傳統的氨氣（NH₃）生產方法，如哈柏–博施法，雖然有效，但也伴隨著大量的碳排放和能源消耗。隨著環境保護和可持續發展的需求增加，研究人員提出了透過電化學硝酸鹽還原反應（ENRR）從富含硝酸鹽的廢水中回收氨氣的可行性。然而，傳統電化學反應器中使用的質子交換膜（PEM）在處理富含有機雜質和高鹽含量的廢水時表現不佳，並且成本高昂。本研究開發了一種無膜電化學系統（ECSN），實作了硝酸鹽還原與氨氣回收的同步，用於處理真實的富硝酸鹽廢水，展示了該系統在長期穩定性、經濟可行性和環境效益方面的顯著優勢。
成果簡介
本研究展示了一種無膜電化學系統（ECSN），能夠在不依賴質子交換膜的情況下，透過3D打印的金屬玻璃裝飾的Cu–Ni電極（MPCN）和紫外線輔助剝離單元，實作高效的氨氣回收和硝酸鹽還原。在處理真實電鍍廢水時，ECSN系統將超過70%的硝酸鹽轉化為高純度的氯化銨，且該系統在長期測試中表現出良好的穩定性。
研究亮點
配圖精析
圖1
: 硝酸鹽問題的典型解決方案示意圖
圖1展示了工業生產過程中硝酸鹽的質素轉移過程，並提出了透過ENRR轉化NO₃⁻為NH₃–N並回收氨氣的資源化處理路徑，以支持迴圈經濟的發展。
圖2
: MPCN電極的制備與表征
圖2展示了透過選擇性激光熔化技術制備的MPCN電極的3D結構、XRD圖譜、HR-TEM影像及快速傅立葉變換（FFT）影像，以及3D打印過程中表面與內部區域的加熱與冷卻速率分布情況，揭示了金屬玻璃層的形成機制。
圖3
: MPCN電極在ENRR中的表現
圖3展示了在不同電位下MPCN電極的電化學原位FTIR光譜、線上差分電化學質譜（DEMS）測量結果，以及ENRR自由能路徑圖，說明了MPCN電極的卓越ENRR效能。
圖4
: MPCN電極的電化學穩定性
圖4透過光學影像、拉曼光譜、電荷密度分析和Bader電荷分析，比較了MPCN與其他電極在實際富硝酸鹽廢水中的電化學穩定性，MPCN電極展示了優異的長期穩定性。
圖5
: ECSN系統在處理真實廢水中的表現
圖5展示了ECSN系統的流程圖及其在電鍍廢水中的實際套用情況，包括電解氨氣回收與同步紫外線剝離的設計，以及不同反應條件下NO₃⁻的去除效果、氨氣選擇性和產物分析。
圖6
: ECSN的LCA和TEA評估
圖6展示了ECSN與傳統ECSL處理方法在環境影響和成本方面的對比，ECSN在多個環境影響類別中表現出顯著的優勢，並且處理成本更低，經濟效益顯著。
展望
該研究成功開發了一種無膜電化學系統（ECSN），能夠在處理復雜廢水的同時，高效回收氨氣，並減少碳排放。未來研究可以進一步最佳化流場和電場分布，推動該系統的大規模套用，並與雙極膜電滲析（BMED）系統結合，為硝酸鹽廢水的資源化處理提供整體解決方案。
文獻資訊
標題
: Ammonia recovery from nitrate-rich wastewater using a membrane-free electrochemical system
期刊
: Nature Sustainability
DOI
: 10.1038/s41893-024-01406-7
原文連結
: https://doi.org/10.1038/s41893-024-01406-7
