近期，中科院合肥研究院固体所环境与能源纳米材料中心汪国忠研究员和周宏建副研究员团队在电容去离子技术同步去除水中四环素和硬度离子方面取得进展。相关研究成果以“ Synchronous removal of tetracycline and water hardness ions by capacitive deionization ”为题，发表在 Journal of Cleaner Production (J. Clean. Prod., 316, 128251(2021)) 上。
四环素(Tetracycline, TC)是最常见的广谱抗生素之一，在医疗、畜牧、水产养殖等领域广泛用于治疗各种细菌感染和病原微生物感染。然而，通常只有不到30%的抗生素剂量被人类和动物吸收，剩余的抗生素则通过排泄物释放到环境中，不可避免地造成了严重的环境污染。此外，天然水体中TC与硬度离子(Ca2+和Mg2+)共存是一种普遍现象。特别是TC和硬度离子容易在环境中形成TC-金属复合污染物，由于其高流动性和组合毒性，对环境会造成更严重的毒理学问题。因此，同步去除TC和硬度离子对环境保护具有重要的实际意义。
目前，处理复杂水体污染需要结合多种方式，导致工序繁琐且成本高。因此，开发高效简洁的去除技术至关重要。从原理上分析，电容去离子技术(CDI)可同时去除水中阴离子和阳离子，具有节能、易操作、连续运行、循环寿命长等优点，可应用于海水淡化、硬水软化、重金属污染物去除等方面。鉴于此，固体所科研人员利用生物质海带衍生的多级孔碳(KHPC)组装了对称电极的CDI装置，实现了同步去除水中TC和硬度离子。在吸附等温线、动力学和循环稳定性等方面对TC的电吸附去除行为进行了系统研究，其最大去除TC容量为925.3 mg g-1，高于目前已报道的其他材料。更重要的是，经过多次CDI吸附-脱附循环，其去除率仍保持90%以上。同时，带有相反电荷的金属离子被吸附在对电极上，并表现出优先离子吸附性能：Ca2+ (8.04 mg g-1) > Mg2+ (3.24 mg g-1) > K+ (2.59 mg g-1) > Na+ (0.75 mg g-1)，进一步证明CDI水净化技术能够有效地同步去除四环素和水的硬度离子。该工作为CDI技术同步分离并去除水中多种离子型污染物提供了思路。
上述工作得到了国家重大研发专项和国家自然科学基金项目的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128251。
图 1. 电容去离子技术同步去除水中四环素和硬度离子的示意图。
图 2. （ a ）在 1.2V 电压下 KHPC 电极对 TC 的吸附动力学和（ b ） Kim-Yoon 图（ SAC vs. SAR ）；（ c ） KHPC 电极材料对 TC 的吸附等温线； （ d ）初始浓度为 10 mg L −1 时， KHPC 电极材料对 TC 的循环吸附性能。
图 3. (a) CDI 过程中对 TC 和金属阳离子的吸附和 (b) 脱附示意图； (c) 多种共存离子在 CDI 系统中同步去除性能。
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