本发明涉及水处理与资源化，特别涉及一种处理氟废水的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料、电容去离子电极的制备与应用。
背景技术：
1、地球淡水储量稀缺，长期以来，世界水资源形势不容乐观。同时，随着时代的发展，人们对水资源的破坏和污染也越来越严重，然而水污染控制技术却相对落后。在众多的水污染物中，氟的危害巨大，且极难去除，此外，由于全球工业的不断发展和进步，含氟废水量进一步扩大，污染的水域越来越多，对人们可利用的水资源造成了更大的威胁。人体摄入过量的氟会引发各种疾病，影响人类的生存和健康。因此，建立有效的除氟技术非常重要。目前，离子交换法、电解法、吸附法和沉淀法已被开发出来，并普遍用于去除废水中的氟离子。吸附法是一种常用的水处理方法，一直引起众多学者的关注，它也是除氟最有效、最可靠的方法之一，其中吸附性能优异的吸附材料是高效除氟的关键因素。吸附剂对f-的吸附过程通常包括三个基本步骤：(1)f-从溶液通过吸附粒子周围的边界层扩散或输送到吸附粒子的外表面，称为分子扩散；(2)f-在吸附粒子表面被吸附；(3)吸附剂表面的f-与吸附粒子内的物质进行交换，或向吸附粒子内表面转移，称为粒子内扩散。吸附剂之所以具有良好的吸附特性主要是由于它有密集的细孔结构和巨大的比表面积或具有可以与吸附质形成化学键的基团。化学沉淀法是把可溶性化学药剂投加到含氟废水中，从而使之与离子态无机污染物发生反应，形成不溶于或难溶于水的氟化物沉淀，达到降低水中氟含量的目的。混凝沉淀法和化学沉淀法是两种常用的沉淀方法，也是使用较多的除氟方法。离子交换法的原理是利用离子交换树脂从溶液中选择性地去除废水中的污染物，在去除目标离子的同时，为保持溶液电中性，也释放出等价离子到溶液中。离子交换法除氟是将离子交换树脂中的阴离子与水中的f-交换，从而达到降低水中f-的目的。膜处理法除氟是利用特殊薄膜上的许多微小的孔，根据混合物粒径的大小，选择性地透过液体中的f-。膜处理法主要包括反渗透、电渗析、超滤和纳滤等，是一种较为友好的分离技术。然而，这些方法无一例外地存在操作不便、占地面积大、成本高、易造成二次污染等问题，这也意味着这些方法在实际应用中存在很大缺陷和障碍。
2、电容式去离子(cdi)是一种通过在成对电极之间施加低电位电压的电吸附过程去除离子污染物的技术。吸附时，这种电压会使溶液中的离子定向迁移到电极上，并储存在双电层中。解吸时，向电极施加零电压或反向电压，将积累的离子释放回溶液中，这一过程完成了系统的再生。cdi技术具有能耗低、再生能力强、无二次污染、规模灵活等优点。不过，传统的cdi技术也存在一些缺点，吸附能力低、吸附速度慢是其主要问题。例如，电容较低的商用活性炭的对氟离子电吸附能力较差。同样，碳化气凝胶和生物质炭等碳基材料的氟离子电吸附容量也难以超过0.5mmol/g。总体来说，用于除氟的cdi电极的研究和开发较少，因此，开发可提高电吸附性能的新型碳基除氟材料仍是cdi领域的一项重大挑战。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种处理氟废水的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料、电容去离子电极的制备与应用，通过将锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料应用于电容去离子电极，在含氟废水中表现出对氟离子的大容量、快速率吸附。
2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
3、本发明第一方面提供一种处理氟废水的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料，所述锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料具有分层疏松可控的介孔结构，丰富的活性位点和典型法拉第赝电容效应带来的优异比电容；粒径大小均匀，几何微卷曲形状规则；锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料电极在含氟废水中表现出极佳的氟离子吸附能力，具体表现为吸附速率快和吸附容量大。
4、本发明第二方面提供一种所述锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料的制备方法，包括：
5、(1)在25℃下，将均苯四甲酸和三聚氰胺溶解在蒸馏水中，搅拌8-12小时，将所得溶液在100-120℃鼓风干燥箱中半密封20-25小时，然后将干燥箱温度提高8-12℃，持续6-10小时，最后将所得半固体完全干燥，得到前驱体；
6、(2)将前驱体送入管式炉，在氮气环境中以2-5℃/min的升温速率加热至800-1000℃1-3小时后，用去离子水洗涤、干燥，即可得到碳基骨架，将碳基骨架分散在乙醇中，然后加入硝酸锑，随后立即搅拌1-2小时，得到混合物；
7、(3)将所得混合物转移到特氟隆高压反应釜中，130-150℃反应10-14小时，然后分别用蒸馏水和乙醇洗样，干燥，得到锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料。
8、进一步地，所述均苯四甲酸、三聚氰胺的质量比为1.2～1.8：0.8～1.2。
9、进一步地，所述三聚氰胺的质量与蒸馏水的体积用量为1.2-1.8g：90-110ml。
10、进一步地，所述碳基骨架的质量与乙醇的体积用量为0.8-1.2g：150-250ml。
11、进一步地，所述硝酸锑、碳基骨架的质量比为0.8～1.2：0.1～0.3。
12、本发明第三方面提供一种所述的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料制备的电容去离子电极，制备方法包括：分别以80％，10％，10％的含量将锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料、导电炭黑和聚四氟乙烯研磨混合，并使用超声波超声8-12min以获得浆料，将浆料均匀地滴落并涂布在石墨纸上，然后在75-85℃下干燥3-5h，最后制成电容去离子电极。
13、本发明第四方面提供一种使用所述电容去离子电极制备电容去离子装置的方法，使用电容去离子电极作为阳极捕获氟离子，以80％，10％，10％的含量将羧基活性炭、导电炭黑和聚四氟乙烯研磨混合，并使用超声波超声8-12min以获得浆料，将浆料均匀地滴落并涂布在石墨纸上，然后在75-85℃下干燥3-5h，最后制成阴极，阳极和阴极共同组成电容去离子装置。
14、本发明第五方面提供一种所述电容去离子装置在处理氟废水中的应用，将氟废水添加到cdi反应器中，电容去离子装置施加1.0-1.4v的电压，进行电吸附，吸附时间为55-70min；吸附完成后，将施加电压转变为-1.0-1.4v，脱附时间为55-70min，并将脱附完成的电极浸泡在去离子水中备用。
15、进一步地，所述氟废水为氟化钠溶液。
16、进一步地，吸附实验中，每15分钟收集一次样品，每次取0.5ml溶液。
17、本发明使用自组装法实现了结构有序的涡轮层状碳基材料的合成，并将锑-氮双元素掺杂到碳基材料中，制备出疏松多孔有利于进行快速离子扩散的介孔通道的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料。
18、以均苯四甲酸和三聚氰胺合成的超分子作为前驱体，将前驱体热解得到涡轮层状碳基材料，并将锑-氮双元素掺杂到材料中，制备出锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料。制备出的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料是一种粒径大小均匀，几何微卷曲形状规则的碳基材料，表现出良好的扩散性和分散性，锑-氮共掺杂提升了材料整体的稳定性，加速碳基材料内部的电子传输速率。此外，本发明在作cdi电极的阳极时，表现出明显的法拉第赝电容效应，使得cdi电极形成超级电容器，提高了其比电容，增强了电吸附性能。
19、在50mg/l的氟化钠溶液中，在1.2v的电压下，使用锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料作为电极阳极的cdi系统表现出了1.82mmol/g的出色氟离子吸附容量。
20、为了验证上述独特的结构工程设计，对本发明的电极材料进行了sem表征，从微观结构上证明了结构的可行性、合成的有效性及化学成分的真实存在。此外，在具有不同反应条件的对照实验中，电吸附行为受到ph和干扰离子等因素的影响，条件实验为分析电极去除氟离子能力提供了大量的数据，流体动力学模拟为分析溶质分布与传质过程提供了理论依据，从而可以进一步探究涡轮层状碳基材料的电吸附机理。此外，所发明的电极材料的循环稳定性也被研究，并被证明具有良好的循环稳定性。
21、本发明的优点和积极效果是：
22、(1)本发明制备的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料，具有分层疏松可控的介孔结构，丰富的活性位点和典型法拉第赝电容效应带来的优异比电容；
23、(2)本发明制备的基于锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料的电容去离子电极，应用于对污废水中氟离子的高效吸附。该电容去离子电极表现出明显的法拉第赝电容效应，在含氟废水中表现出对氟离子的大容量、快速率吸附，并且实现了较好的氟离子选择性。
1.一种处理氟离子废水的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料，其特征在于，所述锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料具有分层疏松可控的介孔结构，丰富的活性位点，粒径大小均匀，几何微卷曲形状规则。
2.根据权利要求1所述的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料的制备方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述均苯四甲酸、三聚氰胺的质量比为1.2～1.8：0.8～1.2。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三聚氰胺的质量与蒸馏水的体积用量为1.2-1.8g：90-110ml。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳基骨架的质量与乙醇的体积用量为0.8-1.2g：150-250ml。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸锑、碳基骨架的质量比为0.8～1.2：0.1～0.3。
7.根据权利要求1或权利要求2-6任一项所述的制备方法制备的锑-氮共掺杂涡轮层状碳基材料的电容去离子电极，其特征在于，制备方法如下：
8.一种使用权利要求7所述的电容去离子电极制备电容去离子装置的方法，其特征在于，包括：采用非对称电极，使用电容去离子电极作为阳极捕获氟离子，以80％，10％，10％的含量将羧基活性炭、导电炭黑和聚四氟乙烯研磨混合，并使用超声波超声8-12min以获得浆料，将浆料均匀地滴落并涂布在石墨纸上，然后在75-85℃干燥3-5h，制备阴极，阳极和阴极共同组成电容去离子装置。
9.根据权利要求8所述的电容去离子装置在处理氟废水中的应用，其特征在于，将氟废水添加到cdi反应器中，电容去离子装置施加1.0-1.4v的电压，进行电吸附，吸附时间为55-70min；吸附完成后，将施加电压转变为-1.0-1.4v，脱附时间为55-70min，并将脱附完成的电极浸泡在去离子水中备用。
