Daudzās rūpnieciskās ražošanas darbībās, piemēram, galvanizēšanā un fotoelementu ražošanā, rodas liels daudzums ar nitrātiem bagātu notekūdeņu. Tradicionālajām nitrātu notekūdeņu attīrīšanas metodēm, piemēram, iztvaikošanas kristalizācijai un poligonu apstrādei, parasti ir trūkumi, piemēram, augsts enerģijas patēriņš, zema efektivitāte un uzņēmība pret sekundāro piesārņojumu.
Tajā pašā laikā globālais pieprasījums pēc amonjaka nepārtraukti pieaug. Kā mēslojums, ķīmiskā izejviela un enerģijas nesējs amonjakam ir izšķiroša nozīme gan lauksaimniecībā, gan rūpniecībā.
Šajā kontekstā ir īpaši svarīgi un steidzami izstrādāt ilgtspējīgu tehnoloģiju, kas var pienācīgi attīrīt nitrātu notekūdeņus un efektīvi atgūt amonjaku.
Pētījuma rezultāts par "amonjaka atgūšanu no nitrātiem bagātiem notekūdeņiem, izmantojot elektroķīmisko sistēmu bez membrānas" ir publicēts Nature Sustainability.
Novatorisks dizains un bezmembrānas elektroķīmiskās sistēmas princips
Šis pētījums piedāvā ļoti inovatīvu membrānu brīvu elektroķīmisko sistēmu (ECSN), kas nodrošina jaunu pieeju un metodi notekūdeņu nitrātu attīrīšanas un amonjaka reģenerācijas problēmu risināšanai.
Sistēma gudri integrē tajā nitrātu (ENRR) elektrokatalītiskās reducēšanas tehnoloģiju, veiksmīgi panākot notekūdeņu nitrātu pārvēršanu augstas tīrības pakāpes amonija hlorīdā, izmantojot specifiskas elektrodu reakcijas un procesa plānošanu, kā arī panākot sinhronu nitrātu reducēšanu un amonjaka atgūšanu.
Viena no sistēmas galvenajām sastāvdaļām ir vara niķeļa (MPCN) darba elektrods, kas dekorēts ar metālisku stiklu, kas sagatavots, izmantojot 3D drukas tehnoloģiju. Šis elektrodu sagatavošanas process ir unikāls, izmantojot selektīvās lāzerkausēšanas tehnoloģiju, lai elektrodu struktūras konstruētu slāni pa slānim.
Tam ir lieliskas īpašības vairākos aspektos. No strukturālā viedokļa, izmantojot rentgena datortomogrāfijas rekonstrukciju, var secināt, ka tai ir piemērota porainība un rūpīgi izstrādāti elektrolītu ceļi, kas veicina reaģentu transportēšanu un pilnīgu reakciju norisi.
Runājot par materiāla īpašībām, rentgenstaru difrakcijas modeļi un Rītvelda precizēšanas rezultāti liecina, ka tam ir laba kristāliskā struktūra, savukārt augstas izšķirtspējas elektronu mikroskopijas attēli liecina, ka elektroda kodols ir vara niķeļa sakausējuma struktūra ar amorfa metāla slāni. stikls, kas pārklāj virsmu.
Šī amorfā slāņa veidošanās ir cieši saistīta ar virsmas un iekšējo laukumu temperatūras sadalījumu 3D drukas procesa laikā. Salīdzinoši zemais dzesēšanas ātrums uz virsmas veicina amorfu struktūru veidošanos, un šis amorfais slānis piešķir elektrodam izcilu izturību pret koroziju, ļaujot tam stabili darboties sarežģītās notekūdeņu vidēs.
Turklāt ECSN sistēmā ir integrēta arī UV pīlinga iekārta. Šai vienībai ir izšķiroša loma elektroķīmiskajā procesā. Tradicionālajās elektroķīmiskajās sistēmās amonjaks ir pakļauts sekundārai oksidācijas reakcijai pie anoda, kā rezultātā samazinās amonjaka atgūšanas ātrums.
Ultravioletā starojuma noņemšanas iekārta var efektīvi nomākt amonjaka oksidēšanos pie anoda. Gaismas starojuma ietekmē tiek mainīts ķīmiskais līdzsvars un reakcijas kinētika reakcijas sistēmā, ļaujot efektīvāk atdalīt un reģenerēt amonjaku no reakcijas sistēmas, tādējādi būtiski uzlabojot visas sistēmas amonjaka atgūšanas efektivitāti.
Elektrodu veiktspējas un katalītiskā mehānisma analīze
MPCN elektrodiem ir lieliska veiktspēja bezmembrānu elektroķīmiskajās sistēmās. Elektrokatalītiskās nitrātu reducēšanas reakcijas (ENRR) procesā tā veiktspēja tika rūpīgi analizēta, izmantojot virkni eksperimentālu metožu.
Furjē transformācijas infrasarkanās spektroskopijas (FTIR) eksperimenti ar dažādiem potenciāliem parādīja, ka MPCN elektrodam ir laba NO ∝⁻ adsorbcijas spēja un tas var efektīvi veicināt starpproduktu veidošanos reakcijas procesā.
Tiešsaistes diferenciālās elektroķīmiskās masas spektrometrijas (DEMS) ieraksts skaidri parāda NO, NO ₂ un NH3 veidošanos reakcijas procesa laikā, un no šiem datiem var precīzi izsekot reakcijas procesu un vielas konversijas ceļu.
Turpmākie pētījumi ir noskaidrojuši detalizētus reakcijas posmus no NO ∝⁻ līdz NH ∝, aprēķinot ENRR brīvās enerģijas ceļu, un noteica, ka NO pārvēršana par NOH ir visas reakcijas ātruma kontroles solis. Šis atklājums nodrošina ārkārtīgi svarīgu teorētisko pamatu turpmākai elektrodu veiktspējas un reakcijas apstākļu optimizēšanai nākotnē.
Stāvoklī {{0}},5 V MPCN elektroda NH3-slāpekļa veidošanās ātrums ir līdz 0,94 mmol h⁻¹ cm⁻ ², un Faradeja efektivitāte pārsniedz 93%. . Šie dati pilnībā parāda MPCN elektroda efektīvo katalītisko veiktspēju ENRR reakcijā, kas var ātri un selektīvi pārvērst nitrātu par amonjaku.
Turklāt MPCN elektrodiem ir izcila elektroķīmiskā stabilitāte, kas spēj nepārtraukti un stabili darboties vairāk nekā 1000 stundas pie rūpnieciskās strāvas blīvuma 200 mA cm².
Šis ilgtermiņa stabilitātes testa rezultāts tika veikts faktiskajos notekūdeņos, kas bagāti ar nitrātiem. Salīdzinot ar citiem elektrodiem, piemēram, Cu putām, Ni putām, MFCN utt., Novērtējums tika veikts no optiskā attēla pirms un pēc reakcijas, Ramana spektra salīdzināšanas, kā arī lādiņa blīvuma izmaiņas pēc NO ₂ adsorbcijas. ⁻, kas vēl vairāk izcēla MPCN elektroda pārākumu un uzticamību faktiskajā pielietojuma scenārijā.
Sistēmas pielietojuma efektivitāte faktiskajā notekūdeņu attīrīšanā
ECSN sistēma ir pierādījusi spēcīgu pielietojuma potenciālu un ievērojamu attīrīšanas efektu faktisko galvanizācijas notekūdeņu attīrīšanā. Faktisko galvanizācijas notekūdeņu attīrīšanas eksperimentā sistēma vairāk nekā 70% nitrāta veiksmīgi pārveidoja augstas tīrības amonija hlorīda. Šī rezultāta sasniegšanu nodrošina dažādu sistēmas komponentu sinerģiska iedarbība un rūpīgi optimizēti reakcijas apstākļi.
No kopējās sistēmas dizaina viedokļa tas ietver MPCN un IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti elektrodu racionālu montāžu, īpaši izstrādātu caurplūdes elektrolītisko elementu un amonjaka noņemšanas vienību. Blakusreakcijas ceļš amonjaka pārvēršanai slāpeklī reakcijas procesa laikā ir viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē amonjaka atgūšanas ātrumu.
ECSN sistēma ar gaismas starojumu efektīvi nomāc amonjaka oksidācijas reakciju (AOR). No eksperimentālajiem datiem var skaidri redzēt, ka pastāv būtiskas atšķirības kopējā organiskā oglekļa (TOC) atdalīšanas efektivitātē un NO ∝⁻ pārvēršanās selektivitātē uz NH3 gaismas starojuma apstākļos. Gaismas starojums ievērojami uzlabo NH3 atgūšanas ātrumu.
Caurplūdes elektrolītiskajā šūnā, pārraugot IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti anoda potenciālās izmaiņas laika gaitā, atklājās, ka amonjaka atdalīšanas process efektīvi nomāca AOR, nodrošinot efektīvāku amonjaka atgūšanu.
Salīdzinot ar tradicionālajām iegremdējamajām baterijām, ECSN sistēmai ir arī ievērojamas priekšrocības NO ∝⁻ noņemšanas efektivitātes ziņā. Tā unikālais plūsmas lauka un elektriskā lauka dizains, kā arī dažādu komponentu sinerģiskais efekts ļauj samazināt un pārveidot nitrātus ātrāk un rūpīgāk, ievērojami uzlabojot notekūdeņu attīrīšanas efektivitāti un kvalitāti, samazinot attīrīšanas laiku un izmaksas, kā arī nodrošinot efektīvs un īstenojams risinājums notekūdeņu attīrīšanai faktiskajā rūpnieciskajā ražošanā.
Ekonomisko un vides ieguvumu novērtējums
ECSN sistēmas tehniskā un ekonomiskā analīze, kā arī dzīves cikla analīze liecina, ka tai ir būtiska iespēja un priekšrocības ekonomikas un vides ziņā.
Tehniskās un ekonomiskās analīzes ziņā, salīdzinot ar tradicionālo EC SL attīrīšanas metodi, ECSN sistēma ievērojami samazina NO ∝⁻ notekūdeņu attīrīšanas izmaksas uz kubikmetru. Tas galvenokārt ir saistīts ar tā efektīvu reakcijas procesu, zemāku enerģijas patēriņu un salīdzinoši vienkāršo sistēmas struktūru.
Attiecībā uz materiālu izmaksām, lai gan MPCN elektrodu sagatavošanas process 3D drukāšanai ir salīdzinoši sarežģīts, tā lieliskā veiktspēja un ilgtermiņa stabilitāte samazina elektrodu nomaiņas un uzturēšanas izmaksu biežumu. Ilgtermiņā tas samazina kopējo materiālu izmaksu ieguldījumu. Runājot par ekspluatācijas izmaksām, sistēmas augstais konversijas koeficients un selektivitāte samazina enerģijas patēriņu un ķīmisko reaģentu izmantošanu, vēl vairāk samazinot ekspluatācijas izmaksas.
Faktiskajā darbībā amonjaka atgūšanas ātruma palielināšana samazina turpmākās amonjaka apstrādes izmaksas un ekonomiskos zaudējumus, ko rada amonjaka zudumi.
No dzīves cikla novērtējuma (LCA) viedokļa ECSN sistēmas ir parādījušas būtiskas priekšrocības vairākās ietekmes uz vidi kategorijās. Siltumnīcefekta gāzu emisiju ziņā, salīdzinot ar tradicionālajām apstrādes metodēm, tās emisijas ir ievērojami samazinātas. Tas ir tāpēc, ka sistēma darbības laikā patērē mazāk enerģijas un novērš siltumnīcefekta gāzu emisijas, ko izraisa ķīmiskas reakcijas dažos tradicionālajos apstrādes procesos.
Sauszemes un ūdens toksicitātes ziņā ir novērots būtisks samazinājums sekundārā piesārņojuma samazināšanās un kaitīgo vielu efektīvas apstrādes un pārveidošanas dēļ. Piemēram, pārvēršot nitrātus par amonija hlorīdu, tiek novērsta nitrātu uzkrāšanās vidē un augsnes un ūdenstilpņu piesārņošana. Tajā pašā laikā amonija hlorīdu var arī pārstrādāt kā vērtīgu ķīmisko izejvielu, vēl vairāk uzlabojot visas sistēmas ieguvumus videi.
No NO ∝⁻ pārstrādes un NH ∝ ražošanas materiālu plūsmas viedokļa visā pasaulē ECSN sistēmai ir nozīmīgs pielietojuma potenciāls globālajā slāpekļa ciklā. Tas var efektīvi pārvērst atkritumu nitrātu resursus noderīgos amonjaka resursos, veicināt slāpekļa resursu pārstrādi, samazināt izmantošanu un atkarību no jauniem slāpekļa avotiem, kā arī pozitīvi ietekmēt globālā slāpekļa cikla ilgtspējīgu attīstību.