第一作者：Zhang,Changyong
通讯作者：Waite,T.David
通讯单位：澳大利亚新南威尔士大学
论文DOI:10./acssuschemeng.9b
全文速览这项研究中提出了一种概念验证方法，使用基于活性炭颗粒的流动电极电容去离子(FCDI)，能够回收价值高得多的氨水，而不是生产低价值的铵盐。在电吸附过程中，铵和其他阳离子在离子交换膜上迁移，并在流动的活性炭阴极中积累，由于法拉第反应导致局部pH增加，导致铵的去质子化为未带电的NH3(AQ)。极性反转后，存在的持续带电的离子(通常是Na+、K+和Ca2+)被大量释放回废流中，而NH3(AQ)可以选择性地被困在阴极中，随后产生一种富氨的溶液，这是一种宝贵的资源。结果表明，FCDI工艺对其他阳离子的选择性可达3.7~11.4，在最佳操作条件下，氨水溶液的形成对含氮物种的去向起主导作用。图文解析在这项研究中使用流动电极系统进行选择性氨回收和富氨溶液的生产(图1a，b)。如图1c所示，在充电步骤中，当施加正电流密度时，阳离子(Na+和NH4+)通过阳离子交换膜(CEM)迁移并积累在阴极室中。由于不可避免的法拉第反应(特别是氧还原)，阴极pH增加到铵pKa(9.25)的值，这种高pH促进NH4+转化为未带电的NH3.在放电步骤(图1D)中，施加反向电流密度。阴极中的大部分Na+将释放回海水淡化室，但未带电的氨被CEM拒绝，从而选择性地集中在阴极室中。在充电阶段，NH4+和Na+浓度呈现相似的趋势，离子不断从海水淡化室中移出，其在阴极室中的浓度呈线性增加(图2a?d)。相反，在放电过程中，NH4+浓度的变化取决于碳含量；即在低碳含量(例如，图2a中的0wt%)时，随着出水中氮浓度的增加，阴极中的NH4+(或NH3)不会随着阴极中浓度的不断降低而发生捕获。对于较高的碳含量(例如，5wt%)，在放电的最初40分钟内，阴极上的氨损失很小(图2b)。碳含量对Na+在充放电过程中的迁移影响有限。总体而言，在充电阶段，NH4+的去除率略高于Na+，在高碳含量下放电时，NH4+的释放速率要慢得多。在无化学物的FCDI系统中，通过将富氨电解液从流动阴极中排出(通过沉淀或膜过滤去除碳粒)，可以实现选择性的氨回收。在电容系统中，双电层(EDL)中电荷(e?)和反离子(NH4+和Na+)的耦合可能与产生OH?的法拉第反应(如O2的还原)竞争。使用更高的碳含量增强了电容效应，抑制了法拉第过程，观察到的pH波动要小得多，这在放电步骤中具有重要意义。例如，当碳含量为5wt%时，阴极pH值在充电阶段从7.0上升到11.9，但在放电过程中由于质子产生的延缓而缓慢下降到9.2。然而，对于0wt%的碳含量，充电过程中pH首先上升到12.6，但在极性反转后迅速下降到4.2。因此，质子化的铵迁移回海水淡化室(图2a)。研究结果表明，在FCDI充放电过程中，废水进水中的大部分NH4+可以转化为不带电的形式并以不带电的形式存在，从而使带电离子选择性地释放回海水淡化室，同时将未带电的NH3保留在流动电极中，从而产生富氨溶液。关于NH3的潜在转化和长时间放电时的泄漏(图2b)，评估了两种充电/放电选项(分钟/40分钟和分钟/60分钟)。在min/40min的情况下，每个循环结束时(放电后)的最终电压和pH值分别为～0.8V和11.8V，这为阴极液中氨的富集提供了理想的先决条件；由于NH3在膜上的反向扩散受阻，在阴极中观察到水氨浓度近似线性增加(终值为mg·L?1)；相反，当放电时间延长到60min时，由于伴随的法拉第反应产生质子，导致氨质子化，然后反向扩散到海水淡化室，阴极pH不能维持在较高的值。质量平衡计算表明，氨主要存在于阴极液中，尤其是在最佳放电时间(40min时为45.3%)，没有观察到明显的Na+积累(图3)。
使用真实的生活污水(从当地厌氧膜生物反应器污水处理厂收集的污水)，进一步研究了通过FCDI产生富氨溶液的情况。经FCDI处理后，出水稳定，残余NH4+浓度低。在充电过程中，所有离子都聚集在阴极中，而在放电阶段，只有未带电的氨被捕获。经过3个周期的运行，氨对Na+、K+和Ca2+的选择性分别达到3.7、2.0和11.4。氨水对Ca2+的优越选择性部分归因于CaCO3(S)在流动电极上的沉淀，从而降低了阴极中溶解的Ca2+浓度。在此基础上，系统连续运行了9个周期(～25h)，以进一步评价氨回收性能。阴极pH在运行过程中表现出很好的重复性。氨在阴极中成功积累，最终浓度达到mg·L?1，而大部分Na+在此过程中被释放到海水淡化室，导致高N/Na+选择性为5.1.(图4)。
总结该研究使用流动电极系统进行选择性氨回收和富氨溶液的生产，根据充放电阴极室pH的变化，使NH4+转化为未带电的NH3。阴极中的大部分Na+将释放回海水淡化室，但未带电的氨被CEM拒绝，从而选择性地集中在阴极室中。文章链接：