EES：电渗析+硝酸根还原，从废水中分布式生产氨！
文摘
2024-10-19 10:24
中国香港
含有稀薄活性氮 (Nr) 的未充分利用废水有助于重新平衡氮循环。本研究描述了电渗析和硝酸盐还原 (EDNR)，这是一种反应性电化学分离结构，结合了催化和分离，可修复硝酸盐和铵污染废水，同时回收氨。1. 通过设计操作参数（例如背景电解质、施加电位、电解质流速），作者在模拟和真实废水中实现了 Nr 的高回收率和转化率。EDNR 工艺表现出长期稳定性和浓缩性，可从含有 8.2 mM Nr 的农业径流中回收 >100 mM 铵肥溶液。2. 据作者所知，EDNR 是第一个报道的修复稀薄真实废水并从多种 Nr 污染物中回收氨的工艺，其能耗（模拟废水中每千克 NH3-N 245 MJ，农业径流中每千克 NH3-N 920 MJ）与最先进的工艺相当。 3. EDNR 首先在概念验证中得到展示，并按照技术就绪水平 (TRL) 4-5 进行设计，在分布式废水处理和可持续氨制造方面显示出巨大的前景。本研究表明，EDNR 是一种高度可调且稳定的反应分离工艺，可从稀薄的 Nr 污染废水中回收和合成 NH3。作者发现，通过电化学分离（电解质成分和施加电位）设计 NR 反应环境对于改善电催化 NH3 合成起着至关重要的作用。在废水原料中，NH4+ 迁移数在很大程度上决定了 NH3 回收效率，而 NO3− 浓度以及共存阴离子身份和浓度共同影响 NH3 合成效率。由于成分复杂，本研究中测试的真实废水通常与模拟废水相比效率较低、能耗较高。EDNR 反应器使用通用电极和膜材料进行演示，可用作针对原料条件定制高性能材料的基准测试平台。开发活性更高的 NR 电极、单价选择性 CEM、NO3− 选择性 AEM 和工程策略将推动 EDNR 工艺变得更加节能并与更广泛的原料兼容。EDNR 是这里展示的原型，它可以修复受损原料并以分布式方式增值 Nr 污染物。该工艺在传统制造业无法覆盖的场景（农场、偏远社区）和撒哈拉以南非洲等地区具有极大的可行性，这些地区无法获得集中式基础设施和原始化学投入，从而阻碍了清洁水和肥料的获取。这些规模和获取问题超出了 Nr 回收的范围，这凸显了 EDNR 作为模块化架构的潜在效用，该架构通过利用废水中其他离子污染物的反应分离和增值（例如硫化物氧化、硫酸盐还原）来实现废水精炼。通过实现分布式氨制造，EDNR 处于食品-能源-环境关系的交汇处，特别是因为它使用电力来生产氨肥料和燃料，同时减少水体排放、循环氮循环并为子孙后代维持化学制造。未来的努力将通过评估 EDNR 流程的技术经济可行性以及推进该流程的规模和 TRL 以适应现实情况来推进这一愿景。https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/EE/D4EE03002H
