Було досягнуто нових досягнень у сталих технологіях відновлення аміаку з немембранних електрохімічних стічних вод

Під час багатьох видів промислового виробництва, таких як гальванічне та фотоелектричне виробництво, утворюється велика кількість стічних вод, багатих на нітрати. Традиційні методи обробки нітратних стічних вод, такі як кристалізація випаровування та очищення на звалищах, зазвичай мають такі недоліки, як високе енергоспоживання, низька ефективність і сприйнятливість до вторинного забруднення.

Водночас світовий попит на аміак постійно зростає. Як добриво, хімічна сировина та енергоносій аміак відіграє вирішальну роль як у сільському господарстві, так і в промисловості.

У цьому контексті особливо важливим і терміновим є розробка стійкої технології, яка зможе належним чином очищати нітратні стічні води та ефективно відновлювати аміак.

Результати дослідження «відновлення аміаку зі стічних вод, багатих на нітрати, за допомогою електрохімічної системи без мембран» були опубліковані в Nature Sustainability.

У цьому дослідженні пропонується високоінноваційна безмембранна електрохімічна система (ECSN), яка забезпечує новий підхід і метод для вирішення проблем очищення стічних вод від нітратів і відновлення аміаку.

Система вміло інтегрує в себе технологію електрокаталітичного відновлення нітратів (ENRR), успішно досягаючи перетворення нітратів у стічних водах на хлорид амонію високої чистоти за допомогою спеціальних електродних реакцій і розробки процесу, а також досягаючи синхронного відновлення нітратів і відновлення аміаку.

Одним із основних компонентів системи є мідно-нікелевий (MPCN) робочий електрод, прикрашений металевим склом, виготовленим за технологією 3D-друку. Цей процес підготовки електродів є унікальним, він використовує селективну технологію лазерного плавлення для створення електродних структур шар за шаром.

Він має відмінні характеристики в багатьох аспектах. Зі структурної точки зору за допомогою рентгенівської комп’ютерної томографії можна зробити висновок, що він має відповідну пористість і ретельно розроблені електролітні шляхи, які сприяють транспорту реагентів і повному перебігу реакцій.

З точки зору властивостей матеріалу, рентгенівські дифракційні картини та результати уточнення Рітвельда вказують на те, що він має хорошу кристалічну структуру, тоді як зображення просвічуючої електронної мікроскопії з високою роздільною здатністю показують, що серцевина електрода є структурою з мідно-нікелевого сплаву з шаром аморфного металу. скло, що покриває поверхню.

Утворення цього аморфного шару тісно пов’язане з розподілом температури поверхні та внутрішніх областей під час процесу 3D-друку. Відносно низька швидкість охолодження на поверхні сприяє утворенню аморфних структур, і цей аморфний шар надає електроду чудову стійкість до корозії, що дозволяє йому стабільно працювати в складних середовищах стічних вод.

Крім того, система ECSN також включає блок пілінгу з УФ-променями. Цей блок відіграє вирішальну роль в електрохімічному процесі. У традиційних електрохімічних системах аміак схильний до вторинних реакцій окислення на аноді, що призводить до зниження швидкості відновлення аміаку.

Ультрафіолетовий блок очищення може ефективно пригнічувати окислення аміаку на аноді. Під дією світлового випромінювання хімічна рівновага та кінетика реакції в реакційній системі змінюються, що дозволяє більш ефективно видаляти аміак з реакційної системи та відновлювати його, тим самим значно покращуючи ефективність відновлення аміаку всієї системи.

Електроди MPCN демонструють чудову продуктивність у безмембранних електрохімічних системах. У процесі електрокаталітичної реакції відновлення нітратів (ENRR) його продуктивність була ретельно проаналізована за допомогою ряду експериментальних методів.

Експерименти інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є (FTIR) при різних потенціалах показали, що електрод MPCN має хорошу адсорбційну здатність для NO ∝⁻ і може ефективно сприяти утворенню проміжних продуктів під час процесу реакції.

Онлайн-запис диференціальної електрохімічної мас-спектрометрії (DEMS) чітко відображає утворення NO, NO ₂ і NH3 під час процесу реакції, і за цими даними можна точно відстежити процес реакції та шлях перетворення речовини.

Подальші дослідження уточнили детальні етапи реакції від NO ∝⁻ до NH ∝ шляхом розрахунку шляху вільної енергії ENRR і визначили, що перетворення NO в NOH є етапом контролю швидкості всієї реакції. Це відкриття забезпечує надзвичайно важливу теоретичну основу для подальшої оптимізації роботи електродів і умов реакції в майбутньому.

За умови {{0}},5 В швидкість утворення азоту NH3- електродом MPCN становить 0,94 ммоль год ⁻¹ см ⁻², а ефективність Фарадея перевищує 93% . Ці дані повністю демонструють ефективну каталітичну дію електрода MPCN у реакції ENRR, яка може швидко та вибірково перетворювати нітрат на аміак.

Крім того, електроди MPCN демонструють виняткову електрохімічну стабільність, здатну безперервно та стабільно працювати протягом понад 1000 годин при промисловій щільності струму 200 мА см².

Результати цього тесту на довгострокову стабільність проводили у стічних водах, багатих на нітрати. Шляхом порівняння з іншими електродами, такими як піна Cu, піна Ni, MFCN тощо, оцінка проводилася на основі оптичного зображення до та після реакції, порівняння спектру раманівського розсіювання, а також зміни щільності заряду після адсорбції NO ₂ ⁻, що додатково підкреслило перевагу та надійність електрода MPCN у реальному сценарії застосування.

Система ECSN продемонструвала потужний потенціал застосування та значні ефекти очищення при очищенні фактичних стічних вод гальванічного покриття. В експерименті з очищення фактичних стічних вод гальванічного покриття система успішно перетворила понад 70% нітратів у хлорид амонію високої чистоти. Досягнення такого результату обумовлено синергічним ефектом різних компонентів у системі та ретельно оптимізованими умовами реакції.

З точки зору загального проектування системи, вона включає раціональну збірку електродів MPCN та IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti, спеціально розроблену проточну електролітичну комірку та установку для видалення аміаку. Шлях побічної реакції перетворення аміаку в азот під час процесу реакції є одним із ключових факторів, що впливають на швидкість відновлення аміаку.

Система ECSN ефективно пригнічує реакцію окислення аміаку (AOR) за допомогою світлового випромінювання. З експериментальних даних чітко видно, що існують значні відмінності в ефективності видалення загального органічного вуглецю (TOC) і селективності перетворення NO ∝⁻ в NH3 за умови світлового випромінювання. Світлове випромінювання значно покращує швидкість відновлення NH3.

У проточній електролітичній комірці моніторинг зміни потенціалу анода IrO ₂ - Ta ₂ O 5/Ti з плином часу показав, що процес видалення аміаку ефективно пригнічує AOR, забезпечуючи більш ефективне відновлення аміаку.

У порівнянні з традиційними зануреними батареями система ECSN також показує значні переваги в ефективності видалення NO ∝⁻. Його унікальне поле потоку та конструкція електричного поля, а також синергетичний ефект між різними компонентами дозволяють зменшувати та перетворювати нітрати швидше та ретельніше, значно покращуючи ефективність та якість очищення стічних вод, скорочуючи час та вартість очищення та забезпечуючи ефективне та можливе рішення для очищення стічних вод на реальному промисловому виробництві.

Техніко-економічний аналіз, а також аналіз життєвого циклу системи ECSN вказують на те, що вона має значну здійсненність і переваги з точки зору економіки та навколишнього середовища.

З точки зору техніко-економічного аналізу, порівняно з традиційним методом очищення EC SL, система ECSN значно знижує вартість очищення NO ∝⁻ стічних вод на кубічний метр. Це в основному пояснюється його ефективним процесом реакції, меншим споживанням енергії та відносно простою структурою системи.

З точки зору вартості матеріалів, хоча процес підготовки електродів MPCN до 3D-друку є відносно складним, його чудова продуктивність і довгострокова стабільність зменшують частоту заміни електродів і витрати на обслуговування. У довгостроковій перспективі це знижує загальну матеріальну вартість інвестицій. З точки зору експлуатаційних витрат, високий коефіцієнт перетворення та вибірковість системи зменшують споживання енергії та використання хімічних реагентів, що ще більше знижує експлуатаційні витрати.

У фактичній експлуатації збільшення швидкості вилучення аміаку зменшує вартість подальшої обробки аміаку та економічні втрати, спричинені втратою аміаку.

З точки зору оцінки життєвого циклу (LCA), системи ECSN продемонстрували значні переваги в багатьох категоріях впливу на навколишнє середовище. З точки зору викидів парникових газів, порівняно з традиційними методами очищення, їх викиди значно зменшилися. Це тому, що система споживає менше енергії під час роботи та уникає викидів парникових газів, викликаних хімічними реакціями в деяких традиційних процесах очищення.

З точки зору наземної та водної токсичності спостерігалося значне зниження внаслідок зменшення вторинного забруднення та ефективного очищення та перетворення шкідливих речовин. Наприклад, шляхом перетворення нітрату на хлорид амонію можна уникнути накопичення нітратів у навколишньому середовищі та забруднення ґрунту та водойм. У той же час хлорид амонію також можна переробляти як цінну хімічну сировину, що ще більше підвищує екологічні переваги всієї системи.

З точки зору матеріального потоку переробки NO ∝⁻ і виробництва NH ∝ у всьому світі, система ECSN має важливий потенціал застосування в глобальному циклі азоту. Він може ефективно перетворювати відпрацьовані ресурси нітратів у корисні ресурси аміаку, сприяти переробці ресурсів азоту, зменшувати експлуатацію та залежність від нових джерел азоту, а також відігравати позитивну роль у сприянні сталому розвитку глобального циклу азоту.