Pencapaian Baru Telah Dibuat dalam Teknologi Mampan Untuk Pemulihan Ammonia Daripada Air Sisa Elektrokimia Bukan Membran

Dalam banyak aktiviti pengeluaran perindustrian, seperti penyaduran elektrik dan fotovoltaik, sejumlah besar air sisa yang kaya dengan nitrat dihasilkan. Kaedah tradisional untuk merawat air sisa nitrat, seperti penghabluran sejatan dan rawatan tapak pelupusan, secara amnya mempunyai kelemahan seperti penggunaan tenaga yang tinggi, kecekapan rendah, dan mudah terdedah kepada pencemaran sekunder.

Pada masa yang sama, permintaan global untuk ammonia sentiasa meningkat. Sebagai baja, bahan mentah kimia dan pembawa tenaga, ammonia memainkan peranan penting dalam kedua-dua pertanian dan industri.

Dalam konteks ini, amat penting dan mendesak untuk membangunkan teknologi mampan yang boleh merawat air sisa nitrat dengan betul dan memulihkan ammonia dengan cekap.

Hasil penyelidikan tentang "memulihkan ammonia daripada air sisa kaya nitrat menggunakan sistem elektrokimia bebas membran" telah diterbitkan dalam Nature Sustainability.

Kajian ini mencadangkan sistem elektrokimia bebas membran (ECSN) yang sangat inovatif, yang menyediakan pendekatan dan kaedah baharu untuk menyelesaikan masalah rawatan air sisa nitrat dan pemulihan ammonia.

Sistem ini dengan bijak mengintegrasikan teknologi pengurangan electrocatalytic nitrat (ENRR) ke dalamnya, berjaya mencapai penukaran nitrat dalam air sisa kepada ammonium klorida ketulenan tinggi melalui tindak balas elektrod dan reka bentuk proses tertentu, dan mencapai pengurangan nitrat segerak dan pemulihan ammonia.

Salah satu komponen teras sistem ialah elektrod kerja nikel tembaga (MPCN) yang dihiasi dengan kaca logam yang disediakan menggunakan teknologi percetakan 3D. Proses penyediaan elektrod ini adalah unik, menggunakan teknologi peleburan laser terpilih untuk membina struktur elektrod lapisan demi lapisan.

Ia mempunyai ciri-ciri yang sangat baik dalam pelbagai aspek. Dari perspektif struktur, ia boleh disimpulkan melalui pembinaan semula tomografi berkomputer sinar-X bahawa ia mempunyai keliangan yang sesuai dan laluan elektrolit yang direka dengan teliti, yang kondusif untuk pengangkutan bahan tindak balas dan kemajuan penuh tindak balas.

Dari segi sifat bahan, corak pembelauan sinar-X dan hasil penghalusan Rietveld menunjukkan bahawa ia mempunyai struktur kristal yang baik, manakala imej mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi menunjukkan bahawa teras elektrod adalah struktur aloi nikel tembaga, dengan lapisan logam amorf. kaca yang menutupi permukaan.

Pembentukan lapisan amorf ini berkait rapat dengan taburan suhu permukaan dan kawasan dalaman semasa proses pencetakan 3D. Kadar penyejukan yang agak rendah pada permukaan menggalakkan pembentukan struktur amorfus, dan lapisan amorfus ini memberikan elektrod dengan rintangan kakisan yang sangat baik, membolehkan ia berfungsi dengan stabil dalam persekitaran air sisa yang kompleks.

Di samping itu, sistem ECSN juga menyepadukan unit pengelupasan dibantu UV. Unit ini memainkan peranan penting dalam proses elektrokimia. Dalam sistem elektrokimia tradisional, ammonia terdedah untuk menjalani tindak balas pengoksidaan sekunder di anod, mengakibatkan penurunan kadar pemulihan ammonia.

Unit pelucutan dibantu UV boleh menyekat pengoksidaan ammonia pada anod dengan berkesan. Melalui tindakan sinaran cahaya, keseimbangan kimia dan kinetik tindak balas dalam sistem tindak balas diubah, membolehkan ammonia dilucutkan dengan lebih cekap daripada sistem tindak balas dan dipulihkan, dengan itu meningkatkan kecekapan pemulihan ammonia keseluruhan sistem dengan ketara.

Elektrod MPCN mempamerkan prestasi cemerlang dalam sistem elektrokimia bebas membran. Dalam proses tindak balas pengurangan nitrat elektrokatalitik (ENRR), prestasinya telah dianalisis secara menyeluruh melalui satu siri kaedah eksperimen.

Eksperimen spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) pada potensi berbeza menunjukkan bahawa elektrod MPCN mempunyai kapasiti penjerapan yang baik untuk NO ∝⁻ dan boleh menggalakkan penjanaan produk perantaraan secara berkesan semasa proses tindak balas.

Rekod spektrometri jisim elektrokimia pembezaan (DEMS) dalam talian memaparkan dengan jelas penjanaan NO, NO ₂, dan NH3 semasa proses tindak balas, dan daripada data ini, proses tindak balas dan laluan penukaran bahan boleh dikesan dengan tepat.

Penyelidikan lanjut telah menjelaskan langkah tindak balas terperinci daripada NO ∝⁻ kepada NH ∝ dengan mengira laluan tenaga bebas ENRR, dan menentukan bahawa penukaran NO kepada NOH ialah langkah mengawal kadar bagi keseluruhan tindak balas. Penemuan ini menyediakan asas teori yang sangat penting untuk mengoptimumkan lagi prestasi elektrod dan keadaan tindak balas pada masa hadapan.

Di bawah keadaan {{0}}.5 V, kadar penjanaan NH3-nitrogen elektrod MPCN adalah setinggi 0.94 mmol h ⁻¹ cm ⁻ ², dan kecekapan Faraday melebihi 93% . Data ini menunjukkan sepenuhnya prestasi pemangkin yang cekap elektrod MPCN dalam tindak balas ENRR, yang boleh dengan cepat dan selektif menukar nitrat kepada ammonia.

Selain itu, elektrod MPCN mempamerkan kestabilan elektrokimia yang luar biasa, mampu beroperasi secara berterusan dan stabil selama lebih 1000 jam pada ketumpatan arus industri 200 mA cm².

Keputusan ujian kestabilan jangka panjang ini telah dijalankan dalam air sisa yang kaya dengan nitrat. Dengan membandingkan dengan elektrod lain seperti buih Cu, buih Ni, MFCN, dan lain-lain, penilaian dijalankan daripada imej optik sebelum dan selepas tindak balas, perbandingan spektrum Raman, serta perubahan ketumpatan cas selepas penjerapan NO ₂ ⁻, yang menyerlahkan lagi keunggulan dan kebolehpercayaan elektrod MPCN dalam senario aplikasi sebenar.

Sistem ECSN telah menunjukkan potensi aplikasi yang kuat dan kesan rawatan yang ketara dalam merawat air sisa penyaduran elektrik yang sebenar. Dalam eksperimen rawatan air sisa penyaduran elektrik sebenar, sistem ini berjaya menukarkan lebih 70% nitrat kepada ammonium klorida ketulenan tinggi. Pencapaian keputusan ini adalah disebabkan oleh kesan sinergistik pelbagai komponen dalam sistem dan keadaan tindak balas yang dioptimumkan dengan teliti.

Daripada perspektif reka bentuk sistem keseluruhan, ia termasuk pemasangan rasional MPCN dan elektrod IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti, sel elektrolitik melalui aliran yang direka khas, dan unit untuk pelucutan ammonia. Laluan tindak balas sampingan penukaran ammonia kepada nitrogen semasa proses tindak balas adalah salah satu faktor utama yang mempengaruhi kadar pemulihan ammonia.

Sistem ECSN secara berkesan menindas tindak balas pengoksidaan ammonia (AOR) melalui sinaran cahaya. Daripada data eksperimen, dapat dilihat dengan jelas bahawa terdapat perbezaan ketara dalam kecekapan penyingkiran jumlah karbon organik (TOC) dan selektiviti NO ∝⁻ kepada penukaran NH3 di bawah keadaan sinaran cahaya. Sinaran cahaya meningkatkan kadar pemulihan NH3 dengan ketara.

Dalam sel elektrolitik melalui aliran, memantau potensi variasi anod IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti dari masa ke masa mendedahkan bahawa proses pelucutan ammonia menekan AOR dengan berkesan, memastikan pemulihan ammonia yang lebih cekap.

Berbanding dengan bateri rendaman tradisional, sistem ECSN juga menunjukkan kelebihan ketara dalam kecekapan penyingkiran NO ∝⁻. Reka bentuk medan aliran dan medan elektriknya yang unik, serta kesan sinergistik antara pelbagai komponen, membolehkan nitrat dikurangkan dan ditukar dengan lebih cepat dan teliti, meningkatkan kecekapan dan kualiti rawatan air sisa, mengurangkan masa dan kos rawatan, dan menyediakan penyelesaian yang cekap dan boleh dilaksanakan untuk rawatan air sisa dalam pengeluaran industri sebenar.

Analisis teknikal dan ekonomi serta analisis kitaran hayat sistem ECSN menunjukkan bahawa ia mempunyai kebolehlaksanaan dan kelebihan yang ketara dari segi ekonomi dan persekitaran.

Dari segi analisis teknikal dan ekonomi, berbanding kaedah rawatan EC SL tradisional, sistem ECSN mengurangkan dengan ketara kos rawatan NO ∝⁻ air sisa setiap meter padu. Ini terutamanya disebabkan oleh proses tindak balas yang cekap, penggunaan tenaga yang lebih rendah, dan struktur sistem yang agak mudah.

Dari segi kos bahan, walaupun proses penyediaan elektrod MPCN untuk pencetakan 3D agak rumit, prestasi cemerlang dan kestabilan jangka panjangnya mengurangkan kekerapan penggantian elektrod dan kos penyelenggaraan. Dalam jangka panjang, ia mengurangkan pelaburan kos bahan keseluruhan. Dari segi kos operasi, kadar penukaran yang tinggi dan selektiviti sistem mengurangkan penggunaan tenaga dan penggunaan reagen kimia, seterusnya mengurangkan kos operasi.

Dalam operasi sebenar, peningkatan kadar pemulihan ammonia mengurangkan kos rawatan ammonia seterusnya dan kerugian ekonomi yang disebabkan oleh kehilangan ammonia.

Dari perspektif penilaian kitaran hayat (LCA), sistem ECSN telah menunjukkan kelebihan yang ketara dalam pelbagai kategori kesan alam sekitar. Dari segi pelepasan gas rumah hijau, berbanding kaedah rawatan tradisional, pelepasannya telah dikurangkan dengan ketara. Ini kerana sistem menggunakan kurang tenaga semasa operasi dan mengelakkan pelepasan gas rumah hijau yang disebabkan oleh tindak balas kimia dalam beberapa proses rawatan tradisional.

Dari segi ketoksikan daratan dan akuatik, pengurangan ketara telah diperhatikan disebabkan oleh pengurangan pencemaran sekunder dan rawatan berkesan serta transformasi bahan berbahaya. Sebagai contoh, dengan menukar nitrat kepada ammonium klorida, pengumpulan nitrat dalam persekitaran dan pencemaran tanah dan badan air dapat dielakkan. Pada masa yang sama, ammonium klorida juga boleh dikitar semula sebagai bahan mentah kimia yang berharga, seterusnya meningkatkan faedah alam sekitar keseluruhan sistem.

Dari perspektif aliran bahan kitar semula NO ∝⁻ dan pengeluaran NH ∝ di seluruh dunia, sistem ECSN mempunyai potensi aplikasi penting dalam kitaran nitrogen global. Ia secara berkesan boleh menukar sumber sisa nitrat kepada sumber ammonia yang berguna, menggalakkan kitar semula sumber nitrogen, mengurangkan eksploitasi dan pergantungan kepada sumber nitrogen baharu, dan memainkan peranan positif dalam menggalakkan pembangunan mampan kitaran nitrogen global.