水体微生物致病菌已成为水体重要污染源。 传统水体灭菌方法，无论物理灭
菌和化学灭菌法（紫外线、自由氯、臭氧灭菌等） ， 属被动式灭菌技术， 无法从
水体中彻底分离并除去致病菌， 且易产生有毒副产品， 造成二次微生物污染， 因
此需要发展新的高效快速水体除菌灭菌技术。电容脱盐技术（Capacitive
Deionization, CDI） 是基于双电层电容原理分离富集阴阳离子的脱盐技术， 具有
速度快、 能耗低、电极易再生、 设备简单、 成本低等优点， 主要应用于卤水脱盐、
海水淡化等领域。 由于水体微生物致病菌的表面负电特性， CDI 技术开始应用于
水体微生物的快速分离与净化。 然而， CDI 碳电极除菌率低、 无灭活性等问题，
成为 CDI 技术在水体除菌应用方面的制约因素， 限制其在水体除菌的应用。 因
此， 本论文以碳基多孔材料复合同步灭菌性能的电极为设计制备的创新策略， 首
先考察了碳材料孔结构对复合电极材料 CDI 电容特性与除菌灭菌性能影响，进
一步设计制备了新型具有“赝电容/双电层电容” 特性与灭杀活性的纳米结构复
合电极（C/MnO2, C/MOFs） ，考察了电极材料结构变化对 CDI 电容特性与除菌
灭菌性能（以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型菌） 的影响机制。 具体研究内容
和主要结果如下：
（1） 介孔碳及负载壳聚糖材料应用于 CDI 电容除菌研究。 以三段共聚物
P123、 正硅酸乙酯、 铁酞菁、 蔗糖、壳聚糖（CS） 等为原料，采用模板法制备
了六方有序介孔碳（HOMC） 和立方异构体有序介孔碳（COMC） ，并通过浸渍
法，将 CS 负载到 HOMC、 COMC 和无序介孔碳（DMC） ， 作为 CDI 电容除菌
阳极电极材料，考察其 CDI 电容除菌性能。 结果表明， HOMC 和 COMC 材料的
CDI 电容除菌 30min 除菌率（100%）要高于 DMC 材料的除菌率（95.12%） ；
随着壳聚糖负载量增加， COMC-CS 复合材料、 HOMC-CS 复合材料和 DMC-CS
复合材料的 CDI 电容除菌效率也增强， COMC-CS 复合材料 CDI 电容除菌 30min
碳基多孔材料结构设计及其在水体电容除菌技术中应用
II
的杀菌率由 95.12%增加为 100%， HOMC-CS 复合材料的杀菌率由 90.24%增加为
100%， DMC-CS 复合材料的杀菌率由 90.24%增加为 95.12%， 其中 COMC-CS-2
复合材料的 CDI 电容除菌性能最佳。说明 COMC-CS-2 复合材料的立方异构有序
孔结构能提升 CDI 电极材料的电吸附性并结合壳聚糖杀菌耦合作用，可破坏细
菌细胞膜和引起细胞内部发生紊乱，导致细胞破裂，实现 CDI 电极材料从水体
中快速吸附细菌并同步灭菌的效果。
（2） 竹炭负载二氧化锰材料应用于 CDI 电容除菌研究。 以竹炭、 高锰酸钾
为原料，将 MnO2 在不同温度下（70 ˚C、 90 ˚C 和 110 ˚C） 负载到竹炭， 制备相
应的碳基复合材料（BC@MnO2-70,90,110） ， 探究其 CDI 电容除菌性能。 结果
表明， 具有纳米片状结构的 BC@MnO2-90 复合材料的 CDI 电容除菌 180 min 的
杀菌率为 100%， 优于纳米颗粒状结构的 BC@MnO2-70,110 复合材料的杀菌率
（96.07%和 95.09%） 。 说明 MnO2 的赝电容特性不仅能够提升材料的电吸附性
能， 而且 MnO2 所形成的纳米片状结构能够突出其对细胞膜的物理切割作用， 使
细胞发生破裂，导致细菌死亡，实现优化 CDI 电极材料电容性能和同步杀菌的
效果。
（3） 竹炭负载 MOFs（metal-organic frameworks, MOFs） 材料应用于 CDI
电容除菌研究。 以竹炭、 氯化锆、 六水合硝酸钴、六水合硝酸锌、 对苯二甲酸、
二甲基咪唑等为原料，采用溶剂热合成法，制备了竹炭基 MOFs 复合材料
BC@UiO-66、 BC@ZIF-67 和 BC@ZIF-8， 考察其 CDI 电容除菌性能。结果表明，
BC@UiO-66 材料的电容除菌性能最优：CDI 电容除菌 120 min 杀菌率达到 100%。
BC@UiO-66 材料的 CDI 电容除菌 120 min 的杀菌率要高于 UiO-66 材料的杀菌
率（94.11%），而 BC@ZIF-67、 BC@ZIF-8、 ZIF-67 和 ZIF-8 材料 CDI 电容除
菌 180 min 的杀菌率均低于 97%。 说明 BC@UiO-66 多孔结构能够更好的发挥
MOFs 双电层电容特性提升材料的电吸附性能，同时其缓释金属离子对细胞膜的
螯合作用，影响细胞膜离子通道，使细胞破裂， 导致细菌死亡，实现 CDI 电极
摘 要
III
材料电容特性提升和同步杀菌的目的。
（4） 竹炭同时负载 UiO-66 和壳聚糖复合材料应用于 CDI 电容除菌研究。
以竹炭、氯化锆、 对苯二甲酸、壳聚糖等为原料，采用溶剂热合成法和浸渍法，
制 备 了 竹 炭 基 MOFs 材 料 BC@UiO-66 负 载 壳 聚 糖 的 复 合 材 料
（BC@UiO-66-CS-1,2,3 ） ， 测 试 其 CDI 电 容 除 菌 性 能 。 结 果 表 明 ，
BC@UiO-66-CS-2 的 CDI 电容除菌性能最佳。 BC@UiO-66-CS-2 材料的 CDI 电
容除菌 25 min 的杀菌率（100%）要高于 BC@UiO-66 和 BC@UiO-66-CS-1,3 材
料的杀菌率（99.24%） 。 说明 BC@UiO-66-CS-2 材料的缓释金属离子螯合作用
和壳聚糖的耦合协同杀菌作用，破坏了细胞膜结构和细胞内代谢紊乱，导致细胞
死亡，实现 CDI 电极快速水体同步除菌和灭菌的目的。