基于氮磷共掺杂多孔碳的流动性电极电容去离子技术处理含盐高氟地下水的效能及机理研究

Fluoride-contaminated brackish groundwater poses a great threat to the health of people in many parts of the world where water scarcity is severe. Conventional capacitive deionization (CDI) is an important technology treating fluoride-contaminated brackish groundwater, but it suffers from drawbacks including limited ion adsorption capacity, complicated process of electrode preparation and inability to continuously produce clean water. Flow-electrode CDI (FCDI) technology can overcome the limitations of conventional CDI technology nicely. However, information on the application potential of FCDI in treating fluoride-contaminated brackish groundwater and the related mechanisms is unknown. In this work, we plan to utilize nitrogen and phosphorus enriched hydrophytes to prepare an excellent electrode material (i.e., nitrogen and phosphorus co-doped porous carbon) which will be applied to flowing electrode to construct FCDI device. Through batch-mode and single-pass experiments, the performance of FCDI device in remediation of fluoride-contaminated brackish groundwater will be studied. Effects of various parameters and hydrogeological conditions on the performance indicators will be investigated. Stability and recyclability of nitrogen and phosphorus co-doped porous carbon will be evaluated. Meanwhile, the mechanisms of fluoride removal during treatment will be explored. On this basis, the system optimization will be carried out with the expectation that a cost-effective, environmentally friendly and sustainable technology for treatment of fluoride-contaminated brackish groundwater will be provided. The results of the project will provide theoretical basis and application guidance for effective remediation of fluoride-contaminated brackish groundwater, which is significant to the advancement of the relevant technology.

含盐高氟地下水严重威胁着许多缺水地区人们的身体健康。传统电容去离子(CDI)技术是一类处理含盐高氟地下水的重要方法，但其吸附能力有限、电极制备繁琐且不能实现水的连续净化。流动性电极电容去离子(FCDI)技术可以很好地解决传统CDI技术存在的缺陷，但它在含盐高氟地下水处理方面的应用潜力及相关机理尚不明确。本项目拟利用富含氮磷的水生植物制备一种优良的电极材料，即氮磷共掺杂多孔碳材料，继而将其用于FCDI流动电极构建FCDI装置，通过循环式和序流式实验，研究该装置对含盐高氟地下水的除氟脱盐处理效能，考察理化参数、水质条件的影响及氮磷共掺杂多孔碳材料的稳定性和循环利用性，探究氟离子的去除规律和去除机理，在此基础上进行体系优化，以期建立一种经济高效、环境友好、可持续的含盐高氟地下水处理技术。本项目有望为含盐高氟地下水的处理提供理论依据与实践参考，对推动实用含盐高氟地下水处理技术的进步具有重要意义。

含盐高氟地下水严重威胁着许多缺水地区人们的身体健康。电容去离子（CDI）技术是一类处理含盐高氟地下水的非常有前景的方法，但目前其所用的电极材料吸附能力有限，因此非常有必要寻求一种性能更好的电极材料。同时，流动性电极电容去离子（FCDI）技术作为一种新型的CDI技术，可以很好地解决传统CDI技术存在的缺陷（比如电极制备繁琐，不能实现水的连续净化）。然而，FCDI在含盐高氟地下水处理方面的应用潜力及相关机理尚不明确。本项目创新性地制备了磷掺杂多孔碳电极材料用于CDI进行电吸附实验，研究了对盐的吸附量与吸附速率的影响。结果表明，在活化温度为800°C下制备的磷掺杂多孔碳电极的比电容、吸附量和吸附速率最高；吸附/解吸循环实验表明该电极具有良好的循环稳定性。因此，该材料是一种较为理想的CDI电极材料。此外，本项目利用普通商业活性炭材料作为FCDI流动电极构建FCDI装置，研究多种操作模式下该装置对含盐高氟地下水的除氟脱盐处理效能，继而考察最优操作模式下运行参数、水质条件的影响及碳材料的循环利用性，探究各离子的去除规律和去除机理。结果表明：1) SCC模式是SC、SCC和ICC三种模式中处理含盐高氟地下水的最佳模式，该操作模式在相同的能耗下，对水体中Cl-和F-的去除效果最好。2) 在以SCC模式运行的FCDI系统中，稳态出水的电导率（或Cl-浓度）随电流密度的增大而下降，下降速率随水力停留时间的增长而加快。对于稳态出水的F-浓度，在较小的电流密度下即可快速下降到饮用水水质可接受的范围，随后保持稳定，提高水力停留时间可以进一步降低稳态出水中的氟离子浓度。本项目研究成果对推动实用含盐高氟地下水处理技术的进步具有重要的参考意义。