Во многих отраслях промышленного производства, таких как гальваника и фотоэлектрическая промышленность, образуется большое количество сточных вод, богатых нитратами. Традиционные методы очистки сточных вод нитратами, такие как испарительная кристаллизация и очистка свалок, обычно имеют такие недостатки, как высокое энергопотребление, низкая эффективность и подверженность вторичному загрязнению.
В то же время мировой спрос на аммиак постоянно растет. Как удобрение, химическое сырье и энергоноситель аммиак играет решающую роль как в сельском хозяйстве, так и в промышленности.
В этом контексте особенно важно и срочно разработать устойчивую технологию, которая сможет правильно очищать сточные воды от нитратов и эффективно извлекать аммиак.
Результаты исследования по «извлечению аммиака из сточных вод, богатых нитратами, с использованием безмембранной электрохимической системы» были опубликованы в журнале Nature Sustainability.
Инновационный дизайн и принцип безмембранной электрохимической системы
В данном исследовании предлагается высокоинновационная безмембранная электрохимическая система (БЭКСН), которая обеспечивает новый подход и метод решения проблем очистки сточных вод нитратами и извлечения аммиака.
Система умело интегрирует в нее технологию электрокаталитического восстановления нитратов (ENRR), успешно обеспечивая преобразование нитратов в сточных водах в хлорид аммония высокой чистоты посредством специальных электродных реакций и технологического проектирования, а также достигая синхронного восстановления нитратов и извлечения аммиака.
Одним из основных компонентов системы является медно-никелевый (MPCN) рабочий электрод, декорированный металлическим стеклом, изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Этот процесс подготовки электродов уникален: в нем используется технология селективного лазерного плавления для построения электродных структур слой за слоем.
Он имеет отличные характеристики во многих аспектах. Со структурной точки зрения, с помощью реконструкции рентгеновской компьютерной томографии можно сделать вывод, что он имеет подходящую пористость и тщательно спроектированные пути электролита, которые способствуют транспортировке реагентов и полному протеканию реакций.
С точки зрения свойств материала, рентгенограммы и результаты уточнения Ритвельда показывают, что он имеет хорошую кристаллическую структуру, а изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии, показывают, что сердечник электрода представляет собой структуру из медно-никелевого сплава со слоем аморфного металлического сплава. стекло, закрывающее поверхность.
Формирование этого аморфного слоя тесно связано с распределением температуры поверхности и внутренних областей в процессе 3D-печати. Относительно низкая скорость охлаждения на поверхности способствует образованию аморфных структур, а этот аморфный слой придает электроду отличную коррозионную стойкость, что позволяет ему стабильно работать в сложных средах сточных вод.
Кроме того, система ECSN также включает в себя установку для очистки УФ-излучением. Этот агрегат играет важнейшую роль в электрохимическом процессе. В традиционных электрохимических системах аммиак склонен подвергаться реакциям вторичного окисления на аноде, что приводит к снижению скорости извлечения аммиака.
Установка УФ-очистки может эффективно подавлять окисление аммиака на аноде. Под действием светового излучения химическое равновесие и кинетика реакции в реакционной системе изменяются, что позволяет более эффективно удалять аммиак из реакционной системы и извлекать его, тем самым значительно улучшая эффективность извлечения аммиака во всей системе.
Анализ характеристик электродов и каталитического механизма
Электроды MPCN демонстрируют отличные характеристики в безмембранных электрохимических системах. В процессе электрокаталитической реакции восстановления нитратов (ENRR) ее эффективность была тщательно проанализирована с помощью ряда экспериментальных методов.
Эксперименты по инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) при различных потенциалах показали, что электрод MPCN обладает хорошей адсорбционной способностью для NO ∝⁻ и может эффективно способствовать образованию промежуточных продуктов в процессе реакции.
Запись онлайн-дифференциальной электрохимической масс-спектрометрии (DEMS) четко отображает образование NO, NO ₂ и NH3 во время процесса реакции, и на основе этих данных можно точно отслеживать процесс реакции и путь превращения веществ.
Дальнейшие исследования прояснили подробные этапы реакции от NO ∝⁻ до NH ∝ путем расчета пути свободной энергии ENRR и определили, что преобразование NO в NOH является этапом, контролирующим скорость всей реакции. Это открытие обеспечивает чрезвычайно важную теоретическую основу для дальнейшей оптимизации характеристик электродов и условий реакции в будущем.
В условиях {{0}},5 В скорость генерации NH3-азота MPCN-электрода достигает 0,94 ммоль ч ⁻¹ см ⁻ ², а фарадеевский КПД превышает 93 %. . Эти данные полностью демонстрируют эффективную каталитическую эффективность электрода MPCN в реакции ENRR, который может быстро и селективно превращать нитрат в аммиак.
Кроме того, электроды MPCN обладают исключительной электрохимической стабильностью, способны непрерывно и стабильно работать более 1000 часов при плотности промышленного тока 200 мА см².
Этот результат теста долгосрочной стабильности был получен в реальных сточных водах, богатых нитратами. Путем сравнения с другими электродами, такими как пенопласт Cu, пенопласт Ni, MFCN и др., оценка проводилась по оптическому изображению до и после реакции, сравнению спектра комбинационного рассеяния света, а также изменению плотности заряда после адсорбции NO₂. ⁻, что еще раз подчеркнуло превосходство и надежность электрода MPCN в реальном сценарии применения.
Эффективность применения системы при реальной очистке сточных вод
Система ECSN продемонстрировала большой потенциал применения и значительный эффект очистки при очистке сточных вод гальванических производств. В эксперименте по очистке сточных вод гальванического производства система успешно превратила более 70% нитратов в хлорид аммония высокой чистоты. Достижение такого результата обусловлено синергическим действием различных компонентов системы и тщательно оптимизированными условиями реакции.
С точки зрения общей конструкции системы она включает в себя рациональную компоновку электродов MPCN и IrO₂-Ta₂O₅/Ti, специально разработанную проточную электролитическую ячейку и установку отпарки аммиака. Побочный путь реакции превращения аммиака в азот в ходе реакции является одним из ключевых факторов, влияющих на скорость извлечения аммиака.
Система ECSN эффективно подавляет реакцию окисления аммиака (АОР) посредством светового излучения. Из экспериментальных данных хорошо видно, что существуют существенные различия в эффективности удаления общего органического углерода (ТОС) и селективности конверсии NO∝⁻ в NH3 в условиях светового излучения. Световое излучение значительно повышает скорость восстановления NH3.
В проточной электролитической ячейке мониторинг изменения потенциала анода IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti с течением времени показал, что процесс удаления аммиака эффективно подавляет AOR, обеспечивая более эффективное восстановление аммиака.
По сравнению с традиционными погружными батареями система ECSN также демонстрирует значительные преимущества в эффективности удаления NO ∝⁻. Его уникальная конструкция поля потока и электрического поля, а также синергетический эффект между различными компонентами позволяют более быстро и тщательно восстанавливать и преобразовывать нитраты, значительно повышая эффективность и качество очистки сточных вод, сокращая время и стоимость очистки, а также обеспечивая эффективное и осуществимое решение для очистки сточных вод на реальном промышленном производстве.
Оценка экономической и экологической выгоды
Технический и экономический анализ, а также анализ жизненного цикла системы ECSN показывают, что она имеет значительную осуществимость и преимущества с точки зрения экономики и окружающей среды.
С точки зрения технико-экономического анализа, по сравнению с традиционным методом очистки EC SL, система ECSN существенно снижает затраты на очистку NO ∝⁻ сточных вод на кубический метр. В основном это связано с эффективным процессом реакции, меньшим потреблением энергии и относительно простой структурой системы.
С точки зрения стоимости материала, хотя процесс подготовки электродов MPCN для 3D-печати относительно сложен, его отличные характеристики и долговременная стабильность позволяют снизить частоту замены электродов и затраты на техническое обслуживание. В долгосрочной перспективе это снижает общие затраты на материалы. С точки зрения эксплуатационных расходов, высокая степень конверсии и селективность системы снижают потребление энергии и использование химических реагентов, что еще больше снижает эксплуатационные расходы.
В реальной эксплуатации увеличение степени извлечения аммиака снижает затраты на последующую очистку аммиака и экономические потери, вызванные потерями аммиака.
С точки зрения оценки жизненного цикла (LCA), системы ECSN продемонстрировали значительные преимущества в нескольких категориях воздействия на окружающую среду. Что касается выбросов парниковых газов, то по сравнению с традиционными методами очистки их выбросы значительно сократились. Это связано с тем, что система потребляет меньше энергии во время работы и позволяет избежать выбросов парниковых газов, вызванных химическими реакциями в некоторых традиционных процессах очистки.
С точки зрения наземной и водной токсичности наблюдаются значительные снижения за счет уменьшения вторичного загрязнения и эффективной очистки и трансформации вредных веществ. Например, путем преобразования нитрата в хлорид аммония можно избежать накопления нитратов в окружающей среде и загрязнения почвы и водоемов. В то же время хлорид аммония также может быть переработан в качестве ценного химического сырья, что еще больше увеличивает экологические преимущества всей системы.
С точки зрения потока материалов по переработке NO ∝⁻ и производству NH ∝ во всем мире, система ECSN имеет важный потенциал применения в глобальном азотном цикле. Он может эффективно превращать отходы нитратных ресурсов в полезные ресурсы аммиака, способствовать переработке азотных ресурсов, уменьшать эксплуатацию и зависимость от новых источников азота, а также играть положительную роль в содействии устойчивому развитию глобального азотного цикла.
