电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)发展迅速,是潜在脱盐新技术。CDI是在电场等作用力对带电离子进行驱动,利用电极与电解液之间形成的双电层扑捉,吸附预分离电解液中离子,从而达到离子分离作用。与常规脱盐区别在于,该方法直接作用含盐水中溶质离子,进行质点离子分离。研究中的CDI技术仍存在以下问题限制了其商业应用:第一,以常规双电层电容器(EDLCs)方法制造CDI装置,未考虑CDI脱盐过程中盐溶液的流动特性,以及作为水处理单元具备的特性;第二,将主要研究方向放在如何增大电极活性材料的比表面积上,对CDI脱盐整体性、集流体及亲水特性研究较少;第三,CDI恒电压、恒电流密度等操控条件下的脱盐性能和机理研究较少。针对上述问题,围绕CDI电极集流体纳米改性、CDI电极活性材料前驱体配置、CDI电极与装置构建、CDI脱盐过程中控制参数的优化选择、CDI脱盐过程中恒电压和恒电流密度条件下的吸附和脱附机理、受力情况分析和对比开展研究工作。主要研究内容和结论如下:(1)通过纯铝片碱性刻蚀、镀锌镍合金纳米改性,强化纯铝基材抗腐蚀能力和导电性能。作为集流体的纳米改性铝基材,与活性材料粘附性良好、电极内电阻低。相比超导电炭黑导电剂,采用的改性碳纳米管导电剂,CDI电极电容值提高了42%。优选的电极活性材料配比为活性焦粉、改性碳纳米管、粘结剂PVDF和亲水剂PEG-400的质量比例为:10:0.5:1.3:0.5。按优化比例混合后配置活性材料前驱体,均匀涂覆制备CDI纳米改性铝基集流体电极,并制备了流道优化、电极使用寿命长、扩展性好的CDI装置。(2)通过在CDI脱盐过程中,对单因素和多因素分析,表征了CDI脱盐系统性能。结果表明,在操作电压由0.8V上升至1.6V、进水浓度由100mg/L上升至300mg/L、电极表面的流速在维持在低值1.78cm/h时,有利于提升CDI的脱盐能力。而溶液温度升高,对CDI脱盐性能有负面影响。分离过程中pH维持中性。CDI脱盐过程中,测量含盐溶液pH值随操作电压的变化情况,验证了溶液pH变化的机理。通过对比恒电压和恒电流密度操作条件,发现在恒电流密度条件下,CDI装置获得最低电导率,产水的时间更长。通过多因素分析,表明影响CDI电极吸附离子量的主要因素包括操作电压、操作电流密度和溶液浓度,而电极表面流速等因素影响较小。经过3次的循环试验,CDI复合电极吸附饱和后脱附再生效率达到99%以上。(3)对CDI电极吸附等温线模型、准一级和准二级吸附动力学模型、颗粒内扩散模型、电迁移机理和受力分析的研究,发现Langmuir吸附等温线模型更符合CDI电极吸附NaCl溶液中离子的实际情况。准一级吸附动力学模型能更好的拟合CDI电极在脱盐过程中的吸附过程,颗粒内扩散动力学拟合适用性较差。当其他操作参数不变时,进水盐溶液浓度越高、盐溶液平均离子价数越高、进水流量越高时的产水盐浓度都会相应升高;而CDI的充放电效率越高、电流密度越大时,产水盐浓度会相应下降。分析结果表明电场驱动力在CDI脱盐过程中占主导地位。(4)使用多对电极片和串联多级CDI装置进行脱盐试验,有利于CDI系统整体脱盐能力提高。通过CDI对不同价态离子的选择性吸附能力分析发现,当水合离子半径增大时,水合离子在CDI过程中受的阻力增加,因此其对CDI吸附脱除离子的能力有负面影响。CDI对同类型单价离子的去除能力较多价离子去除能力强,对相同价数的阳离子去除能力较阴离子去除能力强。