Nové úspěchy byly dosaženy v oblasti udržitelné technologie pro regeneraci amoniaku z nemembránové elektrochemické odpadní vody

V mnoha průmyslových výrobních činnostech, jako je galvanické pokovování a fotovoltaika, vzniká velké množství odpadních vod bohatých na dusičnany. Tradiční způsoby úpravy dusičnanových odpadních vod, jako je odpařovací krystalizace a zpracování na skládkách, mají obecně nevýhody, jako je vysoká spotřeba energie, nízká účinnost a náchylnost k sekundárnímu znečištění.

Celosvětová poptávka po čpavku přitom neustále roste. Amoniak jako hnojivo, chemická surovina a nosič energie hraje zásadní roli jak v zemědělství, tak v průmyslu.

V této souvislosti je obzvláště důležité a naléhavé vyvinout udržitelnou technologii, která dokáže řádně čistit dusičnanové odpadní vody a účinně regenerovat amoniak.

V Nature Sustainability byl publikován výsledek výzkumu o „získávání amoniaku z odpadních vod bohatých na dusičnany pomocí bezmembránového elektrochemického systému“.

Tato studie navrhuje vysoce inovativní bezmembránový elektrochemický systém (ECSN), který poskytuje nový přístup a metodu pro řešení problémů čištění dusičnanových odpadních vod a získávání amoniaku.

Systém do něj chytře integruje technologii elektrokatalytické redukce dusičnanů (ENRR), čímž úspěšně dosahuje přeměny dusičnanů v odpadní vodě na vysoce čistý chlorid amonný pomocí specifických elektrodových reakcí a návrhu procesu a dosahuje synchronní redukce dusičnanů a získávání amoniaku.

Jednou z hlavních součástí systému je měděná niklová (MPCN) pracovní elektroda zdobená kovovým sklem připraveným technologií 3D tisku. Tento proces přípravy elektrody je jedinečný, využívá technologii selektivního laserového tavení pro konstrukci elektrodových struktur vrstvu po vrstvě.

Má vynikající vlastnosti v mnoha ohledech. Ze strukturálního hlediska lze pomocí rekonstrukce rentgenové počítačové tomografie odvodit, že má vhodnou poréznost a pečlivě navržené dráhy elektrolytů, které napomáhají transportu reaktantů a plnému průběhu reakcí.

Pokud jde o materiálové vlastnosti, rentgenové difrakční obrazce a výsledky Rietveldova upřesnění naznačují, že má dobrou krystalickou strukturu, zatímco snímky z transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením ukazují, že jádro elektrody je struktura ze slitiny mědi a niklu s vrstvou amorfního kovu. sklo pokrývající povrch.

Vznik této amorfní vrstvy úzce souvisí s rozložením teplot na povrchu a vnitřních plochách během procesu 3D tisku. Relativně nízká rychlost ochlazování na povrchu podporuje tvorbu amorfních struktur a tato amorfní vrstva dodává elektrodě vynikající odolnost proti korozi, což jí umožňuje pracovat stabilně v komplexních prostředích odpadních vod.

Kromě toho systém ECSN také integruje jednotku UV asistovaného peelingu. Tato jednotka hraje klíčovou roli v elektrochemickém procesu. V tradičních elektrochemických systémech je amoniak náchylný k sekundárním oxidačním reakcím na anodě, což vede ke snížení rychlosti získávání amoniaku.

UV asistovaná stripovací jednotka může účinně potlačit oxidaci čpavku na anodě. Působením světelného záření se mění chemická rovnováha a reakční kinetika v reakčním systému, což umožňuje efektivnější stripování amoniaku z reakčního systému a jeho regeneraci, čímž se výrazně zlepšuje účinnost regenerace amoniaku celého systému.

MPCN elektrody vykazují vynikající výkon v bezmembránových elektrochemických systémech. V procesu elektrokatalytické reakce redukce dusičnanů (ENRR) byl jeho výkon důkladně analyzován řadou experimentálních metod.

Experimenty infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) při různých potenciálech ukázaly, že elektroda MPCN má dobrou adsorpční kapacitu pro NO ∝⁻ a může účinně podporovat tvorbu meziproduktů během reakčního procesu.

Online záznam diferenciální elektrochemické hmotnostní spektrometrie (DEMS) jasně zobrazuje tvorbu NO, NO 2 a NH3 během reakčního procesu a z těchto údajů lze přesně sledovat reakční proces a cestu konverze látky.

Další výzkum objasnil podrobné reakční kroky z NO ∝⁻ na NH ∝ výpočtem dráhy volné energie ENRR a určil, že přeměna NO na NOH je krokem řízení rychlosti celé reakce. Tento objev poskytuje extrémně důležitý teoretický základ pro další optimalizaci výkonu elektrody a reakčních podmínek v budoucnu.

Za podmínek {{0}},5 V je rychlost tvorby NH3-dusíku u elektrody MPCN až 0,94 mmol h ⁻¹ cm ⁻ ² a Faradayova účinnost přesahuje 93 % . Tato data plně demonstrují účinný katalytický výkon elektrody MPCN v reakci ENRR, která může rychle a selektivně přeměnit dusičnany na amoniak.

Kromě toho elektrody MPCN vykazují vynikající elektrochemickou stabilitu, schopné nepřetržitého a stabilního provozu po dobu více než 1000 hodin při průmyslové proudové hustotě 200 mA cm².

Tento výsledek testu dlouhodobé stability byl proveden ve skutečné odpadní vodě bohaté na dusičnany. Porovnáním s jinými elektrodami, jako je Cu pěna, Ni pěna, MFCN atd., bylo provedeno vyhodnocení z optického obrazu před a po reakci, srovnání Ramanova spektra a také změny hustoty náboje po adsorpci NO ₂ ⁻, což dále zdůraznilo nadřazenost a spolehlivost MPCN elektrody ve scénáři skutečné aplikace.

Systém ECSN prokázal silný aplikační potenciál a významné čistící efekty při čištění skutečných odpadních vod z galvanického pokovování. V experimentu čištění skutečné odpadní vody z galvanického pokovování systém úspěšně přeměnil přes 70 % dusičnanů na vysoce čistý chlorid amonný. Dosažení tohoto výsledku je dáno synergickým efektem různých složek v systému a pečlivě optimalizovanými reakčními podmínkami.

Z hlediska celkového návrhu systému zahrnuje racionální montáž elektrod MPCN a IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti, speciálně navržený průtokový elektrolytický článek a jednotku pro stripování čpavku. Vedlejší reakční dráha přeměny amoniaku na dusík během reakčního procesu je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících rychlost získávání amoniaku.

Systém ECSN účinně potlačuje reakci oxidace amoniaku (AOR) prostřednictvím světelného záření. Z experimentálních dat je jasně vidět, že existují významné rozdíly v účinnosti odstraňování celkového organického uhlíku (TOC) a selektivitě konverze NO ∝⁻ na NH3 za podmínek světelného záření. Světelné záření výrazně zlepšuje regeneraci NH3.

V průtokovém elektrolytickém článku sledování potenciálních změn IrO 2 - Ta 2 O 5/Ti anody v průběhu času odhalilo, že proces stripování čpavku účinně potlačil AOR a zajistil účinnější regeneraci čpavku.

Ve srovnání s tradičními ponornými bateriemi vykazuje systém ECSN také významné výhody v účinnosti odstraňování NO ∝⁻. Jeho jedinečná konstrukce proudového pole a elektrického pole, stejně jako synergický efekt mezi různými složkami, umožňují rychlejší a důkladnější snížení a přeměnu dusičnanů, což výrazně zlepšuje účinnost a kvalitu čištění odpadních vod, zkracuje dobu a náklady na čištění a poskytuje efektivní a proveditelné řešení pro čištění odpadních vod ve skutečné průmyslové výrobě.

Technická a ekonomická analýza i analýza životního cyklu systému ECSN ukazují, že má významnou proveditelnost a výhody z hlediska ekonomiky a životního prostředí.

Z hlediska technické a ekonomické analýzy oproti tradiční metodě čištění EC SL systém ECSN výrazně snižuje náklady na čištění odpadních vod NO ∝⁻ na metr krychlový. To je přičítáno především jeho efektivnímu reakčnímu procesu, nižší spotřebě energie a relativně jednoduché struktuře systému.

Pokud jde o materiálové náklady, přestože je proces přípravy elektrod MPCN pro 3D tisk poměrně složitý, jeho vynikající výkon a dlouhodobá stabilita snižují četnost výměn elektrod a náklady na údržbu. Z dlouhodobého hlediska snižuje celkové náklady na materiál. Pokud jde o provozní náklady, vysoký konverzní poměr a selektivita systému snižují spotřebu energie a použití chemických činidel a dále snižují provozní náklady.

Ve skutečném provozu snižuje zvýšení rychlosti zpětného získávání čpavku náklady na následné zpracování čpavku a ekonomické ztráty způsobené ztrátou čpavku.

Z hlediska hodnocení životního cyklu (LCA) systémy ECSN prokázaly významné výhody ve více kategoriích dopadů na životní prostředí. Pokud jde o emise skleníkových plynů, ve srovnání s tradičními metodami čištění se jeho emise výrazně snížily. Systém totiž během provozu spotřebovává méně energie a zabraňuje emisím skleníkových plynů způsobeným chemickými reakcemi v některých tradičních procesech čištění.

Pokud jde o suchozemskou a vodní toxicitu, byla pozorována významná snížení díky snížení sekundárního znečištění a účinnému zpracování a přeměně škodlivých látek. Například přeměnou dusičnanů na chlorid amonný se zabrání hromadění dusičnanů v životním prostředí a znečištění půdy a vodních útvarů. Chlorid amonný lze zároveň recyklovat jako cennou chemickou surovinu, což dále zvyšuje přínos celého systému pro životní prostředí.

Z hlediska materiálového toku recyklace NO ∝⁻ a produkce NH ∝ na celém světě má systém ECSN významný aplikační potenciál v globálním cyklu dusíku. Může účinně přeměnit odpadní zdroje dusičnanů na užitečné zdroje amoniaku, podporovat recyklaci zdrojů dusíku, snížit těžbu a závislost na nových zdrojích dusíku a hrát pozitivní roli při podpoře udržitelného rozvoje globálního cyklu dusíku.