基于碳纳米管-碳纤维复合电极的膜电容去离子水处理技术研究

Currently the human society faces significant challenges to find suitable drinking water supplies by effectively utilizing brackish salty water or sea water. Capacitive deionization (CDI), also called electrosorption, is an energy-saving desalination technology for the removal of salt ions from concentrated aqueous solutions by forcing charged ions into the electrical double layer at an electrode-solution interface. Recently, membrane capacitive deionization technology (MCDI) has attracted great attentions in which CDI combined with ion exchange membrane has shown fantastic desalination performance by compared with CDI without membranes due to the minimization of counter-ion impaction. In this project, the MCDI technology using carbon nanotubes and carbon nanofibers (CNTs-CNFs) electrode is studied systematically to solve several key issues: (1) the optimization of electrode materials and their integration with ion exchange layer; (2) the study of kinetics, thermodynamics, isotherm, ion removal selectivity and charge efficiency. The purpose of this project is to improve the desalination performance of MCDI by investigating the surface treatment technique of CNTs-CNFs and the preparation method of CNTs-CNFs/ion exchange polymer as well as by understanding the mechanism for the enhanced performance of CDI by introducing the ion exchange membrane or polymer. This project is expected to enrich the MCDI technology largely and facilitate its application in the field of energy-saving and environment-friendly water treatment.

如何有效利用大量的含盐污水及经济地实现海水淡化是全人类面临的一个难题。电容去离子技术（或称电吸附）是一种利用表面双电层进行电容吸附去除水中离子的节能环保脱盐技术。在电容去离子技术的基础上集成离子交换膜或聚合物，能大大抑制对离子效应，有效提高脱盐效率，这种最近几年才兴起的新型技术称为膜电容去离子技术。本项目是针对基于碳纳米管-碳纤维电极的膜电容去离子技术进行的系统研究，解决这种新型技术所面临的几个关键问题：（1）碳纳米管-碳纤维电极优化及与离子交换层的有效结合问题；（2）动力学、热力学、等温吸附、不同离子的电吸附规律及电荷效率研究。通过探索碳纳米管-碳纤维电极的表面处理工艺和碳纳米管-碳纤维/离子交换聚合物的制备工艺以及理解离子交换膜或聚合物增强电容去离子能力的机制，提高膜电容去离子技术的脱盐性能。预计本项目研究将极大地完善膜电容去离子技术，推动其在节能环保水处理领域中的应用。

膜电容去离子技术是一种新型的节能环保水处理技术，本项目主要针对了膜电容去离子技术进行了系统研究，研究内容包括：（1）碳纳米管-碳纤维薄膜电极材料的制备研究；（2）碳纳米管-碳纤维薄膜表面处理及表征；（3）离子交换层在电容去离子器件中的集成研究；（4）膜电容去离子器件结构及去除离子性能的研究。项目研究的主要成果是系统地研究了新型高效的膜电容去离子水处理技术，以提高膜电容去离子的脱盐性能为目标，在优化电极材料和器件结构的基础上完善了膜电容去离子技术，具体如下：1）采用低温低压化学气相沉积装置在石墨衬底上直接生长具有高比表面积的碳纳米管-碳纤维薄膜电极，并对其进行表面处理和掺氮研究，进一步改善其比表面积、导电性和亲水性；2）将离子交换膜引入到电容去离子技术中，研究了膜电容去离子技术。解决了电容去离子过程中极性相反离子的干扰而造成的离子脱附现象，有效地提高了脱盐率。并进一步研究膜电容去离子的动力学、热力学、等温吸附、电荷效率及对不同离子的电吸附规律，探索了离子交换膜增强电容去离子脱盐能力的机制；3）在膜电容去离子技术中，使用离子交换聚合物取代离子交换膜，解决了离子交换层与电极材料的有效结合，改善电极与离子交换层的接触，实现可控的碳纳米管-碳纤维/离子交换聚合物复合电极的构筑，降低了单元模块的电阻，从而有效提高了膜电容去离子的脱盐率。本项目的研究极大地完善了膜电容去离子技术，使其有望广泛应用于节能环保的纯水制备、工业废水处理、硬水软化、海水淡化等领域。