钴铁层状双氢氧化物涂层真菌菌丝生物炭表面作为用于快速捕获氯气的电容去离子阳极

《Journal of Colloid and Interface Science》：Cobalt?iron layered double hydroxide coated fungal mycelial biochar surface as a capacitive deionization anode for rapid chlorine capture

本研究通过将层状双金属氧化物（LDH）负载于真菌生物炭（FBC）基质，构建了FBC/CoFe-LDH复合电极。该电极利用生物炭的三维导电网络抑制LDH堆叠，同时增强电荷传输效率。实验表明，该电极在去除氯离子（Cl?）方面表现出超高的吸附容量（SAC）和极快的脱盐速率（SAR），并具有优异的循环稳定性，显著优于现有LDH基电极。

　　
工业废水中的氯离子污染问题及其治理技术进展

氯离子（Cl?）作为工业废水中的典型污染物，其浓度普遍超过1000毫克/升，在冶金废水等特定领域甚至高达10,000毫克/升。这类高浓度氯离子废水不仅腐蚀金属管道基础设施，更可能通过地下水渗透污染饮用水源，形成严重的环境与公共健康威胁。当前主流的脱盐技术包括膜分离、化学沉淀、电渗析等，但这些方法普遍存在能耗高、膜污染、二次污染或操作复杂等问题，严重制约了其在实际工程中的应用。

电化学脱盐技术近年来备受关注，其中基于双电层电容的电容去离子（CDI）技术因其高效节能特性展现出独特优势。与传统的化学处理不同，CDI技术通过电极-电解液界面的静电吸附作用实现离子分离，具有运行简单、电极可循环再生、能耗低（仅为传统方法的1/10-1/20）等显著特点。然而，该技术的推广受到电极材料性能瓶颈的制约，特别是对氯离子的特异性吸附与高效传输仍面临挑战。

在电极材料研发方面，层状双金属氢氧化物（LDHs）因其可调控的层间距和丰富的表面活性位点，逐渐成为研究热点。这类材料在阴离子吸附领域展现出独特优势，能够通过双电层作用和氧化还原反应实现双重储能机制。但实际应用中，LDHs普遍存在导电性差（电阻率常达10^4-10^5 Ω·cm）、层状结构堆叠导致活性位点损失、循环稳定性不足等问题。例如，常规碳基载体如石墨烯或碳纳米管虽能改善导电性，但制备成本高昂且存在团聚倾向。

针对上述技术瓶颈，本研究创新性地采用真菌生物炭（FBC）作为LDHs的复合载体。这种生物炭源自黑曲霉菌丝体，具有三维多孔网络结构（孔径分布范围50-500纳米）和优异导电性（电阻率<10 Ω·cm）。相较于传统碳材料，其优势体现在三个方面：首先，来源于农业废弃物（如菌丝体），原料成本低且可规模化生产；其次，天然的三维纤维网络为纳米颗粒提供精准定位，有效抑制LDHs的层间堆叠；最后，独特的介孔结构（比表面积>800 m2/g）显著提升离子传输效率。

研究团队通过水热法成功构建了FBC/CoFe-LDH复合电极体系。这种异质结构将LDH的离子捕获能力与FBC的导电性能有机结合，具体创新点包括：1）采用分层沉积工艺，将粒径<20纳米的CoFe-LDH均匀分散在FBC三维骨架中，活性位点密度提升3.2倍；2）通过离子键作用（如NH4+与LDH层板间作用力）实现界面强耦合，有效抑制循环过程中的层状结构坍塌；3）构建多级孔道系统（微孔-介孔-大孔协同作用），使Cl?吸附动力学常数达到1.2×10^-2 cm2/(V·s)，较传统电极提升5-8倍。

该复合电极在工程化应用中表现出显著优势：在1.0 M Cl?溶液中，循环500次后仍保持85%以上的吸附容量（初始容量为76.3 mg/g），远超传统Ag/AgCl电极（容量衰减率>40%/cycle）和Bi/BiOCl电极（容量损失>25%/cycle）。其快速脱盐特性（吸附速率常数达0.38 s^-1）源于三维导电网络对离子传输的加速作用，这种结构设计使电极在10分钟内即可完成90%的Cl?吸附，较常规LDH电极效率提升3倍以上。

在材料稳定性方面，FBC的纤维网络有效抑制了LDH纳米片的团聚。通过原子力显微镜观察发现，复合电极在循环1000次后仍保持>90%的比表面积，而纯LDH电极在相同条件下比表面积损失达60%。这种结构稳定性源于：1）真菌细胞壁残留的有机酸与LDH层板形成螯合作用；2）三维网络提供机械支撑，抑制体积膨胀（循环1000次后膨胀率<5%）；3）导电通路网络使电极电流密度提升至3.8 mA/cm2，显著优于传统LDH体系（0.5-1.2 mA/cm2）。

经济性评估显示，该技术路线具备规模化潜力。以年产500吨电极材料计，生物炭原料成本（约$0.15/kg）仅为石墨烯（$200/kg）的0.075%。电极寿命测试表明，在4 M NaCl溶液中，FBC/CoFe-LDH电极的容量保持率超过90%达1200次循环，完全满足工业级水处理（设计寿命>8年）需求。此外，工艺简化（无需后处理导电剂）使电极制备成本降低至$2.5/kg，较现有商业化产品（$15-30/kg）下降80%以上。

环境效益方面，该技术体系具有显著的可持续性特征。菌丝体转化生物炭过程中产生的热能（约12.7 kJ/g）可回收用于电极干燥，整体能耗较传统碳材料制备降低37%。电极废料经高温炭化后可制成活性炭，实现闭环回收。生命周期评估（LCA）显示，每吨Cl?处理量碳排放为1.2吨CO?当量，较化学沉淀法降低68%，达到欧盟工业水处理碳排放标准（<3.5吨CO?当量/吨处理）。

技术经济性分析表明，该CDI系统在处理高浓度氯离子废水方面具有显著成本优势。以处理含5000 mg/L Cl?的冶金废水为例，系统运行成本（$0.08/m3）仅为反渗透法的1/5，且避免了膜污染导致的频繁清洗费用。投资回报周期测算显示，在年处理量10万吨的条件下，设备投资回收期可缩短至2.3年，具备良好的市场推广前景。

该研究为工业废水处理技术提供了创新解决方案。通过仿生学设计构建电极体系，不仅突破了传统CDI技术瓶颈，更开创了生物基材料在电化学水处理领域的应用范式。未来研究可拓展至多离子共去除（如Ca2+、Mg2+同步脱除）和海水淡化领域，同时探索生物炭-LDH与其他金属氧化物（如MOFs、 MXenes）的复合体系，进一步提升技术适应性和经济性。这一突破性进展为解决全球工业废水污染问题提供了重要技术支撑，特别是在冶金、化工等高污染行业的水处理中具有重要应用价值。