تم تحقيق إنجازات جديدة في مجال التكنولوجيا المستدامة لاستعادة الأمونيا من مياه الصرف الصحي الكهروكيميائية غير الغشائية

في العديد من أنشطة الإنتاج الصناعي، مثل الطلاء الكهربائي والخلايا الكهروضوئية، يتم توليد كمية كبيرة من مياه الصرف الصحي الغنية بالنترات. الطرق التقليدية لمعالجة مياه الصرف الصحي النترات، مثل بلورة التبخر ومعالجة مدافن النفايات، لها عمومًا عيوب مثل ارتفاع استهلاك الطاقة، وانخفاض الكفاءة، والقابلية للتلوث الثانوي.

وفي الوقت نفسه، يتزايد الطلب العالمي على الأمونيا باستمرار. باعتبارها الأسمدة والمواد الخام الكيميائية وناقل الطاقة، تلعب الأمونيا دورا حاسما في كل من الزراعة والصناعة.

وفي هذا السياق، من المهم والعاجل بشكل خاص تطوير تكنولوجيا مستدامة يمكنها معالجة مياه الصرف الصحي النترات بشكل صحيح واستعادة الأمونيا بكفاءة.

تم نشر نتيجة بحث حول "استخلاص الأمونيا من مياه الصرف الصحي الغنية بالنترات باستخدام نظام كهروكيميائي خالي من الأغشية" في مجلة Nature Sustainability.

تقترح هذه الدراسة نظامًا كهروكيميائيًا خاليًا من الأغشية مبتكرًا للغاية (ECSN)، والذي يوفر نهجًا وطريقة جديدة لحل مشكلات معالجة مياه الصرف الصحي النترات واستخلاص الأمونيا.

يدمج النظام بذكاء تقنية التخفيض التحفيزي الكهربي للنترات (ENRR) فيه، ويحقق بنجاح تحويل النترات في مياه الصرف الصحي إلى كلوريد الأمونيوم عالي النقاء من خلال تفاعلات إلكترودات محددة وتصميم العملية، ويحقق تقليلًا متزامنًا للنترات واستعادة الأمونيا.

أحد المكونات الأساسية للنظام هو القطب الكهربائي العامل بالنيكل والنحاس (MPCN) والمزين بالزجاج المعدني المُعد باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تعد عملية تحضير القطب الكهربائي فريدة من نوعها، حيث تستخدم تقنية الصهر بالليزر الانتقائية لبناء هياكل القطب الكهربائي طبقة بعد طبقة.

لديها خصائص ممتازة في جوانب متعددة. من منظور هيكلي، يمكن الاستدلال من خلال إعادة البناء بالتصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية على أنه يتمتع بمسامية مناسبة ومسارات إلكتروليتية مصممة بعناية، مما يساعد على نقل المواد المتفاعلة والتقدم الكامل للتفاعلات.

من حيث خصائص المواد، تشير أنماط حيود الأشعة السينية ونتائج صقل ريتفيلد إلى أن لها بنية بلورية جيدة، في حين تظهر صور المجهر الإلكتروني النافذ عالية الدقة أن قلب القطب عبارة عن هيكل من سبائك النحاس والنيكل، مع طبقة معدنية غير متبلورة. زجاج يغطي السطح.

يرتبط تكوين هذه الطبقة غير المتبلورة ارتباطًا وثيقًا بتوزيع درجة حرارة السطح والمناطق الداخلية أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يعزز معدل التبريد المنخفض نسبيًا على السطح تكوين هياكل غير متبلورة، وتمنح هذه الطبقة غير المتبلورة القطب الكهربائي مقاومة ممتازة للتآكل، مما يمكنه من العمل بثبات في بيئات مياه الصرف الصحي المعقدة.

بالإضافة إلى ذلك، يدمج نظام ECSN أيضًا وحدة تقشير بمساعدة الأشعة فوق البنفسجية. تلعب هذه الوحدة دورًا حاسمًا في العملية الكهروكيميائية. في الأنظمة الكهروكيميائية التقليدية، تكون الأمونيا عرضة لتفاعلات الأكسدة الثانوية عند الأنود، مما يؤدي إلى انخفاض معدل استرداد الأمونيا.

يمكن لوحدة التجريد بمساعدة UV أن تمنع بشكل فعال أكسدة الأمونيا عند الأنود. من خلال عمل الإشعاع الضوئي، يتم تغيير التوازن الكيميائي وحركية التفاعل في نظام التفاعل، مما يسمح بتجريد الأمونيا من نظام التفاعل واستعادتها بكفاءة أكبر، وبالتالي تحسين كفاءة استرداد الأمونيا للنظام بأكمله بشكل ملحوظ.

تُظهر أقطاب MPCN أداءً ممتازًا في الأنظمة الكهروكيميائية الخالية من الأغشية. في عملية تفاعل تخفيض النترات التحفيزي الكهربي (ENRR)، تم تحليل أدائها بدقة من خلال سلسلة من الطرق التجريبية.

أظهرت تجارب التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) بإمكانات مختلفة أن القطب الكهربائي MPCN يتمتع بقدرة امتصاص جيدة لأكسيد النيتروجين NO ∝⁻ ويمكنه تعزيز توليد المنتجات الوسيطة بشكل فعال أثناء عملية التفاعل.

يعرض سجل قياس الطيف الكتلي الكهروكيميائي التفاضلي عبر الإنترنت (DEMS) بوضوح توليد NO وNO ₂ وNH3 أثناء عملية التفاعل، ومن هذه البيانات، يمكن تتبع عملية التفاعل ومسار تحويل المادة بدقة.

أوضحت الأبحاث الإضافية خطوات التفاعل التفصيلية من NO ∝⁻ إلى NH ∝ عن طريق حساب مسار الطاقة الحرة ENRR، وحددت أن تحويل NO إلى NOH هو خطوة التحكم في معدل التفاعل بأكمله. يوفر هذا الاكتشاف أساسًا نظريًا مهمًا للغاية لتحسين أداء القطب الكهربائي وظروف التفاعل في المستقبل.

في حالة {{0}}.5 فولت، يصل معدل توليد النيتروجين NH3- للقطب MPCN إلى 0.94 مليمول ساعة ⁻¹ سم ⁻ ²، وتتجاوز كفاءة فاراداي 93% . توضح هذه البيانات بشكل كامل الأداء الحفاز الفعال للقطب MPCN في تفاعل ENRR، والذي يمكنه تحويل النترات بسرعة وانتقائية إلى أمونيا.

علاوة على ذلك، تُظهر أقطاب MPCN ثباتًا كهروكيميائيًا متميزًا، وقادرة على التشغيل المستمر والمستقر لأكثر من 1000 ساعة بكثافة تيار صناعي تبلغ 200 مللي أمبير سم ².

تم إجراء نتيجة اختبار الثبات على المدى الطويل هذه في مياه الصرف الصحي الغنية بالنترات. من خلال المقارنة مع الأقطاب الكهربائية الأخرى مثل رغوة النحاس، ورغوة النيكل، وMFCN، وما إلى ذلك، تم إجراء التقييم من الصورة البصرية قبل وبعد التفاعل، ومقارنة طيف رامان، وكذلك تغير كثافة الشحنة بعد امتصاص NO ₂ ⁻، مما سلط الضوء أيضًا على تفوق وموثوقية قطب MPCN في سيناريو التطبيق الفعلي.

لقد أظهر نظام ECSN إمكانات تطبيق قوية وتأثيرات معالجة كبيرة في معالجة مياه الصرف الصحي الفعلية بالطلاء الكهربائي. وفي تجربة معالجة مياه الصرف الصحي الفعلية بالطلاء الكهربائي، نجح النظام في تحويل أكثر من 70% من النترات إلى كلوريد أمونيوم عالي النقاء. يرجع تحقيق هذه النتيجة إلى التأثير التآزري للمكونات المختلفة في النظام وظروف التفاعل المحسنة بعناية.

من منظور التصميم العام للنظام، فهو يشتمل على التجميع العقلاني لأقطاب MPCN وIrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti، وخلية التحليل الكهربائي المتدفقة المصممة خصيصًا، ووحدة لتجريد الأمونيا. يعد مسار التفاعل الجانبي لتحويل الأمونيا إلى نيتروجين أثناء عملية التفاعل أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل استرداد الأمونيا.

يعمل نظام ECSN على منع تفاعل أكسدة الأمونيا (AOR) بشكل فعال من خلال الإشعاع الضوئي. من البيانات التجريبية، يمكن أن نرى بوضوح أن هناك اختلافات كبيرة في كفاءة إزالة إجمالي الكربون العضوي (TOC) وانتقائية تحويل NO ∝⁻ إلى NH3 في ظل حالة الإشعاع الضوئي. يعمل الإشعاع الضوئي على تحسين معدل استرداد NH3 بشكل ملحوظ.

في خلية التحليل الكهربائي التي تتدفق عبرها، كشفت مراقبة التباين المحتمل لأنود IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti مع مرور الوقت أن عملية تجريد الأمونيا تمنع بشكل فعال AOR، مما يضمن استعادة أكثر كفاءة للأمونيا.

بالمقارنة مع البطاريات الغاطسة التقليدية، يُظهر نظام ECSN أيضًا مزايا كبيرة في كفاءة إزالة NO ∝⁻. يتيح مجال التدفق الفريد وتصميم المجال الكهربائي، بالإضافة إلى التأثير التآزري بين المكونات المختلفة، تقليل النترات وتحويلها بشكل أسرع وأكثر شمولاً، مما يحسن بشكل كبير كفاءة وجودة معالجة مياه الصرف الصحي، ويقلل وقت المعالجة والتكلفة، ويوفر حل فعال وممكن لمعالجة مياه الصرف الصحي في الإنتاج الصناعي الفعلي.

يشير التحليل الفني والاقتصادي وكذلك تحليل دورة حياة نظام ECSN إلى أن له جدوى ومزايا كبيرة من حيث الاقتصاد والبيئة.

فيما يتعلق بالتحليل الفني والاقتصادي، بالمقارنة مع طريقة المعالجة التقليدية EC SL، فإن نظام ECSN يقلل بشكل كبير من تكلفة معالجة NO ∝⁻ مياه الصرف الصحي لكل متر مكعب. ويعزى ذلك بشكل أساسي إلى عملية التفاعل الفعالة، وانخفاض استهلاك الطاقة، وبنية النظام البسيطة نسبيًا.

من حيث تكلفة المواد، على الرغم من أن عملية إعداد أقطاب MPCN للطباعة ثلاثية الأبعاد معقدة نسبيًا، إلا أن أدائها الممتاز واستقرارها على المدى الطويل يقللان من تكرار تكاليف استبدال القطب وصيانته. على المدى الطويل، فإنه يقلل من الاستثمار في تكلفة المواد الإجمالية. وفيما يتعلق بتكاليف التشغيل، فإن معدل التحويل المرتفع وانتقائية النظام يقلل من استهلاك الطاقة واستخدام الكواشف الكيميائية، مما يقلل من تكاليف التشغيل بشكل أكبر.

في التشغيل الفعلي، تؤدي الزيادة في معدل استرداد الأمونيا إلى تقليل تكلفة معالجة الأمونيا اللاحقة والخسائر الاقتصادية الناجمة عن فقدان الأمونيا.

من منظور تقييم دورة الحياة (LCA)، أظهرت أنظمة ECSN مزايا كبيرة في فئات التأثير البيئي المتعددة. ومن حيث انبعاثات الغازات الدفيئة، مقارنة بطرق المعالجة التقليدية، فقد تم تقليل انبعاثاتها بشكل كبير. وذلك لأن النظام يستهلك طاقة أقل أثناء التشغيل ويتجنب انبعاثات الغازات الدفيئة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية في بعض عمليات المعالجة التقليدية.

وفيما يتعلق بالسمية الأرضية والمائية، فقد لوحظت انخفاضات كبيرة بسبب الحد من التلوث الثانوي والمعالجة الفعالة وتحويل المواد الضارة. على سبيل المثال، عن طريق تحويل النترات إلى كلوريد الأمونيوم، يتم تجنب تراكم النترات في البيئة وتلوث التربة والمسطحات المائية. وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا إعادة تدوير كلوريد الأمونيوم كمادة خام كيميائية قيمة، مما يزيد من تعزيز الفوائد البيئية للنظام بأكمله.

من منظور تدفق المواد لإعادة تدوير أكاسيد النيتروجين وإنتاج NH ∝ في جميع أنحاء العالم، يتمتع نظام ECSN بإمكانيات تطبيق مهمة في دورة النيتروجين العالمية. يمكنه تحويل موارد نترات النفايات بشكل فعال إلى موارد أمونيا مفيدة، وتعزيز إعادة تدوير موارد النيتروجين، وتقليل الاستغلال والاعتماد على مصادر النيتروجين الجديدة، ولعب دور إيجابي في تعزيز التنمية المستدامة لدورة النيتروجين العالمية.