دستاوردهای جدیدی در فناوری پایدار برای بازیابی آمونیاک از پساب های الکتروشیمیایی غیر غشایی حاصل شده است.

در بسیاری از فعالیت های تولید صنعتی مانند آبکاری الکتریکی و فتوولتائیک، مقدار زیادی فاضلاب غنی از نیترات تولید می شود. روش های سنتی تصفیه فاضلاب نیترات مانند تبلور تبخیر و تصفیه محل دفن زباله، عموماً دارای معایبی مانند مصرف انرژی بالا، راندمان پایین و حساسیت به آلودگی ثانویه است.

در عین حال، تقاضای جهانی برای آمونیاک به طور مداوم در حال افزایش است. آمونیاک به عنوان یک کود، مواد خام شیمیایی و حامل انرژی، نقش مهمی در کشاورزی و صنعت دارد.

در این زمینه، توسعه یک فناوری پایدار که بتواند به درستی فاضلاب نیترات را تصفیه کند و آمونیاک را به طور موثر بازیابی کند، بسیار حیاتی و فوری است.

یک نتیجه تحقیقاتی در مورد "بازیابی آمونیاک از فاضلاب غنی از نیترات با استفاده از یک سیستم الکتروشیمیایی بدون غشاء" در Nature Sustainability منتشر شده است.

این مطالعه یک سیستم الکتروشیمیایی بدون غشاء (ECSN) بسیار نوآورانه را پیشنهاد می‌کند که رویکرد و روش جدیدی را برای حل مشکلات تصفیه فاضلاب نیترات و بازیابی آمونیاک ارائه می‌کند.

این سیستم هوشمندانه فناوری احیای الکتروکاتالیستی نیترات (ENRR) را در خود ادغام می‌کند و با موفقیت به تبدیل نیترات در فاضلاب به کلرید آمونیوم با خلوص بالا از طریق واکنش‌های الکترود خاص و طراحی فرآیند، و دستیابی به کاهش همزمان نیترات و بازیابی آمونیاک دست می‌یابد.

یکی از اجزای اصلی این سیستم، الکترود کاری نیکل مس (MPCN) است که با شیشه فلزی تزئین شده است که با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی تهیه شده است. این فرآیند آماده سازی الکترود منحصر به فرد است و از فناوری ذوب لیزری انتخابی برای ساخت ساختارهای الکترود لایه به لایه استفاده می کند.

از جنبه های مختلف ویژگی های عالی دارد. از دیدگاه ساختاری، می توان از طریق بازسازی توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس استنباط کرد که دارای تخلخل مناسب و مسیرهای الکترولیتی با دقت طراحی شده است که برای انتقال واکنش دهنده ها و پیشرفت کامل واکنش ها مفید است.

از نظر خواص مواد، الگوهای پراش اشعه ایکس و نتایج پالایش ریتلد نشان می‌دهد که ساختار بلوری خوبی دارد، در حالی که تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا نشان می‌دهند که هسته الکترود یک ساختار آلیاژ مس نیکل است، با لایه‌ای از فلز بی‌شکل. شیشه ای که سطح را می پوشاند.

تشکیل این لایه آمورف ارتباط نزدیکی با توزیع دمای سطح و نواحی داخلی در طی فرآیند چاپ سه بعدی دارد. سرعت خنک‌سازی نسبتاً پایین روی سطح، تشکیل ساختارهای آمورف را تقویت می‌کند و این لایه بی‌شکل به الکترود مقاومت در برابر خوردگی عالی می‌بخشد و آن را قادر می‌سازد تا در محیط‌های فاضلاب پیچیده به طور پایدار کار کند.

علاوه بر این، سیستم ECSN همچنین یک واحد لایه برداری به کمک UV را یکپارچه می کند. این واحد نقش مهمی در فرآیند الکتروشیمیایی دارد. در سیستم‌های الکتروشیمیایی سنتی، آمونیاک مستعد انجام واکنش‌های اکسیداسیون ثانویه در آند است که منجر به کاهش سرعت بازیابی آمونیاک می‌شود.

واحد جداسازی با کمک اشعه ماوراء بنفش می تواند به طور موثر اکسیداسیون آمونیاک را در آند سرکوب کند. از طریق عمل تابش نور، تعادل شیمیایی و سینتیک واکنش در سیستم واکنش تغییر می‌کند و به آمونیاک اجازه می‌دهد تا به طور موثرتری از سیستم واکنش جدا شود و بازیابی شود، در نتیجه کارایی بازیابی آمونیاک کل سیستم به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.

الکترودهای MPCN عملکرد عالی در سیستم های الکتروشیمیایی بدون غشاء از خود نشان می دهند. در فرآیند کاهش نیترات الکتروکاتالیستی (ENRR)، عملکرد آن به طور کامل از طریق یک سری از روش‌های تجربی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

آزمایش‌های طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) در پتانسیل‌های مختلف نشان داد که الکترود MPCN ظرفیت جذب خوبی برای NO∝- دارد و می‌تواند به طور موثر تولید محصولات میانی را در طول فرآیند واکنش ارتقا دهد.

رکورد طیف سنجی جرمی الکتروشیمیایی دیفرانسیل آنلاین (DEMS) به وضوح تولید NO، NO2 و NH3 را در طول فرآیند واکنش نشان می دهد و از این داده ها، فرآیند واکنش و مسیر تبدیل ماده را می توان با دقت ردیابی کرد.

تحقیقات بیشتر مراحل واکنش دقیق از NO ∝⁻ به NH ∝ را با محاسبه مسیر انرژی آزاد ENRR روشن کرده و مشخص کرده است که تبدیل NO به NOH مرحله کنترل سرعت کل واکنش است. این کشف یک مبنای نظری بسیار مهم برای بهینه سازی بیشتر عملکرد الکترود و شرایط واکنش در آینده فراهم می کند.

در شرایط {{0}}.5 V، نرخ تولید نیتروژن NH3- الکترود MPCN به اندازه 0.94 mmolh-1cm-² است و راندمان فارادی بیش از 93٪ است. . این داده ها به طور کامل عملکرد کاتالیزوری کارآمد الکترود MPCN را در واکنش ENRR نشان می دهد که می تواند به سرعت و به طور انتخابی نیترات را به آمونیاک تبدیل کند.

علاوه بر این، الکترودهای MPCN پایداری الکتروشیمیایی فوق‌العاده‌ای را از خود نشان می‌دهند که قادر به کار مداوم و پایدار برای بیش از 1000 ساعت در چگالی جریان صنعتی 200 میلی آمپر سانتی‌متر مربع هستند.

این نتیجه آزمایش پایداری طولانی مدت در فاضلاب غنی از نیترات واقعی انجام شد. با مقایسه با الکترودهای دیگر مانند فوم مس، فوم نیکل، MFCN و غیره، ارزیابی از تصویر نوری قبل و بعد از واکنش، مقایسه طیف رامان و همچنین تغییر چگالی بار پس از جذب NO2 انجام شد. ⁻، که برتری و قابلیت اطمینان الکترود MPCN را در سناریوی کاربردی واقعی بیشتر برجسته کرد.

سیستم ECSN پتانسیل کاربرد قوی و اثرات تصفیه قابل توجهی را در تصفیه فاضلاب آبکاری واقعی نشان داده است. در آزمایش تصفیه فاضلاب آبکاری واقعی، این سیستم با موفقیت بیش از 70 درصد نیترات را به کلرید آمونیوم با خلوص بالا تبدیل کرد. دستیابی به این نتیجه به دلیل اثر هم افزایی اجزای مختلف در سیستم و شرایط واکنش با دقت بهینه شده است.

از دیدگاه طراحی کلی سیستم، شامل مونتاژ منطقی الکترودهای MPCN و IrO2 - Ta2O5/Ti، یک سلول الکترولیتی جریان عبوری ویژه طراحی شده و یک واحد برای جداسازی آمونیاک است. مسیر واکنش جانبی تبدیل آمونیاک به نیتروژن در طی فرآیند واکنش یکی از عوامل کلیدی موثر بر میزان بازیابی آمونیاک است.

سیستم ECSN به طور موثر واکنش اکسیداسیون آمونیاک (AOR) را از طریق تابش نور سرکوب می کند. از داده های تجربی، می توان به وضوح مشاهده کرد که تفاوت های قابل توجهی در راندمان حذف کل کربن آلی (TOC) و گزینش پذیری تبدیل NO∝- به NH3 تحت شرایط تابش نور وجود دارد. تابش نور به طور قابل توجهی سرعت بازیابی NH3 را بهبود می بخشد.

در یک سلول الکترولیتی جریان، نظارت بر تغییرات پتانسیل آند IrO2-Ta2O5/Ti در طول زمان نشان داد که فرآیند سلب آمونیاک به طور موثری AOR را سرکوب کرده و بازیابی کارآمدتر آمونیاک را تضمین می کند.

در مقایسه با باتری‌های غوطه‌وری سنتی، سیستم ECSN همچنین مزایای قابل‌توجهی در راندمان حذف NO ∝⁻ نشان می‌دهد. میدان جریان و طراحی میدان الکتریکی منحصر به فرد آن، و همچنین اثر هم افزایی بین اجزای مختلف، نیترات را قادر می‌سازد تا سریع‌تر و کامل‌تر کاهش یافته و تبدیل شود و کارایی و کیفیت تصفیه فاضلاب را تا حد زیادی بهبود بخشد، زمان و هزینه تصفیه را کاهش دهد و راه حل کارآمد و قابل اجرا برای تصفیه فاضلاب در تولید صنعتی واقعی

تجزیه و تحلیل فنی و اقتصادی و همچنین تجزیه و تحلیل چرخه عمر سیستم ECSN نشان می دهد که امکان سنجی و مزایای قابل توجهی از نظر اقتصادی و محیطی دارد.

از نظر تحلیل فنی و اقتصادی، در مقایسه با روش سنتی تصفیه EC SL، سیستم ECSN به طور قابل توجهی هزینه تصفیه فاضلاب NO ∝⁻ را در هر متر مکعب کاهش می دهد. این عمدتا به فرآیند واکنش کارآمد، مصرف انرژی کمتر و ساختار نسبتاً ساده سیستم نسبت داده می شود.

از نظر هزینه مواد، اگرچه فرآیند آماده سازی الکترودهای MPCN برای چاپ سه بعدی نسبتاً پیچیده است، عملکرد عالی و پایداری طولانی مدت آن، فرکانس جایگزینی الکترود و هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد. در دراز مدت، سرمایه گذاری کلی هزینه مواد را کاهش می دهد. از نظر هزینه های عملیاتی، نرخ تبدیل بالا و انتخاب پذیری سیستم باعث کاهش مصرف انرژی و استفاده از معرف های شیمیایی و کاهش بیشتر هزینه های عملیاتی می شود.

در عملیات واقعی، افزایش نرخ بازیابی آمونیاک هزینه تصفیه بعدی آمونیاک و خسارات اقتصادی ناشی از از دست دادن آمونیاک را کاهش می دهد.

از دیدگاه ارزیابی چرخه عمر (LCA)، سیستم‌های ECSN مزایای قابل‌توجهی را در دسته‌بندی‌های متعدد اثرات زیست‌محیطی نشان داده‌اند. از نظر انتشار گازهای گلخانه ای، در مقایسه با روش های سنتی تصفیه، انتشار آن به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. این به این دلیل است که سیستم در حین کار انرژی کمتری مصرف می کند و از انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از واکنش های شیمیایی در برخی از فرآیندهای تصفیه سنتی جلوگیری می کند.

از نظر سمیت زمینی و آبی به دلیل کاهش آلودگی ثانویه و درمان موثر و تبدیل مواد مضر، کاهش قابل توجهی مشاهده شده است. به عنوان مثال با تبدیل نیترات به کلرید آمونیوم از تجمع نیترات در محیط و آلودگی خاک و آب جلوگیری می شود. در عین حال، کلرید آمونیوم نیز می تواند به عنوان یک ماده خام شیمیایی با ارزش بازیافت شود و مزایای زیست محیطی کل سیستم را افزایش دهد.

از منظر جریان مواد بازیافت NO ∝⁻ و تولید NH∝ در سراسر جهان، سیستم ECSN دارای پتانسیل کاربردی مهمی در چرخه جهانی نیتروژن است. این می تواند به طور موثر منابع نیترات زباله را به منابع مفید آمونیاک تبدیل کند، بازیافت منابع نیتروژن را ترویج کند، بهره برداری و وابستگی به منابع جدید نیتروژن را کاهش دهد و نقش مثبتی در ترویج توسعه پایدار چرخه نیتروژن جهانی ایفا کند.