【摘 要】
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我国北方高氟地下水分布广泛,农村地区受经济水平和水处理条件制约,饮用水健康安全问题亟需解决。电容去离子技术（Capacitive Deionization,CDI）是基于双电层电容理论和吸附理论的水处理技术,具有低能耗、高能效、易再生、低成本、环保等优点。电极材料开发和装置结构优化,是CDI研究领域的热门研究方向。本文从电极材料方向出发,采用膜电容去离子技术（MCDI）,通过静电纺丝技术制得磺化聚
【基金项目】
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国家重点研发计划子课题“农村饮用水深度处理系统应用及性能评价”（2017YFA0207204-04）
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我国北方高氟地下水分布广泛,农村地区受经济水平和水处理条件制约,饮用水健康安全问题亟需解决。电容去离子技术（Capacitive Deionization,CDI）是基于双电层电容理论和吸附理论的水处理技术,具有低能耗、高能效、易再生、低成本、环保等优点。电极材料开发和装置结构优化,是CDI研究领域的热门研究方向。本文从电极材料方向出发,采用膜电容去离子技术（MCDI）,通过静电纺丝技术制得磺化聚苯醚和季胺化聚砜（SPPO/QAPSF）改性电极,与常规膜电容去离子装置进行性能对比,开展了一系列研究。以聚苯醚和聚砜为原材料,分别进行磺化反应和季胺化反应制得阴阳离子交换聚合物磺化聚苯醚（SPPO）和季胺化聚砜（QAPSF）,用于制备离子交换电极。对制备的材料进行了表征,包括扫描电镜SEM测试、红外光谱分析、XPS、TGA、BET、接触角测试、CV循环伏安法、EIS测试分析,系统地探究了电极材料的表面微观形貌、元素组成、热稳定性、比表面积和孔径、亲水性能和电化学性能等。研究发现,经静电纺丝技术修饰后的电极,成功负载上磺化聚苯醚和季胺化聚砜,亲水性能和电容结构得到很大的提升。制备电极的接触角从原材料的132°降低到110°左右,虽因离子交换聚合物的覆盖使比表面积和孔径变小,但结构紧密,CV曲线积分面积比原材料大,说明SPPO/QAPSF电极的电容值较大,组成的双电层电容器导电性较好,具备良好的双电层结构。同时,SPPO/QAPSF电极的热稳定性优良,其离子交换聚合物在100℃以下,几乎无质量损失,满足工艺使用要求。为更好地研究SPPO/QAPSF电极的性能,与常规MCDI装置对比,进行脱盐性能的探究。确定了制备电极的最优工艺运行参数:电压为1.2 V,水力停留时间为45 s,进水离子浓度为50 mg/L。单一阴离子对氟离子去除干扰程度最大的是NO3-,F-去除率约为30%,混合阴离子中吸附效果:NO3->SO42->Cl->F-,单价阴离子的去除效果得到大幅度提升。模拟地下水配水实验表明,两者优先吸附F-和NO3-,SPPO/QAPSF改性电极电吸附装置去除效果更优,F-和NO3-的去除率是常规MCDI装置的两倍,Cl-和SO42-的去除率亦远高于常规MCDI装置。SPPO/QAPSF改性电极电吸附装置在地下水水质的应用上,具有一定的实际应用价值。
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