En muchas actividades de producción industrial, como la galvanoplastia y la fotovoltaica, se genera una gran cantidad de aguas residuales ricas en nitrato. Los métodos tradicionales para tratar aguas residuales de nitrato, como la cristalización por evaporación y el tratamiento en vertederos, generalmente tienen inconvenientes como un alto consumo de energía, baja eficiencia y susceptibilidad a la contaminación secundaria.
Al mismo tiempo, la demanda mundial de amoníaco aumenta constantemente. Como fertilizante, materia prima química y portador de energía, el amoníaco desempeña un papel crucial tanto en la agricultura como en la industria.
En este contexto, es particularmente crucial y urgente desarrollar una tecnología sostenible que pueda tratar adecuadamente las aguas residuales de nitrato y recuperar eficientemente el amoníaco.
En Nature Sustainability se ha publicado el resultado de una investigación sobre "la recuperación de amoníaco de aguas residuales ricas en nitratos mediante un sistema electroquímico sin membranas".
Diseño innovador y principio de sistema electroquímico sin membrana
Este estudio propone un sistema electroquímico sin membranas (ECSN) altamente innovador, que proporciona un nuevo enfoque y método para resolver los problemas del tratamiento de aguas residuales con nitrato y la recuperación de amoníaco.
El sistema integra inteligentemente la tecnología de reducción electrocatalítica de nitrato (ENRR), logrando con éxito la conversión de nitrato en aguas residuales en cloruro de amonio de alta pureza a través de reacciones de electrodos específicas y diseño de procesos, y logrando una reducción sincrónica de nitrato y recuperación de amoníaco.
Uno de los componentes principales del sistema es el electrodo de trabajo de cobre-níquel (MPCN) decorado con vidrio metálico preparado mediante tecnología de impresión 3D. Este proceso de preparación de electrodos es único y utiliza tecnología de fusión láser selectiva para construir estructuras de electrodos capa por capa.
Tiene excelentes características en múltiples aspectos. Desde una perspectiva estructural, a través de la reconstrucción por tomografía computarizada con rayos X se puede inferir que tiene una porosidad adecuada y vías de electrolitos cuidadosamente diseñadas, que favorecen el transporte de reactivos y el progreso completo de las reacciones.
En términos de propiedades del material, los patrones de difracción de rayos X y los resultados del refinamiento de Rietveld indican que tiene una buena estructura cristalina, mientras que las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución muestran que el núcleo del electrodo es una estructura de aleación de cobre y níquel, con una capa de metal amorfo. vidrio que cubre la superficie.
La formación de esta capa amorfa está estrechamente relacionada con la distribución de temperatura de la superficie y las áreas internas durante el proceso de impresión 3D. La velocidad de enfriamiento relativamente baja en la superficie promueve la formación de estructuras amorfas, y esta capa amorfa dota al electrodo de una excelente resistencia a la corrosión, lo que le permite funcionar de manera estable en entornos complejos de aguas residuales.
Además, el sistema ECSN también integra una unidad de pelado asistida por UV. Esta unidad juega un papel crucial en el proceso electroquímico. En los sistemas electroquímicos tradicionales, el amoníaco tiende a sufrir reacciones de oxidación secundaria en el ánodo, lo que resulta en una disminución en la tasa de recuperación de amoníaco.
La unidad de extracción asistida por UV puede suprimir eficazmente la oxidación del amoníaco en el ánodo. Mediante la acción de la radiación luminosa, el equilibrio químico y la cinética de reacción en el sistema de reacción cambian, lo que permite extraer y recuperar el amoníaco del sistema de reacción de manera más eficiente, mejorando así significativamente la eficiencia de recuperación de amoníaco de todo el sistema.
Análisis del rendimiento de los electrodos y del mecanismo catalítico.
Los electrodos MPCN exhiben un excelente rendimiento en sistemas electroquímicos sin membranas. En el proceso de reacción electrocatalítica de reducción de nitrato (ENRR), su rendimiento se analizó exhaustivamente mediante una serie de métodos experimentales.
Los experimentos de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) a diferentes potenciales mostraron que el electrodo MPCN tiene una buena capacidad de adsorción de NO ∝⁻ y puede promover eficazmente la generación de productos intermedios durante el proceso de reacción.
El registro de espectrometría de masas electroquímica diferencial (DEMS) en línea muestra claramente la generación de NO, NO ₂ y NH3 durante el proceso de reacción y, a partir de estos datos, se puede rastrear con precisión el proceso de reacción y la ruta de conversión de sustancias.
Investigaciones adicionales han aclarado los pasos detallados de la reacción de NO ∝⁻ a NH ∝ mediante el cálculo de la ruta de energía libre ENRR y han determinado que la conversión de NO a NOH es el paso que controla la velocidad de toda la reacción. Este descubrimiento proporciona una base teórica extremadamente importante para optimizar aún más el rendimiento de los electrodos y las condiciones de reacción en el futuro.
Bajo la condición de {{0}}.5 V, la tasa de generación de nitrógeno NH3- del electrodo MPCN es tan alta como 0,94 mmol h ⁻¹ cm ⁻ ², y la eficiencia de Faraday supera el 93%. . Estos datos demuestran plenamente el rendimiento catalítico eficiente del electrodo MPCN en la reacción ENRR, que puede convertir rápida y selectivamente el nitrato en amoníaco.
Además, los electrodos MPCN exhiben una excelente estabilidad electroquímica, capaces de funcionar de forma continua y estable durante más de 1000 horas a una densidad de corriente industrial de 200 mA cm².
El resultado de esta prueba de estabilidad a largo plazo se llevó a cabo en aguas residuales ricas en nitratos. Al comparar con otros electrodos como espuma de Cu, espuma de Ni, MFCN, etc., la evaluación se realizó a partir de la imagen óptica antes y después de la reacción, comparación del espectro Raman, así como el cambio de densidad de carga después de la adsorción de NO₂. ⁻, que destacó aún más la superioridad y confiabilidad del electrodo MPCN en el escenario de aplicación real.
La eficiencia de la aplicación del sistema en el tratamiento de aguas residuales real.
El sistema ECSN ha demostrado un gran potencial de aplicación y efectos de tratamiento significativos en el tratamiento de aguas residuales de galvanoplastia reales. En el experimento de tratamiento de aguas residuales de galvanoplastia real, el sistema convirtió con éxito más del 70% del nitrato en cloruro de amonio de alta pureza. El logro de este resultado se debe al efecto sinérgico de varios componentes del sistema y a las condiciones de reacción cuidadosamente optimizadas.
Desde la perspectiva del diseño general del sistema, incluye el ensamblaje racional de electrodos MPCN e IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti, una celda electrolítica de flujo continuo especialmente diseñada y una unidad para extracción de amoníaco. La vía de reacción secundaria de la conversión de amoníaco en nitrógeno durante el proceso de reacción es uno de los factores clave que afectan la tasa de recuperación de amoníaco.
El sistema ECSN suprime eficazmente la reacción de oxidación del amoníaco (AOR) mediante radiación luminosa. A partir de los datos experimentales, se puede ver claramente que existen diferencias significativas en la eficiencia de eliminación del carbono orgánico total (TOC) y la selectividad de la conversión de NO ∝⁻ a NH3 en condiciones de radiación luminosa. La radiación luminosa mejora significativamente la tasa de recuperación de NH3.
En una celda electrolítica de flujo continuo, el seguimiento de la variación potencial del ánodo IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti a lo largo del tiempo reveló que el proceso de extracción de amoníaco suprimió eficazmente la AOR, lo que garantiza una recuperación más eficiente de amoníaco.
En comparación con las baterías de inmersión tradicionales, el sistema ECSN también muestra ventajas significativas en la eficiencia de eliminación de NO ∝⁻. Su exclusivo diseño de campo de flujo y campo eléctrico, así como el efecto sinérgico entre varios componentes, permiten reducir y convertir el nitrato de manera más rápida y completa, mejorando en gran medida la eficiencia y la calidad del tratamiento de aguas residuales, reduciendo el tiempo y el costo del tratamiento y proporcionando una Solución eficiente y viable para el tratamiento de aguas residuales en la producción industrial real.
Evaluación de beneficios económicos y ambientales
El análisis técnico y económico, así como el análisis del ciclo de vida del sistema ECSN, indican que tiene importantes viabilidad y ventajas en términos de economía y medio ambiente.
En términos de análisis técnico y económico, en comparación con el método de tratamiento tradicional EC SL, el sistema ECSN reduce significativamente el costo de tratamiento de aguas residuales de NO ∝⁻ por metro cúbico. Esto se atribuye principalmente a su proceso de reacción eficiente, menor consumo de energía y estructura del sistema relativamente simple.
En términos de costo de material, aunque el proceso de preparación de electrodos MPCN para impresión 3D es relativamente complejo, su excelente rendimiento y estabilidad a largo plazo reducen la frecuencia de reemplazo de electrodos y los costos de mantenimiento. A largo plazo, reduce la inversión total en costos de material. En términos de costos operativos, la alta tasa de conversión y la selectividad del sistema reducen el consumo de energía y el uso de reactivos químicos, reduciendo aún más los costos operativos.
En la operación real, el aumento en la tasa de recuperación de amoníaco reduce el costo del tratamiento posterior de amoníaco y las pérdidas económicas causadas por la pérdida de amoníaco.
Desde la perspectiva de la evaluación del ciclo de vida (LCA), los sistemas ECSN han demostrado ventajas significativas en múltiples categorías de impacto ambiental. En términos de emisiones de gases de efecto invernadero, en comparación con los métodos de tratamiento tradicionales, sus emisiones se han reducido significativamente. Esto se debe a que el sistema consume menos energía durante su funcionamiento y evita las emisiones de gases de efecto invernadero provocadas por reacciones químicas en algunos procesos de tratamiento tradicionales.
En términos de toxicidad terrestre y acuática, se han observado reducciones significativas debido a la reducción de la contaminación secundaria y al tratamiento y transformación eficaz de sustancias nocivas. Por ejemplo, al convertir el nitrato en cloruro de amonio, se evita la acumulación de nitrato en el medio ambiente y la contaminación del suelo y de las masas de agua. Al mismo tiempo, el cloruro de amonio también se puede reciclar como una valiosa materia prima química, mejorando aún más los beneficios medioambientales de todo el sistema.
Desde la perspectiva del flujo de materiales de reciclaje de NO ∝⁻ y producción de NH ∝ en todo el mundo, el sistema ECSN tiene un importante potencial de aplicación en el ciclo global del nitrógeno. Puede convertir eficazmente los recursos residuales de nitrato en recursos útiles de amoníaco, promover el reciclaje de los recursos de nitrógeno, reducir la explotación y la dependencia de nuevas fuentes de nitrógeno y desempeñar un papel positivo en la promoción del desarrollo sostenible del ciclo global del nitrógeno.