U mnogim industrijskim proizvodnim aktivnostima, kao što su galvanizacija i fotonapon, stvara se velika količina otpadnih voda bogatih nitratima. Tradicionalne metode za pročišćavanje nitratnih otpadnih voda, kao što su kristalizacija isparavanjem i obrada na odlagalištima, općenito imaju nedostatke kao što su visoka potrošnja energije, niska učinkovitost i osjetljivost na sekundarno onečišćenje.
Istodobno, globalna potražnja za amonijakom stalno raste. Kao gnojivo, kemijska sirovina i nositelj energije, amonijak igra ključnu ulogu u poljoprivredi i industriji.
U tom kontekstu, posebno je ključno i hitno razviti održivu tehnologiju koja može ispravno pročišćavati otpadne vode od nitrata i učinkovito oporabiti amonijak.
Rezultati istraživanja o "oporabi amonijaka iz otpadne vode bogate nitratima pomoću elektrokemijskog sustava bez membrane" objavljeni su u časopisu Nature Sustainability.
Inovativni dizajn i princip elektrokemijskog sustava bez membrane
Ova studija predlaže vrlo inovativan elektrokemijski sustav bez membrane (ECSN), koji pruža novi pristup i metodu za rješavanje problema pročišćavanja nitratnih otpadnih voda i oporabe amonijaka.
Sustav pametno integrira tehnologiju elektrokatalitičke redukcije nitrata (ENRR) u sebe, uspješno postižući pretvorbu nitrata u otpadnoj vodi u amonijev klorid visoke čistoće kroz specifične elektrodne reakcije i dizajn procesa te postižući sinkronu redukciju nitrata i oporabu amonijaka.
Jedna od ključnih komponenti sustava je radna elektroda od bakrenog nikla (MPCN) ukrašena metalnim staklom pripremljenom tehnologijom 3D ispisa. Ovaj postupak pripreme elektroda je jedinstven, koristi tehnologiju selektivnog laserskog taljenja za konstrukciju elektrodnih struktura sloj po sloj.
Ima izvrsne karakteristike u više aspekata. Iz strukturne perspektive, rekonstrukcijom rendgenskom kompjutoriziranom tomografijom može se zaključiti da ima prikladnu poroznost i pažljivo dizajnirane puteve elektrolita, koji su pogodni za transport reaktanata i puni napredak reakcija.
Što se tiče svojstava materijala, uzorci difrakcije X-zraka i rezultati Rietveldovog prečišćavanja pokazuju da ima dobru kristalnu strukturu, dok slike visoke rezolucije transmisijske elektronske mikroskopije pokazuju da je jezgra elektrode struktura legure bakra i nikla, sa slojem amorfnog metala staklo koje pokriva površinu.
Formiranje ovog amorfnog sloja usko je povezano s raspodjelom temperature površine i unutarnjih područja tijekom procesa 3D ispisa. Relativno niska brzina hlađenja na površini potiče stvaranje amorfnih struktura, a ovaj amorfni sloj daje elektrodi izvrsnu otpornost na koroziju, omogućujući joj stabilan rad u složenim okruženjima otpadnih voda.
Osim toga, ECSN sustav također integrira jedinicu za ljuštenje uz pomoć UV zraka. Ova jedinica igra ključnu ulogu u elektrokemijskom procesu. U tradicionalnim elektrokemijskim sustavima, amonijak je sklon sekundarnim oksidacijskim reakcijama na anodi, što rezultira smanjenjem stope povrata amonijaka.
Jedinica za skidanje potpomognuta UV zrakama može učinkovito suzbiti oksidaciju amonijaka na anodi. Djelovanjem svjetlosnog zračenja mijenjaju se kemijska ravnoteža i kinetika reakcije u reakcijskom sustavu, omogućujući učinkovitije izdvajanje amonijaka iz reakcijskog sustava i obnavljanje, čime se značajno poboljšava učinkovitost povrata amonijaka u cijelom sustavu.
Analiza performansi elektrode i katalitičkog mehanizma
MPCN elektrode pokazuju izvrsne performanse u elektrokemijskim sustavima bez membrane. U procesu elektrokatalitičke reakcije redukcije nitrata (ENRR), njegova izvedba je temeljito analizirana nizom eksperimentalnih metoda.
Eksperimenti infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom (FTIR) na različitim potencijalima pokazali su da MPCN elektroda ima dobar adsorpcijski kapacitet za NO ∝⁻ i može učinkovito pospješiti stvaranje međuproizvoda tijekom procesa reakcije.
Mrežni zapis diferencijalne elektrokemijske masene spektrometrije (DEMS) jasno prikazuje stvaranje NO, NO ₂ i NH3 tijekom reakcijskog procesa, a iz tih podataka može se točno pratiti reakcijski proces i put pretvorbe tvari.
Daljnja istraživanja razjasnila su detaljne korake reakcije od NO ∝⁻ do NH ∝ izračunavanjem ENRR puta slobodne energije i utvrdila da je pretvorba NO u NOH korak koji kontrolira brzinu cijele reakcije. Ovo otkriće daje izuzetno važnu teorijsku osnovu za daljnje optimiziranje performansi elektroda i reakcijskih uvjeta u budućnosti.
Pod uvjetima od {{0}}.5 V, brzina stvaranja NH3-dušika MPCN elektrode je čak 0,94 mmol h ⁻¹ cm ⁻², a Faradayeva učinkovitost prelazi 93% . Ovi podaci u potpunosti pokazuju učinkovitu katalitičku izvedbu MPCN elektrode u ENRR reakciji, koja može brzo i selektivno pretvoriti nitrat u amonijak.
Štoviše, MPCN elektrode pokazuju izvanrednu elektrokemijsku stabilnost, sposobne za kontinuirani i stabilan rad preko 1000 sati pri industrijskoj gustoći struje od 200 mA cm².
Ovaj rezultat ispitivanja dugotrajne stabilnosti proveden je u stvarnoj otpadnoj vodi bogatoj nitratima. Usporedbom s drugim elektrodama kao što su Cu pjena, Ni pjena, MFCN itd., procjena je provedena na temelju optičke slike prije i poslije reakcije, usporedbe Ramanovog spektra, kao i promjene gustoće naboja nakon adsorpcije NO ₂ ⁻, što je dodatno istaknulo superiornost i pouzdanost MPCN elektrode u scenariju stvarne primjene.
Učinkovitost primjene sustava u stvarnom pročišćavanju otpadnih voda
Sustav ECSN pokazao je snažan potencijal primjene i značajne učinke tretmana u tretmanu stvarne otpadne vode od galvanizacije. U eksperimentu tretmana stvarne otpadne vode od galvanizacije, sustav je uspješno pretvorio više od 70% nitrata u amonijev klorid visoke čistoće. Postizanje ovog rezultata rezultat je sinergijskog učinka različitih komponenti u sustavu i pažljivo optimiziranih reakcijskih uvjeta.
Iz perspektive cjelokupnog dizajna sustava, uključuje racionalnu montažu MPCN i IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti elektroda, posebno dizajniranu protočnu elektrolitičku ćeliju i jedinicu za uklanjanje amonijaka. Put sporedne reakcije pretvorbe amonijaka u dušik tijekom reakcijskog procesa jedan je od ključnih čimbenika koji utječu na stopu povrata amonijaka.
ECSN sustav učinkovito potiskuje reakciju oksidacije amonijaka (AOR) putem svjetlosnog zračenja. Iz eksperimentalnih podataka može se jasno vidjeti da postoje značajne razlike u učinkovitosti uklanjanja ukupnog organskog ugljika (TOC) i selektivnosti pretvorbe NO ∝⁻ u NH3 pod uvjetima svjetlosnog zračenja. Svjetlosno zračenje značajno poboljšava stopu obnavljanja NH3.
U protočnoj elektrolitičkoj ćeliji, praćenje potencijalnih varijacija IrO ₂ - Ta ₂ O 5/Ti anode tijekom vremena otkrilo je da je proces uklanjanja amonijaka učinkovito potisnuo AOR, osiguravajući učinkovitije obnavljanje amonijaka.
U usporedbi s tradicionalnim uronjenim baterijama, ECSN sustav također pokazuje značajne prednosti u učinkovitosti uklanjanja NO ∝⁻. Njegovo jedinstveno polje protoka i dizajn električnog polja, kao i sinergijski učinak između različitih komponenti, omogućuju bržu i temeljitiju redukciju i pretvorbu nitrata, uvelike poboljšavajući učinkovitost i kvalitetu pročišćavanja otpadnih voda, smanjujući vrijeme i troškove pročišćavanja i pružajući učinkovito i izvedivo rješenje za pročišćavanje otpadnih voda u stvarnoj industrijskoj proizvodnji.
Procjena ekonomske i ekološke koristi
Tehnička i ekonomska analiza, kao i analiza životnog ciklusa ECSN sustava pokazuju da ima značajnu izvedivost i prednosti u smislu ekonomije i okoliša.
U smislu tehničke i ekonomske analize, u usporedbi s tradicionalnom EC SL metodom obrade, ECSN sustav značajno smanjuje troškove obrade NO ∝⁻ otpadne vode po kubnom metru. To se uglavnom pripisuje njegovom učinkovitom reakcijskom procesu, nižoj potrošnji energije i relativno jednostavnoj strukturi sustava.
Što se tiče troškova materijala, iako je proces pripreme MPCN elektroda za 3D ispis relativno složen, njegova izvrsna izvedba i dugoročna stabilnost smanjuju učestalost zamjene elektroda i troškove održavanja. Dugoročno gledano, smanjuje ukupnu investiciju troškova materijala. Što se tiče operativnih troškova, visoka stopa konverzije i selektivnost sustava smanjuju potrošnju energije i upotrebu kemijskih reagensa, dodatno smanjujući operativne troškove.
U stvarnom radu, povećanje stope povrata amonijaka smanjuje troškove naknadne obrade amonijaka i ekonomske gubitke uzrokovane gubitkom amonijaka.
Iz perspektive procjene životnog ciklusa (LCA), ECSN sustavi su pokazali značajne prednosti u više kategorija utjecaja na okoliš. Što se tiče emisija stakleničkih plinova, u usporedbi s tradicionalnim metodama pročišćavanja, njegove emisije su značajno smanjene. To je zato što sustav troši manje energije tijekom rada i izbjegava emisije stakleničkih plinova uzrokovane kemijskim reakcijama u nekim tradicionalnim procesima obrade.
Što se tiče kopnene i vodene toksičnosti, uočena su značajna smanjenja zbog smanjenja sekundarnog onečišćenja i učinkovitog tretmana i transformacije štetnih tvari. Na primjer, pretvaranjem nitrata u amonijev klorid izbjegava se nakupljanje nitrata u okolišu i onečišćenje tla i vodenih tijela. U isto vrijeme, amonijev klorid se također može reciklirati kao vrijedna kemijska sirovina, čime se dodatno povećavaju ekološke prednosti cijelog sustava.
Iz perspektive toka materijala recikliranja NO ∝⁻ i proizvodnje NH ∝ širom svijeta, ECSN sustav ima važan potencijal primjene u globalnom ciklusu dušika. Može učinkovito pretvoriti otpadne resurse nitrata u korisne resurse amonijaka, promicati recikliranje izvora dušika, smanjiti iskorištavanje i ovisnost o novim izvorima dušika te igrati pozitivnu ulogu u promicanju održivog razvoja globalnog ciklusa dušika.