磷既是导致水体富营养化的元凶,又是不可再生的战略资源。从废水中高效、选择性地回收磷,是水处理领域的迫切需求。电容去离子技术因低能耗和易于再生,在脱盐领域展现出优势。但传统的碳基电极对离子的吸附主要依靠双电层,对磷酸根、硫酸根、氯离子等各种阴离子的选择性极低。钴铁氧体是一种尖晶石型双金属氧化物,其表面的Co和Fe位点对磷酸根有很强的特异亲和力,是一种潜力巨大的赝电容吸附材料。将其与高导电的碳纳米管复合,可构建高性能的赝电容电极。
本研究通过水热法在碳纳米管网络上原位生长了CoFe₂O₄纳米颗粒,制成复合电极。在不对称电容去离子系统中,向该电极施加正电位,对水中的磷酸盐进行电吸附。实验结果显示,在1.2V电压下,该复合电极对磷酸盐的吸附容量高达85mg P/g,远高于纯碳纳米管电极。更为关键的是,在含有高浓度Cl⁻、SO₄²⁻和HCO₃⁻等竞争离子的模拟废水中,该电极对磷仍展现出极佳的选择性吸附能力。其优异的选择性源于磷酸根与钴铁氧体表面的羟基基团发生的特异性配体交换和内层络合反应。吸附饱和后的电极,通过简单地反接电位或短接,即可将吸附的磷高效脱附到极少量浓缩液中,实现电极再生和磷的浓缩回收。
经过10个吸附-脱附循环,电极的吸附容量保持率超过90%。浓缩液中的磷浓度极高,便于后续通过鸟粪石结晶法进行回收。该电容去离子系统成功将电化学离子分离技术应用于高选择性去除和回收水中磷酸盐,为废水中磷的资源化回收提供了创新的技术方案。
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