Der er opnået nye resultater inden for bæredygtig teknologi til ammoniakgenvinding fra ikke-membran elektrokemisk spildevand

I mange industrielle produktionsaktiviteter, såsom galvanisering og solcelleanlæg, genereres en stor mængde nitratrigt spildevand. Traditionelle metoder til behandling af nitratspildevand, såsom fordampningskrystallisation og behandling af lossepladser, har generelt ulemper såsom højt energiforbrug, lav effektivitet og modtagelighed for sekundær forurening.

Samtidig er den globale efterspørgsel efter ammoniak konstant stigende. Som gødning, kemisk råvare og energibærer spiller ammoniak en afgørende rolle i både landbrug og industri.

I denne sammenhæng er det særligt afgørende og presserende at udvikle en bæredygtig teknologi, der kan behandle nitratspildevand korrekt og effektivt genvinde ammoniak.

Et forskningsresultat om "genvinding af ammoniak fra nitratrigt spildevand ved hjælp af et membranfrit elektrokemisk system" er blevet offentliggjort i Nature Sustainability.

Denne undersøgelse foreslår et yderst innovativt membranfrit elektrokemisk system (ECSN), som giver en ny tilgang og metode til at løse problemerne med nitratspildevandsbehandling og ammoniakgenvinding.

Systemet integrerer intelligent den elektrokatalytiske reduktion af nitrat (ENRR) teknologi i det, hvilket med succes opnår omdannelsen af ​​nitrat i spildevand til højrent ammoniumchlorid gennem specifikke elektrodereaktioner og procesdesign, og opnår synkron nitratreduktion og ammoniakgenvinding.

En af kernekomponenterne i systemet er kobbernikkel (MPCN) arbejdselektrode dekoreret med metallisk glas fremstillet ved hjælp af 3D-printteknologi. Denne elektrodeforberedelsesproces er unik ved at bruge selektiv lasersmelteteknologi til at konstruere elektrodestrukturer lag for lag.

Det har fremragende egenskaber i flere aspekter. Fra et strukturelt perspektiv kan det udledes gennem rekonstruktion af røntgencomputertomografi, at det har passende porøsitet og omhyggeligt designede elektrolytveje, som er befordrende for transporten af ​​reaktanter og det fulde forløb af reaktioner.

Med hensyn til materialeegenskaber indikerer røntgendiffraktionsmønstre og Rietveld-forfiningsresultater, at den har en god krystallinsk struktur, mens højopløselige transmissionselektronmikroskopibilleder viser, at elektrodekernen er en kobbernikkellegeringsstruktur med et lag af amorf metallisk glas, der dækker overfladen.

Dannelsen af ​​dette amorfe lag er tæt forbundet med temperaturfordelingen af ​​overfladen og de indre områder under 3D-printprocessen. Den relativt lave afkølingshastighed på overfladen fremmer dannelsen af ​​amorfe strukturer, og dette amorfe lag giver elektroden fremragende korrosionsbestandighed, hvilket gør den i stand til at arbejde stabilt i komplekse spildevandsmiljøer.

Derudover integrerer ECSN-systemet også en UV-assisteret skrælningsenhed. Denne enhed spiller en afgørende rolle i den elektrokemiske proces. I traditionelle elektrokemiske systemer er ammoniak tilbøjelig til at gennemgå sekundære oxidationsreaktioner ved anoden, hvilket resulterer i et fald i ammoniakgenvindingshastigheden.

Den UV-assisterede stripningsenhed kan effektivt undertrykke oxidationen af ​​ammoniak ved anoden. Gennem virkningen af ​​lysstråling ændres den kemiske ligevægt og reaktionskinetik i reaktionssystemet, hvilket gør det muligt at fjerne ammoniak mere effektivt fra reaktionssystemet og genvinde, hvorved ammoniakgenvindingseffektiviteten i hele systemet forbedres væsentligt.

MPCN-elektroder udviser fremragende ydeevne i membranfri elektrokemiske systemer. I den elektrokatalytiske nitratreduktionsreaktion (ENRR)-processen blev dens ydeevne grundigt analyseret gennem en række eksperimentelle metoder.

Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) eksperimenter ved forskellige potentialer viste, at MPCN elektroden har god adsorptionskapacitet for NO ∝⁻ og effektivt kan fremme dannelsen af ​​mellemprodukter under reaktionsprocessen.

Online differentiel elektrokemisk massespektrometri (DEMS)-registrering viser tydeligt dannelsen af ​​NO, NO ₂ og NH3 under reaktionsprocessen, og ud fra disse data kan reaktionsprocessen og stofomdannelsesvejen spores nøjagtigt.

Yderligere forskning har klarlagt de detaljerede reaktionstrin fra NO ∝⁻ til NH ∝ ved at beregne ENRR-fri energivejen og fastslået, at omdannelsen af ​​NO til NOH er det hastighedskontrollerende trin i hele reaktionen. Denne opdagelse giver et ekstremt vigtigt teoretisk grundlag for yderligere at optimere elektrodeydelse og reaktionsbetingelser i fremtiden.

Under tilstanden {{0}},5 V er NH3-nitrogengenereringshastigheden for MPCN-elektrode så høj som 0,94 mmol h ⁻¹ cm ⁻ ², og Faraday-effektiviteten overstiger 93 % . Disse data demonstrerer fuldt ud den effektive katalytiske ydeevne af MPCN-elektrode i ENRR-reaktion, som hurtigt og selektivt kan omdanne nitrat til ammoniak.

Desuden udviser MPCN-elektroder enestående elektrokemisk stabilitet, der er i stand til kontinuerlig og stabil drift i over 1000 timer ved en industriel strømtæthed på 200 mA cm ².

Dette langtidsstabilitetstestresultat blev udført i det faktiske nitratrige spildevand. Ved at sammenligne med andre elektroder såsom Cu-skum, Ni-skum, MFCN osv., blev evalueringen udført ud fra det optiske billede før og efter reaktionen, Raman-spektrum-sammenligning, samt ladningstæthedsændringen efter adsorptionen af ​​NO ₂ ⁻, hvilket yderligere fremhævede MPCN-elektrodens overlegenhed og pålidelighed i det faktiske anvendelsesscenarie.

ECSN-systemet har vist et stærkt anvendelsespotentiale og betydelige behandlingseffekter ved behandling af faktisk galvaniseringsspildevand. I behandlingsforsøget med faktisk galvanisering af spildevand omdannede systemet med succes over 70 % nitrat til højrent ammoniumchlorid. Opnåelsen af ​​dette resultat skyldes den synergistiske effekt af forskellige komponenter i systemet og omhyggeligt optimerede reaktionsbetingelser.

Fra det overordnede systemdesigns perspektiv inkluderer det den rationelle samling af MPCN og IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti elektroder, en specielt designet gennemstrømningselektrolysecelle og en enhed til ammoniakstripping. Sidereaktionsvejen for ammoniak-omdannelse til nitrogen under reaktionsprocessen er en af ​​nøglefaktorerne, der påvirker ammoniakgenvindingshastigheden.

ECSN-systemet undertrykker effektivt ammoniakoxidationsreaktionen (AOR) gennem lysstråling. Fra de eksperimentelle data kan det tydeligt ses, at der er signifikante forskelle i fjernelseseffektiviteten af ​​totalt organisk kulstof (TOC) og selektiviteten af ​​NO ∝⁻ til NH3-omdannelse under lysstrålingsbetingelser. Lysstråling forbedrer genvindingsgraden af ​​NH3 markant.

I en elektrolytisk gennemstrømningscelle afslørede overvågning af den potentielle variation af IrO ₂ - Ta ₂ O 5/Ti-anoden over tid, at ammoniakstrippingsprocessen effektivt undertrykte AOR, hvilket sikrede en mere effektiv genvinding af ammoniak.

Sammenlignet med traditionelle nedsænkningsbatterier viser ECSN-systemet også betydelige fordele med hensyn til NO ∝⁻-fjernelseseffektivitet. Dets unikke flowfelt- og elektriske feltdesign samt den synergistiske effekt mellem forskellige komponenter gør det muligt at reducere og omdanne nitrat hurtigere og mere grundigt, hvilket i høj grad forbedrer effektiviteten og kvaliteten af ​​spildevandsbehandlingen, reducerer behandlingstid og -omkostninger og giver en effektiv og gennemførlig løsning til spildevandsrensning i egentlig industriproduktion.

Den tekniske og økonomiske analyse samt livscyklusanalyse af ECSN-systemet indikerer, at det har betydelige gennemførlighed og fordele med hensyn til økonomi og miljø.

Med hensyn til teknisk og økonomisk analyse, sammenlignet med den traditionelle EC SL-behandlingsmetode, reducerer ECSN-systemet betydeligt omkostningerne ved behandling af NO ∝⁻ spildevand pr. kubikmeter. Dette tilskrives hovedsageligt dens effektive reaktionsproces, lavere energiforbrug og relativt enkle systemstruktur.

Med hensyn til materialeomkostninger, selvom forberedelsesprocessen for MPCN-elektroder til 3D-udskrivning er relativt kompleks, reducerer dens fremragende ydeevne og langsigtede stabilitet hyppigheden af ​​elektrodeudskiftning og vedligeholdelsesomkostninger. I det lange løb sænker det de samlede materialeomkostningsinvesteringer. Med hensyn til driftsomkostninger reducerer systemets høje konverteringsrate og selektivitet energiforbruget og brugen af ​​kemiske reagenser, hvilket yderligere reducerer driftsomkostningerne.

I faktisk drift reducerer stigningen i ammoniakgenvindingsgraden omkostningerne ved efterfølgende ammoniakbehandling og de økonomiske tab forårsaget af ammoniaktab.

Fra et perspektiv af livscyklusvurdering (LCA) har ECSN-systemer vist betydelige fordele i flere miljøpåvirkningskategorier. Med hensyn til drivhusgasemissioner, sammenlignet med traditionelle behandlingsmetoder, er dens emissioner blevet betydeligt reduceret. Dette skyldes, at systemet bruger mindre energi under drift og undgår drivhusgasemissioner forårsaget af kemiske reaktioner i nogle traditionelle behandlingsprocesser.

Med hensyn til terrestrisk og akvatisk toksicitet er der observeret betydelige reduktioner på grund af reduktionen af ​​sekundær forurening og effektiv behandling og omdannelse af skadelige stoffer. Ved for eksempel at omdanne nitrat til ammoniumchlorid undgås ophobning af nitrat i miljøet og forurening af jord og vandområder. Samtidig kan ammoniumchlorid også genanvendes som et værdifuldt kemisk råmateriale, hvilket yderligere øger de miljømæssige fordele ved hele systemet.

Fra perspektivet af materialestrømmen af ​​NO ∝⁻ genanvendelse og NH ∝ produktion på verdensplan, har ECSN systemet et vigtigt anvendelsespotentiale i det globale nitrogenkredsløb. Det kan effektivt omdanne affaldsnitratressourcer til nyttige ammoniakressourcer, fremme genanvendelse af nitrogenressourcer, reducere udnyttelsen og afhængigheden af ​​nye nitrogenkilder og spille en positiv rolle i at fremme den bæredygtige udvikling af det globale nitrogenkredsløb.