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电容去离子(Capacitive deionization,CDI)技术广泛应用于咸水淡化和废水回用,其具效率高、能耗低、环境友好、水利用率高等优势。CDI技术的关键是电极材料的选择和制备,其中碳材料(如活性炭及衍生碳材料、碳纤维和石墨烯等)的研究最为广泛。但碳基材料的孔径分布不理想、亲水性差,致使其比电容低;材料制备过程复杂,增加了CDI使用成本;CDI过程中碳电极材料回用率较低等缺陷,严重限制了其在CDI中的应用。因此,针对新型碳基材料的制备及应用于CDI电极的理论和应用研究,具有重要的理论价值和应用前景。本论文围绕新型碳基材料的制备和自身杂原子效应影响,利用电化学表征及形貌表征等手段系统考察了电极材料的CDI性能与自身结构、形貌以及杂原子效应间的关系,进而优化制得CDI性能最优的电极材料,最终应用于低盐度印染尾水处理。主要研究内容和成果如下:1.试验原位合成了新型六边形碳基材料(HAT),基于π-电子重组冷凝除去C2N2制备HAT-CN材料,并用作膜电容性去离子化(MCDI)的电极。试验研究了碳化温度对HAT的形貌、比表面积及孔径分布、元素比、电化学及电吸附性能的影响。结果显示,HAT在碳化温度为550℃时,表现为C2N计量型,其具有较大的比表面积(771.2m2/g)、丰富的微孔结构、高氮含量(36%)和良好的导电性;在初始浓度为500mg/L的NaCl溶液中表现出良好的电吸附性能(24.66mg/g),远高于活性炭(11.14mg/g)。此外,随着外加电压的增大,电吸附量及电吸附速率增大;随着NaCl浓度增大,离子传输速度加快和离子去除量增大。同时,HAT-CN-500在30个电吸附周期内显示出良好的再生性能。结果表明,原位N掺杂材料的每个原子在C2N中都有一个悬空键,空隙的大小可允许锚定几个相互作用的Na+或Cl-原子。与原始碳材料相比,杂原子掺杂可以增强结构的极化水平,增加离子的特异性结合位点,为盐离子吸附提供了大量的空间和电荷存储的活性位点。同时,原位杂原子掺杂引入亲水性官能团,提升材料亲水性,进一步提高盐离子的电吸附量。2.基于C2N优异的电吸附性能,通过简单的水热法合成C2N@rGO材料,首次作为流动电极在流动电容去离子(FCDI)体系中使用。通过比表面积、透射电镜及元素分析等表征证明,C2N@rGO具有较大的比表面积(812.3 m2/g)和微孔含量,及高N含量(～29.5%)和可调石墨化结构,为优异的电化学性能和脱盐性能提供了基础。FCDI结果表明,C2N@rGO-4%具有较高的盐离子去除量(180.72 mg/g)、盐离子去除速率(0.3043 mg/(min.cm2)和盐离子去除效率(49.93%)。此外,发现FCDI的性能部分依赖于多孔结构与化学成分之间的协同作用。试验表明,C2N@rGO中添加少量rGO(4%),可增强材料分散性能,有效解决FCDI过程中流动电极通道阻塞问题;同时rGO作为基底可形成“电桥”,提升C2N粒子间的连接,增大电极中活性物质的利用率和添加量,大大提高盐离子去除效果。3.虽然FCDI技术具有良好的去离子性能,但FCDI过程中流动电极回收问题却鲜少有人研究。为了实现流动电极的循环利用,试验通过自组装方式,利用聚(-环三磷腈-4,4’-磺基双酚)(PZS)包覆纳米磁球(Fe3O4),制备了过渡金属(Fe)和非金属原子(N、P、S)掺杂的核壳结构电极材料(MPZS)。研究了不同碳化温度对MPZS的结构、形貌、比表面积、磁性及元素(N、P、S)含量变化,对FCDI性能的影响。结果显示,碳化温度为500℃时,CMPZS(碳化后的MPZS)电极因富杂元素含量,具有良好的润湿性、低阻抗(0-50ohm)、高比电容(211.2F/g)、长效的胶体稳定性和良好的水分散性。同时,由于过渡金属原子在碳球中的均匀包裹,使其具有良好的超顺磁性及磁强度(54.99 emug-1),可实现FCDI中流动电极的高磁循环回收(10次),丰富的反应活性位点实现快速的电荷输运。最后,CMPZS在实际印染废水厂尾水脱盐应用中,去除率高达50.34-98.86%,表明其在去离子领域的巨大潜力。4.针对低盐印染尾水的综合处理,由于尾水中含有少量有机物,将堵塞MCDI或FCDI过程中的离子交换膜。试验利用碳化细菌纤维素(CBC)为基底,分别与含-COOH和-SO3H基团的聚合物交联,制备CDI阴极;同时,利用阳离子聚合物聚乙烯醇(PEI)交联CBC制备CDI阳极,组合阴、阳极形成非对称无膜电容性去离子化单元(p-CDI)。研究阴极中不同官能团对盐离子去除效果和对NO2-的选择性去除效果。试验显示,-SO3H改性的CBC比-COOH具有更高的电容和负电位,使得-SO3H改性的CBC在外加电压1.0 V时,该聚合物涂层提供了优异的总离子去除率(38.55%),总离子去除量(14.56mg/g),并极大地提高了亚硝酸盐的针对性去除率(71.01%)。同时,总离子去除率随着电压增加而增加,随初始盐离子浓度增加而降低。而后,考察了电场和聚合物内带电官能团之间的同步效应,离子交换、不同的离子水化半径和离子迁移速率等对离子选择性去除的影响,得阴离子去除序列为:NO2->SO42->NO3->F-≈Cl-。最后,p-CDI在低浓度印染废水尾水处理中,离子去除率可达60.94-84.26%,而NO2-去除率可达90.60-97.30%。综合结果表明,CDI在去除亚硝酸盐和处理印染废水方面具有良好的应用前景。