目前,水资源短缺成为制约我国经济发展的关键因素,各种水处理技术不断出现。其中,电容去离子(CDI)技术是在水流通道的两边加以相对放置的多孔电极,充电使电极之间产生电压降,盐水中的正负离子在电场的作用下定向运动到多孔电极,离子将存储在炭材料的孔隙里并形成双电层(EDLs)。而膜电容去离子(MCDI)电池和传统CDI电池具有相似的配置,但需要在水流通道两边覆加阴阳离子交换膜。然后,脱附步骤采用电极短路,或着电压反接的方式实现高效电极再生。本论文以三维多孔炭材料与阴阳离子交换膜材料的改性制备与成膜技术相结合,实现了炭材料的大比表面积、微孔径分布和膜材料的低电阻、高效离子选择透过性,研究了碳膜复合电极微观结构与吸脱附机理与双电层电容、赝电容的关系,讨论复合电极的电化学性能和复合电极的吸附动力学行为,并设计出可实用的膜电容去离子装置。具体内容以氮掺杂层积石墨烯为新型炭材料,与三聚氰胺-间苯二酚-甲醛树脂进行化学改性和氮掺杂,通过SEM、TEM、XPS、XRD、BET、TG等测试手段,对多孔炭的形貌、结晶程度、比表面积以及孔径分布等进行研究,调整表面活性基团和孔隙结构,还原提高导电性,然后结合恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗等电化学分析测试方法,研究多孔炭的电化学性能与电吸附性质：氮掺杂层积石墨烯GN2.5%表现出最优的电化学性质,高电容(245 Fg-1)、低电阻(0.26Ω cm-2),2000次循环电容保持率为96.6%；以季铵化聚乙烯醇(QPVA)与戊二醛(GA)交联制备阴离子膜(QPVA),全氟磺酸树脂制备阳离子膜(PFSA),以多孔活性炭组装成炭电极,研究了原位刮膜与机械压膜区别,进一步探讨膜结构和官能团、交联剂用量、成膜厚度等因素对离子交换容量、膜碳电阻、吸附容量影响：MCDI-P-0.8是最优装配方式,最大吸附容量15.6 mg g-1。最后,我们制备基于GN炭材料膜碳复合电极,进行电吸附实验,研究设备参数(微观结构、比表面积、孔径分布)和操作参数(施加电压、溶液浓度、离子盐性质)对吸附的影响,阐明吸附结果与动力学机理,优化膜碳复合电极与吸附装置的配合,最终为解决淡水短缺,废水横流,稀土元素等贵金属资源浪费与土壤重金属超标等问题提供了现实性的解决之道。