地质环境中分布着广泛的天然氟化物，例如萤石、 黄玉、黑云母，这些含氟岩石的缓慢溶解进入地下水体将会导致氟浓度超标。除天然岩石来源外，重工业如半导体、燃煤电站、电镀、钢铁等行业的发展亦是地下水氟污染很重要的人为来源，其排放废水中氟离子浓度通常高达几十甚至几千mg/L，远高于自然地下水体中的氟离子浓度。基于铝盐的共沉淀方法具有工艺成熟，操作简单，占地面积小等优点，已被广泛用于地下水除氟。然而该方法有其局限性，如污泥产量高、难于后续处理、易引起二次污染。

电容去离子技术作为一项新兴电吸附技术，对地下水中的无机盐离子如氟具有良好的去除效果，尤其是中等氟浓度的地下水（浓度范围：200-100 mg/L），然而该技术对较高氟浓度（>1000 mg/L）和较低氟浓度（<200 mg/L）的地下水除氟效果不尽如人意，并且共存离子的干扰会进一步削弱其除氟性能，使其应用范围受到限制。因此，开发新型的适用于处理富含不同氟离子浓度梯度和共存离子强度地下水的电极材料至关重要。

鉴于此，上海交通大学邵嘉慧教授团队提出了一种简单的电极制备路线，通过静电纺丝结合后续高分子平板刮涂设计了一种新型三层膜电极，该电极具有合理比例的微孔-介孔结构并以介孔为主导、可观的比表面积、优良的导电性、荷正电性，在宽浓度梯度范围内呈现卓越的除氟性能。相关研究内容以“Efficient groundwater defluorination over a wide concentration gradient through capacitive deionization with a three-layer structured membrane coating electrode”为题目发表于期刊《Journal of Hazardous Materials》上。

图1：电极合成示意图及电极表征。

以基础碳电极作为载体，基于静电纺丝将中间层碳纳米管负载至基础电极表面，增加介孔比例的同时提高其导电性，进一步的，优选聚乙烯醇/聚乙烯亚胺聚合物膜作为最外层负载至电极表面制备三层复合膜电极（CNT-MCE）。氮气吸附-脱附曲线证实电极呈现以介孔为主导的疏松结构和较高的比表面积，有助于提供活性位点。得益于其疏松粗糙结构，CNT-MCE呈现优异的亲水性能。电化学阻抗测试结果证明了CNT-MCE具有优良的导电性能，可有助于降低电能损耗，提高利用效率。

图2：CNT-MCE对不同浓度氟化钠的除氟性能和除氟稳定性。

图3：CNT-MCE在混合溶液中的除氟性能。

电吸附实验结果表明：CNT-MCE在100 mg/L氟化钠溶液中的吸附容量可达40.8 mg/g，在低浓度溶液中CNT-MCE可抑制双电层重叠效应，促进双电层吸附；CNT-MCE在1500 mg/L氟化钠溶液中的吸附容量高达58.8 mg/g，在高浓度溶液中CNT-MCE可有效抑制同离子排斥效应。循环稳定性实验结果表明CNT-MCE在宽浓度梯度范围均呈现出色的除氟稳定性，主要归因于副反应的减少和电极的完全再生。该工作为有效拓宽CDI的应用范围提供了新颖的电极制备思路。更为重要的是，CNT-MCE在共存离子干扰下，仍呈现出色的除氟性能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132703

作者简介

第一作者，王成燚，上海交通大学环境学院博士生。

通讯作者，任龙飞，上海交通大学助理研究员，研究领域为废水深度处理、膜与膜过程。先后主持国家自然科学基金青年项目（52000129）、上海市青年科技英才扬帆计划（20YF1419500）、上海交通大学新进青年教师启动计划（20X100040047）等多项研究课题。参与水体污染控制与治理科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点/面上项目等多项研究课题。

通讯作者，邵嘉慧，上海交通大学长聘教授，博导，中国膜工业协会疏水膜技术与工程应用专业委员会委员。研究领域为膜材料和膜技术，膜法水处理与资源化技术。先后主持，参与科技部重点研发计划、国家水专项、国家自然科学基金重点/面上项目、863计划、新加坡基金会资助的国际合作CREATE项目和中石化企业委托等多项研究课题。国内外发表研究论文120余篇，出版著作1本，参编著作两本，授权专利13项。