Dosiahli sa nové úspechy v oblasti trvalo udržateľnej technológie na obnovu amoniaku z nemembránovej elektrochemickej odpadovej vody

V mnohých priemyselných výrobných činnostiach, ako je galvanické pokovovanie a fotovoltaika, vzniká veľké množstvo odpadových vôd bohatých na dusičnany. Tradičné spôsoby úpravy dusičnanovej odpadovej vody, ako je kryštalizácia z odparovania a úprava skládok, majú vo všeobecnosti nevýhody, ako je vysoká spotreba energie, nízka účinnosť a náchylnosť k sekundárnemu znečisteniu.

Zároveň sa celosvetový dopyt po čpavku neustále zvyšuje. Ako hnojivo, chemická surovina a nosič energie hrá čpavok kľúčovú úlohu v poľnohospodárstve aj v priemysle.

V tejto súvislosti je mimoriadne dôležité a naliehavé vyvinúť udržateľnú technológiu, ktorá dokáže správne čistiť dusičnanové odpadové vody a účinne regenerovať amoniak.

V Nature Sustainability bol publikovaný výsledok výskumu o „obnovení amoniaku z odpadovej vody bohatej na dusičnany pomocou bezmembránového elektrochemického systému“.

Táto štúdia navrhuje vysoko inovatívny bezmembránový elektrochemický systém (ECSN), ktorý poskytuje nový prístup a metódu na riešenie problémov čistenia dusičnanových odpadových vôd a regenerácie amoniaku.

Systém do neho šikovne integruje technológiu elektrokatalytickej redukcie dusičnanov (ENRR), čím sa úspešne dosahuje konverzia dusičnanov v odpadových vodách na vysoko čistý chlorid amónny prostredníctvom špecifických elektródových reakcií a návrhu procesu a dosahuje sa synchrónna redukcia dusičnanov a regenerácia amoniaku.

Jednou zo základných súčastí systému je medenoniklová (MPCN) pracovná elektróda zdobená kovovým sklom pripravená pomocou technológie 3D tlače. Tento proces prípravy elektródy je jedinečný a využíva technológiu selektívneho laserového tavenia na vytvorenie elektródových štruktúr vrstvu po vrstve.

Má vynikajúce vlastnosti vo viacerých smeroch. Zo štrukturálneho hľadiska možno prostredníctvom rekonštrukcie röntgenovej počítačovej tomografie odvodiť, že má vhodnú pórovitosť a starostlivo navrhnuté dráhy elektrolytov, ktoré vedú k transportu reaktantov a úplnému priebehu reakcií.

Čo sa týka materiálových vlastností, röntgenové difrakčné obrazce a výsledky Rietveldovho spresnenia naznačujú, že má dobrú kryštalickú štruktúru, zatiaľ čo snímky z transmisnej elektrónovej mikroskopie s vysokým rozlíšením ukazujú, že jadro elektródy má štruktúru zliatiny medi a niklu s vrstvou amorfného kovu. sklo pokrývajúce povrch.

Vznik tejto amorfnej vrstvy úzko súvisí s rozložením teplôt na povrchu a vnútorných plochách počas procesu 3D tlače. Relatívne nízka rýchlosť ochladzovania na povrchu podporuje tvorbu amorfných štruktúr a táto amorfná vrstva dodáva elektróde vynikajúcu odolnosť proti korózii, čo jej umožňuje stabilne pracovať v zložitých prostrediach odpadových vôd.

Okrem toho systém ECSN integruje aj UV asistovanú peelingovú jednotku. Táto jednotka zohráva kľúčovú úlohu v elektrochemickom procese. V tradičných elektrochemických systémoch je amoniak náchylný na sekundárne oxidačné reakcie na anóde, čo vedie k zníženiu rýchlosti regenerácie amoniaku.

UV asistovaná stripovacia jednotka môže účinne potlačiť oxidáciu amoniaku na anóde. Pôsobením svetelného žiarenia sa mení chemická rovnováha a reakčná kinetika v reakčnom systéme, čo umožňuje účinnejšie odstraňovanie amoniaku z reakčného systému a jeho regeneráciu, čím sa výrazne zlepšuje účinnosť regenerácie amoniaku celého systému.

Elektródy MPCN vykazujú vynikajúci výkon v bezmembránových elektrochemických systémoch. V procese elektrokatalytickej reakcie redukcie dusičnanov (ENRR) bola jeho výkonnosť dôkladne analyzovaná pomocou série experimentálnych metód.

Experimenty infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (FTIR) pri rôznych potenciáloch ukázali, že elektróda MPCN má dobrú adsorpčnú kapacitu pre NO ∝⁻ a môže účinne podporovať tvorbu medziproduktov počas reakčného procesu.

Online záznam diferenciálnej elektrochemickej hmotnostnej spektrometrie (DEMS) jasne zobrazuje tvorbu NO, NO ₂ a NH3 počas reakčného procesu a z týchto údajov možno presne sledovať reakčný proces a cestu premeny látky.

Ďalší výskum objasnil podrobné reakčné kroky z NO ∝⁻ na NH ∝ výpočtom dráhy voľnej energie ENRR a určil, že konverzia NO na NOH je krokom riadenia rýchlosti celej reakcie. Tento objav poskytuje mimoriadne dôležitý teoretický základ pre ďalšiu optimalizáciu výkonu elektród a reakčných podmienok v budúcnosti.

Za podmienok {{0}} 0,5 V je rýchlosť generovania NH3-dusíka na elektróde MPCN až 0,94 mmol h ⁻¹ cm ⁻ ² a Faradayova účinnosť presahuje 93 % . Tieto údaje plne demonštrujú účinný katalytický výkon elektródy MPCN v reakcii ENRR, ktorá dokáže rýchlo a selektívne premeniť dusičnany na amoniak.

Elektródy MPCN navyše vykazujú vynikajúcu elektrochemickú stabilitu, ktorá je schopná nepretržitej a stabilnej prevádzky viac ako 1000 hodín pri priemyselnej prúdovej hustote 200 mA cm².

Tento výsledok testu dlhodobej stability sa uskutočnil v skutočnej odpadovej vode bohatej na dusičnany. Porovnaním s inými elektródami, ako je Cu pena, Ni pena, MFCN atď., sa hodnotenie uskutočnilo z optického obrazu pred a po reakcii, porovnanie Ramanovho spektra, ako aj zmena hustoty náboja po adsorpcii NO ₂ ⁻, čo ďalej zdôraznilo nadradenosť a spoľahlivosť elektródy MPCN v scenári skutočnej aplikácie.

Systém ECSN preukázal silný aplikačný potenciál a významné čistiace účinky pri čistení skutočných odpadových vôd z galvanického pokovovania. V experimente úpravy skutočnej galvanickej odpadovej vody systém úspešne premenil viac ako 70 % dusičnanov na vysoko čistý chlorid amónny. Dosiahnutie tohto výsledku je spôsobené synergickým účinkom rôznych zložiek v systéme a starostlivo optimalizovanými reakčnými podmienkami.

Z hľadiska celkového návrhu systému zahŕňa racionálnu montáž MPCN a IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti elektród, špeciálne navrhnutý prietokový elektrolytický článok a jednotku na stripovanie amoniaku. Vedľajšia reakčná dráha konverzie amoniaku na dusík počas reakčného procesu je jedným z kľúčových faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť získavania amoniaku.

Systém ECSN účinne potláča reakciu oxidácie amoniaku (AOR) prostredníctvom svetelného žiarenia. Z experimentálnych údajov je jasne vidieť, že existujú významné rozdiely v účinnosti odstraňovania celkového organického uhlíka (TOC) a selektivite konverzie NO ∝⁻ na NH3 v podmienkach svetelného žiarenia. Svetelné žiarenie výrazne zlepšuje rýchlosť regenerácie NH3.

V prietokovom elektrolytickom článku monitorovanie potenciálnej zmeny IrO2 - Ta205/Ti anódy v priebehu času odhalilo, že proces stripovania amoniaku účinne potlačil AOR, čím sa zabezpečilo efektívnejšie získavanie amoniaku.

V porovnaní s tradičnými ponornými batériami vykazuje systém ECSN tiež významné výhody v účinnosti odstraňovania NO ∝⁻. Jeho jedinečný dizajn prietokového poľa a elektrického poľa, ako aj synergický efekt medzi rôznymi zložkami, umožňujú rýchlejšie a dôkladnejšie zníženie a premenu dusičnanov, čím sa výrazne zlepší účinnosť a kvalita čistenia odpadových vôd, zníži sa čas a náklady na čistenie a poskytne sa efektívne a realizovateľné riešenie čistenia odpadových vôd v súčasnej priemyselnej výrobe.

Technická a ekonomická analýza, ako aj analýza životného cyklu systému ECSN naznačujú, že má významnú realizovateľnosť a výhody z hľadiska ekonomiky a životného prostredia.

Z hľadiska technickej a ekonomickej analýzy v porovnaní s tradičnou metódou čistenia EC SL systém ECSN výrazne znižuje náklady na čistenie NO ∝⁻ odpadových vôd na meter kubický. Pripisuje sa to hlavne jeho efektívnemu reakčnému procesu, nižšej spotrebe energie a relatívne jednoduchej štruktúre systému.

Pokiaľ ide o materiálové náklady, aj keď je proces prípravy elektród MPCN pre 3D tlač pomerne zložitý, jeho vynikajúci výkon a dlhodobá stabilita znižujú frekvenciu výmeny elektród a náklady na údržbu. Z dlhodobého hľadiska to znižuje celkové náklady na materiál. Pokiaľ ide o prevádzkové náklady, vysoká miera konverzie a selektivita systému znižujú spotrebu energie a používanie chemických činidiel, čím sa ďalej znižujú prevádzkové náklady.

V skutočnej prevádzke zvýšenie rýchlosti získavania amoniaku znižuje náklady na následné spracovanie amoniaku a ekonomické straty spôsobené stratou amoniaku.

Z hľadiska hodnotenia životného cyklu (LCA) systémy ECSN preukázali významné výhody vo viacerých kategóriách vplyvu na životné prostredie. Čo sa týka emisií skleníkových plynov, v porovnaní s tradičnými metódami úpravy sa jeho emisie výrazne znížili. Systém totiž počas prevádzky spotrebuje menej energie a zabráni emisiám skleníkových plynov spôsobených chemickými reakciami v niektorých tradičných procesoch úpravy.

Z hľadiska suchozemskej a vodnej toxicity boli pozorované významné zníženia v dôsledku zníženia sekundárneho znečistenia a efektívnej úpravy a transformácie škodlivých látok. Napríklad premenou dusičnanov na chlorid amónny sa zabráni hromadeniu dusičnanov v životnom prostredí a znečisteniu pôdy a vodných útvarov. Chlorid amónny je zároveň možné recyklovať ako cennú chemickú surovinu, čím sa ešte viac zvýši prínos celého systému pre životné prostredie.

Z pohľadu materiálového toku recyklácie NO ∝⁻ a produkcie NH ∝ na celom svete má systém ECSN významný aplikačný potenciál v globálnom cykle dusíka. Dokáže efektívne premieňať odpadové zdroje dusičnanov na užitočné zdroje amoniaku, podporovať recykláciu zdrojov dusíka, znižovať využívanie a závislosť od nových zdrojov dusíka a zohrávať pozitívnu úlohu pri podpore trvalo udržateľného rozvoja globálneho cyklu dusíka.