【摘 要】
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世界范围内生物质来源广泛,其内部的管状维束结构,经碳化后残留下来的骨架形成了具有多级孔隙结构和巨大比表面积的生物炭材料,生物炭经改性后可大大提高吸附性能,用于吸附水中污染物。而电容去离子技术（CDI）是近代新兴的一种水处理技术,通过将吸附材料制成电极,对吸附电极施加一定的电压,在阴、阳电极间形成电场力,可促使带电粒子的定向运动,当带电粒子运动至吸附电极附近时,可在电极中吸附材料的表面形成双电层,进
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世界范围内生物质来源广泛,其内部的管状维束结构,经碳化后残留下来的骨架形成了具有多级孔隙结构和巨大比表面积的生物炭材料,生物炭经改性后可大大提高吸附性能,用于吸附水中污染物。而电容去离子技术（CDI）是近代新兴的一种水处理技术,通过将吸附材料制成电极,对吸附电极施加一定的电压,在阴、阳电极间形成电场力,可促使带电粒子的定向运动,当带电粒子运动至吸附电极附近时,可在电极中吸附材料的表面形成双电层,进而将带电粒子捕捉。电容去离子技术相比其他水处理技术,具有节能、高效、对环境友好等优点。综上所述,可将生物炭改性技术与电容去离子水处理技术相结合,制备一种电容去离子脱盐性能优良的改性生物炭。本研究以来源丰富的小麦秸秆为生物炭原料,首先在不同碳化温度下制备了一系列生物炭,通过对生物炭理化性质和电化学性能的表征分析,得出了小麦秸秆生物炭作为吸附材料时的最佳碳化温度;然后以富含羧基、羟基、铵根和铁离子的柠檬酸铁铵溶液为改性试剂,采用低温预碳化后浸渍,再高温二次碳化改性的方法,制备了一种改性负载生物炭。既对生物炭进行氨改性,掺杂引入了氮元素,又向生物炭表面负载了铁的氧化物,还丰富了生物炭表面的含氧官能团,多重改性后为吸附提供了更多的活性位点。通过表征分析与电化学测试得出了柠檬酸铁铵溶液的最佳浸渍浓度;本研究还自主设计搭建了可CDI与MCDI联用的电容去离子脱盐试验装置,依托该试验装置,在两种电容去离子脱盐模型下,将设计的改性生物炭制成了吸附电极,并对电极进行了电容去离子脱盐试验,对不同影响因素进行了试验分析,通过优化分析试验结果,得出了在两种脱盐模型下,最佳的电容去离子脱盐条件。主要研究结果与结论如下:（1）生物炭保留了秸秆纤维多层的束状结构,呈层状、狭缝型的非均匀孔道。生物炭作为电吸附材料时的最佳碳化温度为600℃。此时生物炭的碳化接近完全,稳定性好,同时,还保留了丰富的官能团结构。生物炭还表现出良好的双电层超级电容性能,以WB-600℃的电化学性能最为突出。当碳化温度≥600℃时,生物炭表面官能团进一步破裂重组,反而造成电化学性能下降。（2）采用柠檬酸铁铵溶液对生物炭进行改性,经表征分析,成功向生物炭表面负载了Fe3O4、Fe2O3以及Fe+3O（OH）等铁的氧化物晶体,还成功向生物炭中掺杂了氮元素,引入了更多的C-N键和C-O键,丰富了生物炭表面的官能团。柠檬酸铁铵改性生物炭时的最佳浸渍浓度为1 mol/L,超过1 mol/L时,负载物出现团聚现象。WB-ACFe1.0生物炭的电化学性能最为突出,在电流密度为1 A/g情况下,比电容最大为244.93 F/g,相比未改性生物炭提高了3.77倍,在10 A/g的电流密度下其仍有77.53%的保持率,具有良好的倍率性能。（3）WB-ACFe1.0生物炭在经典CDI电容去离子脱盐模型下,最佳的吸附电压为1.3V,最佳的电极片间距为1.5 mm,最佳的盐溶液初始浓度为300 mg/L。在此条件下,首次电容去离子脱盐量为10.41 mg/g,在完成10次吸附、脱附除盐后,电容去离子脱盐量为9.34 mg/g,衰减率为10.28%。在循环8次吸附、脱附除盐试验之后,碳材料达到稳定阶段,电吸附脱盐容量几乎无衰减,具有良好的吸、脱附循环使用性能。（4）WB-ACFe1.0生物炭在MCDI电容去离子脱盐模型下,最佳的吸附条件是:电极间距为1.5 mm,吸附电压1.3 V,同时,MCDI对高浓度盐水也具有良好的电容去离子脱盐性能。当盐溶液初始浓度为400 mg/L和500 mg/L时,电容去离子效率分别为53.81%和45.81%,单位质量改性生物炭的电容去离子脱盐容量分别为13.85 mg/g和14.72 mg/g,脱盐效率比CDI均有所提高,甚至超越了CDI脱盐模型中生物炭的极限吸附容量12 mg/g。（5）经动力学模拟分析,在最佳实验条件:盐溶液初始浓度300 mg/L,吸附电压1.3V,电极间距1.5 mm,盐溶液初始浓度为300 mg/L时,改性生物炭在CDI与MCDI两种电吸附脱盐模型下的电容去离子脱盐过程遵循准二级动力学模型。（6）在盐溶液初始浓度300 mg/L,吸附电压1.3 V,电极间距1.5 mm时,处理500ml含盐废水,达到吸附平衡时,整个吸附过程吸附单位质量Na Cl平均所需能耗CDI为0.566 W h/g,MCDI为0.0392 W h/g。
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