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北京中研環(huán)科

圍繞科研 服務(wù)科研

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EC-ATR丨華中師大張禮知WR:可再生能源驅(qū)動(dòng)的透過式耦合裝置實(shí)現(xiàn)電化學(xué)還原硝酸根到氨和氨原位回收
來源: | 作者:中研小研 | 發(fā)布時(shí)間: 2023-09-18 | 302 次瀏覽 | 分享到:

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第一作者:周兵(華中師范大學(xué))、占光明(上海交通大學(xué))
通訊作者:么艷彩副教授(上海交通大學(xué))、張禮知教授(華中師范大學(xué),上海交通大學(xué))
論文DOI: 10.1016/j.watres.2023.120256
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圖文摘要

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成果簡(jiǎn)介

近日,張禮知教授課題組在Water Research上發(fā)表了題為“Renewable Energy Driven Electroreduction Nitrate to Ammonia and in-situ Ammonia Recovery via a Flow-Through Coupled Device”的研究論文(DIO: 10.1016/j.watres.2023.120256),開發(fā)了用于連續(xù)電化學(xué)還原硝酸根產(chǎn)氨和原位回收氨的透過式耦合裝置。作者通過將透過式流動(dòng)電解池和中空疏水透氣膜單元進(jìn)行巧妙組合,實(shí)現(xiàn)了硝酸根到氨的快速轉(zhuǎn)換和同步高效回收氨。這項(xiàng)工作為硝酸根廢水資源化利用提供了一個(gè)可行方案。

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全文速覽

本研究設(shè)計(jì)了一種可再生能源驅(qū)動(dòng)的新型透過式耦合裝置,旨在實(shí)現(xiàn)NO3?廢水資源化利用。該裝置的緊湊透過式流動(dòng)電解池能夠強(qiáng)化NO3?傳質(zhì),有利于促進(jìn)NO3?還原到NH3。同時(shí),無需調(diào)節(jié)廢水pH和額外輸入能量,疏水透氣膜組件能夠快速原位回收NH3。通過耦合高性能的Cl-Cu整體電極,該透過式耦合裝置能夠在50 mg NO3?-N L?1廢水中持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行100 h,并實(shí)現(xiàn)420 μg h?1 cm?1的氨回收速率。在太陽能驅(qū)動(dòng)下,該裝置也能將工業(yè)NO3?廢水達(dá)標(biāo)處理并實(shí)現(xiàn)接近100%NH3回收效率,展現(xiàn)出巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

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引言

電化學(xué)還原處理硝酸根廢水并原位回收氨,有利于控制水體氮污染和實(shí)現(xiàn)氮循環(huán)利用。然而,該技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)是缺乏連續(xù)還原NO3?和原位回收NH3的集成式裝置。合理設(shè)計(jì)反應(yīng)器是應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。針對(duì)低濃度NO3?廢水中電化學(xué)轉(zhuǎn)換效率受限于傳質(zhì)的問題,優(yōu)化電解池中流體流動(dòng)模型被證實(shí)是有效措施。當(dāng)溶液透過式穿過(Flow-through)多孔電極時(shí),其擴(kuò)散層距離將會(huì)從300 μm降低至1μm,這將顯著促進(jìn)NO3?傳質(zhì)。此外,采用緊湊的兩電極單池構(gòu)型能夠避免膜污染和降低內(nèi)阻,進(jìn)而降低能耗。

與此同時(shí),受到反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量OH?能夠促進(jìn)NH4+向氣態(tài)NH3轉(zhuǎn)變的啟發(fā),我們采用疏水透氣膜構(gòu)建氣路通道,進(jìn)而利用酸液捕獲NH3,實(shí)現(xiàn)NH3回收。為了減少NH3在電解池中被氧化,在溶液流經(jīng)纖維膜過程中,膜內(nèi)外壓力差將驅(qū)動(dòng)NH3自發(fā)向膜外擴(kuò)散,進(jìn)而與酸液反應(yīng)生成NH4+。該設(shè)計(jì)確保了NH3的選擇性滲透,同時(shí)阻止膜內(nèi)外離子的擴(kuò)散,因此可生產(chǎn)高純度氮肥(NH4Cl或者(NH4)2SO4)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的透過式耦合裝置的有效性,并探究其在實(shí)際廢水中的應(yīng)用前景,我們制備了氯修飾泡沫銅電極(Cl-Cu),用于電化學(xué)還原NO3?產(chǎn)NH3。
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圖文導(dǎo)讀

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Fig. 1. Scenario of renewable energy driven electrochemical nitrate reduction and in-situ NH3 recovery. Copyright 2023, Elsevier Inc.

材料表征

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Fig. 2. Structure characterizations. (a) Evolution of LSV curves during the electrochemical leaching process. (b) High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) image of Cl-Cu. (c) STEM-EELS elemental mapping images of Cl-Cu. (d) Cu LMM Auger spectra of Cl-Cu, CuCl and Cu. (e) The normalized XANES spectra of the Cl-Cu, referenced Cu foil, CuCl and CuCl2. (f) FT k3-weighted χ(k)-function of the EXAFS spectra at Cu K-edge. Copyright 2023, Elsevier Inc.

通過氧化法和電化學(xué)還原法制備了Cl-Cu電極。通過Cu LMM Auger譜和XANES發(fā)現(xiàn)修飾的ClCu載體產(chǎn)生了強(qiáng)相互作用,進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生電子缺陷金屬Cu位點(diǎn)(Cuδ+)。

Cl-Cu電化學(xué)還原NO3?性能測(cè)試

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Fig. 3. Electrocatalytic NITRR performance. (a) LSV curves of Cl-Cu and Cu with the presence or absence of NO3-. (b) The comparison of NH3 yield and corresponding faradaic efficiency over Cl-Cu and Cu at different working potentials. (c) Comparisons of NH3 yield, NO3- removal efficiency, selectivity and Faradaic efficiency between Cl-Cu and Cu. (d) The consecutive recycling tests at -0.65 V over Cl-Cu.  Copyright 2023, Elsevier Inc.

在三電極體系中初步評(píng)估Cl-Cu電化學(xué)還原NO3?產(chǎn)氨的性能。Cl修飾能夠顯著提升Cu的還原硝酸根的轉(zhuǎn)換率、選擇性、法拉第效率和產(chǎn)氨速率。同時(shí),Cl-Cu20次循環(huán)中也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

機(jī)理分析

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Fig. 4. Mechanism analysis. (a) Time-resolved ATR-FTIR spectra of Cl-Cu and Cu. (b) Schematic diagram of NO3- distribution on the surface of Cl-Cu and Cu. (c) In situ ATR-FTIR spectra of Cl-Cu and Cu at -0.65 V. (d) DMPO spin-trapping ESR spectra of Cl-Cu and Cu under argon atmosphere at -0.65 V. (e) The ELF of Cu (top) and Cl-Cu (below). (f) The NO3 adsorption configuration and charge density difference on Cu (top) and Cl-Cu (below), respectively. The yellow and blue iso-surfaces represent charge accumulation and depletion in the space, respectively. The iso-value is 0.0015 a.u. (g) The free-energy diagrams and pathways of H2O dissociation on Cu and Cl-Cu. Copyright 2023, Elsevier Inc.

時(shí)間分辨的原位紅外光譜(ATR-FTIR)揭示Cl誘導(dǎo)產(chǎn)生的Cuδ+能夠增強(qiáng)吸附NO3?,這將增加電極界面NO3?濃度,有利于促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同時(shí),原位電化學(xué)ATR-FTIR光譜,電子順磁波譜(ESR)和理論計(jì)算結(jié)果表明Cl和電極表面吸附H2O間存在的氫鍵作用(Cl???H?OH),能夠高效促進(jìn)H2O解離產(chǎn)生活性物種氫自由基(H*)用于NO3?還原。

基于Cl-Cu電極的透過式耦合裝置電化學(xué)還原硝酸根和原位回收氨性能測(cè)試

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Fig. 5. Electrochemical nitrate conversion and in-situ ammonia recovery by the flow-through coupled device.(a) Optical image of the flow-through coupled device for synchronous electrocatalytic nitrate conversion and in-situ ammonia recovery. (b) Time-dependent product distribution using the flow-through coupled device. (c) IC chromatograms after treatment. (d) Long-term operation at 800 mA with a sustained NH3 recovery. (e) XRD pattern of the recovered NH4Cl(s) product. The inset shows the mass of NH4Cl(s). (f) Time-dependent distribution of nitrogen species during the treatment of real industrial wastewater. (g) TNremoval efficiency and the concentration of generated NO2--N in the effluent during the continuous-flow operation of two tandem units for industrial wastewater treatment. Copyright 2023, Elsevier Inc.

基于Cl-Cu電極的透過式耦合裝置能夠在800 mA電流下穩(wěn)定運(yùn)行100 h,獲得超過420 μg h?1 cm?1的回收氨產(chǎn)率。同時(shí),該裝置能夠從低濃度NO3-溶液中(50 mg NO3--N L?1)持續(xù)回收富集氨,實(shí)現(xiàn)高純度氯化銨生產(chǎn)。在處理實(shí)際工業(yè)廢水中,也表現(xiàn)出91.2%的總氮去除率和接近100%的氨回收率,實(shí)現(xiàn)了廢水達(dá)標(biāo)處理和資源回收利用

經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析

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Fig. 6. Economic feasibility analysis of flow-through coupled device. (a) The expenditure analysis with or without the consideration of ammonia profits under multiple NO3?-N concentration from 50 to 300 mg L?1. (b) Optical image of the solar-driven coupled device. (c) Time-dependent distribution of nitrogen species during the real wastewater treatment with the solar driven coupled device under real sunlight. (d) The evolution of current and recovered NH4+concentration under real sunlight at different time. Copyright 2023 Elsevier Inc.

回收氨產(chǎn)生的收益能夠降低電化學(xué)技術(shù)廢水處理成本的21% ~ 33%。在太陽能驅(qū)動(dòng)下,該耦合裝置也能將工業(yè)NO3-廢水達(dá)標(biāo)處理和高效回收NH3。

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小結(jié)
本工作報(bào)道了一種用于連續(xù)電化學(xué)還原處理NO3-廢水和原位回收NH3的透過式耦合裝置。該耦合裝置的核心是Cl-Cu陰極和商業(yè)DSA陽極構(gòu)成的兩電極透過式流動(dòng)電解池,能夠促進(jìn)NO3-傳質(zhì)并實(shí)現(xiàn)高效還原NO3-NH3。而電解池和氨回收單元的緊密銜接能夠有效減少NH3氧化。同時(shí),無需調(diào)節(jié)溶液pH或者輸入能量,該裝置便可實(shí)現(xiàn)高效回收氨?;?/span>Cl-Cu電極的流動(dòng)耦合裝置可在800 mA的大電流下連續(xù)運(yùn)行100小時(shí),其氨產(chǎn)率穩(wěn)定在420 μg h?1cm?2。在太陽能驅(qū)動(dòng)下,該耦合裝置也表現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際廢水處理性能和接近100%NH3回收性能,展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
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課題組介紹

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么艷彩 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閱卧哟呋?、環(huán)境/能源電催化。以第一作者/通訊作者身份在Nature Catalysis、Journal of the American Chemical SocietyAngewandte Chemie International Edition2篇)、Water Research、Science Bulletin等期刊發(fā)表SCI論文12篇,部分研究成果被Chemical Review、Chemical Society Reviews、Technology Times、EurekAlert! 等國(guó)際科學(xué)媒體廣泛報(bào)道并多次被新華社、人民日?qǐng)?bào)、《人民日?qǐng)?bào)(海外版)》、人民網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)等多家國(guó)內(nèi)外主流媒體關(guān)注。申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng),授權(quán)并成果轉(zhuǎn)化1項(xiàng)。撰寫英文專著1部。曾獲中科院“百篇優(yōu)博論文”和中科院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)、第7屆全國(guó)水處理與循環(huán)利用學(xué)術(shù)會(huì)議優(yōu)秀報(bào)告獎(jiǎng)。先后獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委面上項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題、博士后站前特別資助、博士后面上資助等7項(xiàng)省部級(jí)項(xiàng)目資助?,F(xiàn)任Colloid and Surface Science編委

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張禮知  上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授,國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者,科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,中組部萬人計(jì)劃科技領(lǐng)軍人才。主要研究領(lǐng)域?yàn)槲廴究刂苹瘜W(xué)、光催化、環(huán)境催化材料設(shè)計(jì)合成。已獲授權(quán)專利40余項(xiàng)。在Chem、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Environmental Science & Technology等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文360多篇,其中29篇入選ESI高被引論文。截至20234月論文已被引用大于41216次,H因子1112008年獲得湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(第一完成人),2011年獲湖北省青年科技獎(jiǎng),并入選湖北省自主創(chuàng)新雙百計(jì)劃,2012年入選湖北省高端人才引領(lǐng)培養(yǎng)計(jì)劃和湖北省高層次人才工程,2014年起連續(xù)入選Elsevier發(fā)布化學(xué)領(lǐng)域中國(guó)高被引學(xué)者榜單,2015年獲教育部高等學(xué)??茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)(科學(xué)技術(shù))自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(第一完成人),2018年起連續(xù)入選ClarivateWeb of Science)交叉領(lǐng)域全球高被引科學(xué)家榜單,2019年獲湖北省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)(第一完成人)。
周兵  華中師范大學(xué)2020級(jí)碩士研究生,導(dǎo)師為張禮知教授。目前主要從事銅電極的修飾及其電化學(xué)還原硝酸根性能增強(qiáng)的研究。


備注:
Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2023, Elsevier Inc
參考文獻(xiàn):
Zhou, B.?; Zhan, G. M.?; Yao, Y. C.*; Zhang, W. X.; Zhao, S. X.; Quan, F. J; Fang, C. Y; Shi, Y. B.; Huang, Y.; Jia, F. L.; Zhang, L. Z.* Renewable Energy Driven Electroreduction Nitrate to Ammonia and in-situ Ammonia Recovery via a Flow-Through Coupled Device. Water Res, 2023: 120256.
文章鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120256