模拟分析方法和COMSOLMultiphysics软件，结合质量、动量、多孔达西渗流、电荷守恒方程并耦合吸附动力学方程，建立了(膜)电容法海水脱盐过程的三维瞬态分析模型。在验证所建分析模型可靠性基础上，通过对单元内完整“吸附-脱附”过程的模拟，分析了膜电容法海水脱盐过程中单元电极内流场、离子浓度场、电场等多物理场耦合的性能影响因素和规律，然后考察不同极板电压、入口浓度、入口流速、极板厚度、流道间距及膜厚度对其吸、脱附过程的影响规律，并都与电容法海水脱盐过程进行了对比。在完成了对膜/电容法脱盐单元的机理分析之后，进一步对中部流入型-膜电容法脱盐组件进行了初探，全文主要研究工作如下：
(1)根据掌握的MCDI/CDI相关知识，建立MCDI/CDI模块内脱盐单元的几何模型、物理模型和数学模型；利用准一级和准二级吸附动力学方程对不同电压下MCDI模拟过程得出的模型计算结果进行线性回归；再利用吸附热力学Langmuir与Freundlich方程对不同浓度下MCDI模拟过程得出的模型计算结果进行热力学拟合，结果表明：本文所建立的多物理场耦合数值分析模型能够较准确的描述MCDI/CDI法海水淡化过程，适用于对MCDI/CDI装置中单元电极脱盐过程的数值模拟。
(2)利用COMSOL软件模拟出MCDI/CDI模块一个脱盐单元内完整的“吸附-脱附”过程，研究分析流场、离子浓度场、电场等随时间的变化规律以及在单元内各域中的分布情况，结果表明：在MCDI单元中，膜扩散边界层处的阻抗会因为膜附近的离子浓度升高而减小，使得该处形成的扩散边界层厚度相应减小，带来膜边界附近的流体流速随之增大。吸附过程中MCDI单元凭借膜的抑制共离子效应，内部扩散吸附以吸附最大时刻为界呈现出先慢后快的特征，并且其能够吸附比CDI更多的离子量；脱附过程中MCDI单元极板表面离子浓度高于CDI，加上CDI单元内溶液中大量离子受着对侧电极吸引作用的劣势，导致MCDI单元极板处的离子脱附量大于CDI。MCDI单元内离子所受电场力的方向和膜面电位的方向以及离子移动方向一致产生的电位叠加效果使得其在吸附饱和时流道区域段内(除流道区域距负极板0.04mm段)MCDI单元电势分布普遍高于CDI，并且差异逐渐明显。还分析对比了MCDI/CDI脱盐单元在不同参数下的脱盐性能影响规律，并揭示MCDI/CDI脱盐过程中内部物理场耦合作用机制以及影响海水脱盐的影响因素；最后通过参数优化分析，提出一个MCDI/CDI脱盐单元的最佳操作参数优化方案：综合考虑选用1.5V、500mol/m3、0.10m/s、0.08mm、0.8mm和0.02mm作为原水溶液最佳极板电压、入口浓度、入口流速、极板厚度、流道间距及膜厚度。
(3)在上述工作基础上，针对电容法脱盐装置组件建立了中部流入型-MCDI模块脱盐组件的三维分析模型，详细分析对比了在两种不同脱附方式(短接和反接)下，各个参数(极板电压、入口孔径、入口浓度、入口流速、极板厚度及流道间距)对该脱盐组件海水淡化过程的影响规律，及出口浓度，吸、附效率随时间变化的规律，结果表明：MCDI脱盐组件的出口最低浓度随极板电压的增大而减小、随入口孔径、入口流速和流道间距的增大而增大；入口浓度越高，MCDI脱盐组件达到出口最低的浓度差越大；极板厚度越厚，MCDI脱盐组件的出口浓度上升的速率越缓；脱盐组件的吸附效率随极板电压的增大而增大，随入口孔径、入口流速和流道间距的增大而减小，而与入口浓度和极板厚度无关；脱附阶段的出口最高浓度随极板电压、入口浓度和极板厚度的增大而增大，随入口孔径、入口流速和流道间距的增大而减小；脱附时间随极板电压、入口孔径和入口浓度的增大而增大，随入口流速的增大而减小，而与极板厚度和流道间距无关；脱盐组件的脱附效率随极板电压、入口孔径和极板厚度的增大而增大，随入口流速和流道间距的增大而减小，而与入口浓度无关。并且在额外的反向电压作用下，反接脱附方式下在不同参数条件下能够达到的最高出口浓度均高于短接方式，反接方式下进入下一循环中吸附达到的最低浓度都与前一循环的值相差不大，且反接方式下的脱附效率达到的峰值及达到峰值后下降的速率和时间都要优于短接方式。
本文针对(膜)电容法海水脱盐过程，以其单元电极内多物理场耦合问题分析为对象，采用数值模拟分析方法和COMSOLMultiphysics软件，结合质量、动量、多孔达西渗流、电荷守恒方程并耦合吸附动力学方程，建立了(膜)电容法海水脱盐过程的三维瞬态分析模型。在验证所建分析模型可靠性基础上，通过对单元内完整“吸附-脱附”过程的模拟，分析了膜电容法海水脱盐过程中单元电极内流场、离子浓度场、电场等多物理场耦合的性能影响因素和规律，然后考察不同极板电压、入口浓度、入口流速、极板厚度、流道间距及膜厚度对其吸、脱附过程的影响规律，并都与电容法海水脱盐过程进行了对比。在完成了对膜/电容法脱盐单元的机理分析之后，进一步对中部流入型-膜电容法脱盐组件进行了初探，全文主要研究工作如下：
(1)根据掌握的MCDI/CDI相关知识，建立MCDI/CDI模块内脱盐单元的几何模型、物理模型和数学模型；利用准一级和准二级吸附动力学方程对不同电压下MCDI模拟过程得出的模型计算结果进行线性回归；再利用吸附热力学Langmuir与Freundlich方程对不同浓度下MCDI模拟过程得出的模型计算结果进行热力学拟合，结果表明：本文所建立的多物理场耦合数值分析模型能够较准确的描述MCDI/CDI法海水淡化过程，适用于对MCDI/CDI装置中单元电极脱盐过程的数值模拟。
(2)利用COMSOL软件模拟出MCDI/CDI模块一个脱盐单元内完整的“吸附-脱附”过程，研究分析流场、离子浓度场、电场等随时间的变化规律以及在单元内各域中的分布情况，结果表明：在MCDI单元中，膜扩散边界层处的阻抗会因为膜附近的离子浓度升高而减小，使得该处形成的扩散边界层厚度相应减小，带来膜边界附近的流体流速随之增大。吸附过程中MCDI单元凭借膜的抑制共离子效应，内部扩散吸附以吸附最大时刻为界呈现出先慢后快的特征，并且其能够吸附比CDI更多的离子量；脱附过程中MCDI单元极板表面离子浓度高于CDI，加上CDI单元内溶液中大量离子受着对侧电极吸引作用的劣势，导致MCDI单元极板处的离子脱附量大于CDI。MCDI单元内离子所受电场力的方向和膜面电位的方向以及离子移动方向一致产生的电位叠加效果使得其在吸附饱和时流道区域段内(除流道区域距负极板0.04mm段)MCDI单元电势分布普遍高于CDI，并且差异逐渐明显。还分析对比了MCDI/CDI脱盐单元在不同参数下的脱盐性能影响规律，并揭示MCDI/CDI脱盐过程中内部物理场耦合作用机制以及影响海水脱盐的影响因素；最后通过参数优化分析，提出一个MCDI/CDI脱盐单元的最佳操作参数优化方案：综合考虑选用1.5V、500mol/m3、0.10m/s、0.08mm、0.8mm和0.02mm作为原水溶液最佳极板电压、入口浓度、入口流速、极板厚度、流道间距及膜厚度。
(3)在上述工作基础上，针对电容法脱盐装置组件建立了中部流入型-MCDI模块脱盐组件的三维分析模型，详细分析对比了在两种不同脱附方式(短接和反接)下，各个参数(极板电压、入口孔径、入口浓度、入口流速、极板厚度及流道间距)对该脱盐组件海水淡化过程的影响规律，及出口浓度，吸、附效率随时间变化的规律，结果表明：MCDI脱盐组件的出口最低浓度随极板电压的增大而减小、随入口孔径、入口流速和流道间距的增大而增大；入口浓度越高，MCDI脱盐组件达到出口最低的浓度差越大；极板厚度越厚，MCDI脱盐组件的出口浓度上升的速率越缓；脱盐组件的吸附效率随极板电压的增大而增大，随入口孔径、入口流速和流道间距的增大而减小，而与入口浓度和极板厚度无关；脱附阶段的出口最高浓度随极板电压、入口浓度和极板厚度的增大而增大，随入口孔径、入口流速和流道间距的增大而减小；脱附时间随极板电压、入口孔径和入口浓度的增大而增大，随入口流速的增大而减小，而与极板厚度和流道间距无关；脱盐组件的脱附效率随极板电压、入口孔径和极板厚度的增大而增大，随入口流速和流道间距的增大而减小，而与入口浓度无关。并且在额外的反向电压作用下，反接脱附方式下在不同参数条件下能够达到的最高出口浓度均高于短接方式，反接方式下进入下一循环中吸附达到的最低浓度都与前一循环的值相差不大，且反接方式下的脱附效率达到的峰值及达到峰值后下降的速率和时间都要优于短接方式。