水葫芦衍生活性炭电极材料在电容去离子技术中用于水体除氟的研究

针对东非地区饮用水氟污染问题，研究人员创新性地利用入侵植物水葫芦制备多孔活性炭电极（WHAC），通过KOH化学活化（400-700°C）构建电容去离子（CDI）系统。WHAC-700电极比表面积达1020.01 m2/g，电容值501.89 F/g，对坦桑尼亚三地水样（氟浓度3.51-4.61 mg/L）的除氟效率达67.24%-70.28%，为低成本水处理技术开发提供新思路。

　　

在坦桑尼亚等东非国家，地质成因的氟污染正威胁着数百万人的健康。东非大裂谷沿线地区的地下水中，氟化物浓度常高达17-46 mg/L，远超WHO规定的1.5 mg/L安全限值。长期饮用高氟水会导致氟骨症、牙齿斑釉等不可逆损伤，而传统除氟技术如反渗透和离子交换存在能耗高、二次污染等问题。与此同时，作为入侵物种的水葫芦（Water Hyacinth）在维多利亚湖等水域疯狂繁殖，堵塞航道、破坏生态平衡。如何将这种环境负担转化为资源，成为研究者们关注的焦点。

《South African Journal of Chemical Engineering》最新发表的研究中，Hassan Johnson Kalilo团队开创性地将这两种环境问题结合解决。他们以水葫芦为原料，通过碳化结合KOH化学活化（400-700°C）制备多孔活性炭电极（WHAC），并构建电容去离子（Capacitive Deionization, CDI）系统用于水体除氟。研究团队采用氮气吸附-脱附（BET）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和循环伏安法（CV）等技术系统表征材料特性，并通过三电极体系评估电化学性能。

3.1 材料物化特性

WHAC-700展现出最优异的性能：比表面积达1020.01 m²/g，是未活化样品（CWH-400）的2.2倍；孔径分布显示其以介孔为主（7.61-8.06 nm），有利于离子传输。SEM图像清晰显示，随着活化温度升高，材料表面从致密块状（400°C）逐渐发展为丰富的蜂窝状多孔结构（700°C）。EDX分析证实高温活化后碳含量显著提升（28.25%→86.7%），而FTIR显示含氧官能团随温度升高逐渐分解，形成更多芳香化结构。

3.2 电化学性能

CV测试显示所有电极均呈现准矩形曲线，表明双电层（EDL）主导的电荷存储机制。WHAC-700在5 mV/s扫描速率下比电容高达501.89 F/g，远超商业活性炭电极（通常200-300 F/g）。这种优异性能归因于其独特的"三高"特性：高比表面积、高孔隙率（总孔容0.25 cm³/g）和高导电性。

3.3 实际除氟效果

研究团队采集了阿鲁沙（4.21 mg/L）、马尼亚拉（4.61 mg/L）和希尼安加（3.51 mg/L）三地水样进行测试。在2 V电压、10 mL/min流速下处理3小时后，WHAC-700对三组水样的除氟效率分别为69.60%、70.28%和67.24%，最终氟浓度均降至1.15-1.37 mg/L的安全范围。电导率监测显示，处理过程中溶液电导率下降40%以上，证实了CDI系统的广谱除盐能力。值得注意的是，电极经过5次再生循环后仍保持94%以上的脱附效率，展现出良好的实用性。

这项研究实现了"以废治毒"的双重环境效益：既解决了入侵植物处理难题，又开发出低成本除氟方案。WHAC电极的制备无需贵金属或复杂工艺，在资源有限的非洲地区具有显著应用优势。研究者特别指出，该技术对总溶解固体（TDS）<500 ppm的中低盐度水样效果最佳，未来可通过堆叠电极模块提升处理量。这项来自坦桑尼亚大学的本土化创新，为发展中国家应对饮用水安全挑战提供了重要技术参考。