電気めっきや太陽光発電などの多くの工業生産活動では、硝酸塩を豊富に含む大量の廃水が生成されます。蒸発結晶化や埋め立て処理などの従来の硝酸塩廃水の処理方法には、一般にエネルギー消費量が多く、効率が低く、二次汚染を受けやすいなどの欠点があります。
同時に、世界的なアンモニアの需要は増加し続けています。アンモニアは、肥料、化学原料、エネルギー媒体として、農業と工業の両方で重要な役割を果たしています。
これに関連して、硝酸塩廃水を適切に処理し、アンモニアを効率的に回収できる持続可能な技術を開発することが特に重要かつ緊急です。
「膜を含まない電気化学システムを使用した硝酸塩が豊富な廃水からのアンモニアの回収」に関する研究結果が Nature Sustainability に掲載されました。
膜を使わない電気化学システムの革新的な設計と原理
この研究は、硝酸塩廃水処理とアンモニア回収の問題を解決するための新しいアプローチと方法を提供する、非常に革新的な無膜電気化学システム (ECSN) を提案します。
このシステムには電極触媒による硝酸塩還元 (ENRR) 技術が巧みに組み込まれており、特定の電極反応とプロセス設計を通じて廃水中の硝酸塩を高純度の塩化アンモニウムに変換することに成功し、同期した硝酸塩還元とアンモニア回収を実現します。
システムの中核コンポーネントの 1 つは、3D プリンティング技術を使用して作成された金属ガラスで装飾された銅ニッケル (MPCN) 作用電極です。この電極作製プロセスは独特で、選択的レーザー溶解技術を使用して電極構造を層ごとに構築します。
多面的に優れた特性を持っています。構造的な観点から、X 線コンピューター断層撮影法による再構成を通じて、反応物の輸送と反応の完全な進行に役立つ適切な多孔性と慎重に設計された電解質経路を備えていることが推測できます。
材料特性に関しては、X 線回折パターンとリートベルト精密化の結果は、良好な結晶構造を持っていることを示し、一方、高解像度透過型電子顕微鏡画像は、電極コアが銅ニッケル合金構造であり、アモルファス金属層を備えていることを示しています。表面を覆うガラス。
この非晶質層の形成は、3D プリンティング プロセス中の表面および内部領域の温度分布と密接に関係しています。表面の冷却速度が比較的遅いため、非晶質構造の形成が促進され、この非晶質層により電極に優れた耐食性が付与され、複雑な廃水環境でも安定して動作することが可能になります。
さらに、ECSN システムには UV 補助剥離ユニットも統合されています。このユニットは電気化学プロセスにおいて重要な役割を果たします。従来の電気化学システムでは、アンモニアはアノードで二次酸化反応を起こしやすく、その結果、アンモニアの回収率が低下します。
UV 支援ストリッピング ユニットは、アノードでのアンモニアの酸化を効果的に抑制できます。光照射の作用により、反応系内の化学平衡や反応速度が変化し、反応系からアンモニアをより効率的に剥離・回収できるようになり、系全体のアンモニア回収効率が大幅に向上します。
電極性能と触媒機構の解析
MPCN 電極は、膜を使用しない電気化学システムで優れた性能を発揮します。電極触媒による硝酸塩還元反応 (ENRR) プロセスでは、その性能が一連の実験方法を通じて徹底的に分析されました。
さまざまな電位でのフーリエ変換赤外分光法 (FTIR) 実験により、MPCN 電極が NO ∝- に対して優れた吸着能力を持ち、反応プロセス中に中間生成物の生成を効果的に促進できることが示されました。
オンライン示差電気化学質量分析 (DEMS) 記録には、反応プロセス中の NO、NO 2、NH3 の生成が明確に表示され、これらのデータから反応プロセスと物質変換経路を正確に追跡できます。
さらなる研究により、ENRR 自由エネルギー経路の計算により NO ∝⁻ から NH ∝ への詳細な反応段階が明らかになり、NO から NOH への変換が反応全体の律速段階であることが判明しました。この発見は、将来的に電極の性能と反応条件をさらに最適化するための非常に重要な理論的基礎を提供します。
{{0}}.5 Vの条件下で、MPCN電極のNH3-窒素生成率は0.94 mmol h -1 cm - 2と高く、ファラデー効率は93%を超えます。 。これらのデータは、硝酸塩を迅速かつ選択的にアンモニアに変換できる、ENRR 反応における MPCN 電極の効率的な触媒性能を十分に示しています。
さらに、MPCN 電極は優れた電気化学的安定性を示し、200 mA cm 2 の工業用電流密度で 1000 時間以上連続して安定した動作が可能です。
この長期安定性試験の結果は、実際の硝酸塩が豊富な廃水で実施されました。 Cu発泡体、Ni発泡体、MFCN等の他の電極との比較により、反応前後の光学像、ラマンスペクトルの比較、NO 2 吸着後の電荷密度変化から評価を実施しました。 ⁻、これは実際の応用シナリオにおける MPCN 電極の優位性と信頼性をさらに強調しました。
実際の廃水処理におけるシステムの適用効率
ECSN システムは、実際の電気めっき廃水の処理において、強力な応用可能性と顕著な処理効果を実証しています。実際の電気めっき廃水の処理実験では、硝酸塩の70％以上を高純度塩化アンモニウムに変換することに成功しました。この結果は、システム内のさまざまなコンポーネントの相乗効果と慎重に最適化された反応条件によるものです。
全体的なシステム設計の観点から、MPCN と IrO 2 - Ta 2 O 5/Ti 電極の合理的なアセンブリ、特別に設計されたフロースルー電解セル、およびアンモニアストリッピング用のユニットが含まれています。反応プロセス中にアンモニアが窒素に変換される副反応経路は、アンモニアの回収率に影響を与える重要な要素の 1 つです。
ECSN システムは、光照射によりアンモニア酸化反応 (AOR) を効果的に抑制します。実験データから、光照射条件下で全有機炭素 (TOC) の除去効率と NO ∝- から NH3 への変換の選択性に大きな差があることが明確にわかります。光照射により NH3 の回収率が大幅に向上します。
フロースルー型電解槽において、IrO 2 - Ta 2 O 5 /Ti アノードの電位変化を経時的に監視したところ、アンモニアストリッピングプロセスが AOR を効果的に抑制し、アンモニアをより効率的に回収できることが明らかになりました。
従来の浸漬型電池と比較して、ECSN システムは NO ∝- 除去効率においても大きな利点を示します。その独自の流れ場と電場設計、およびさまざまなコンポーネント間の相乗効果により、硝酸塩の削減とより迅速かつ完全な変換が可能になり、廃水処理の効率と品質が大幅に向上し、処理時間とコストが削減され、実際の工業生産における廃水処理のための効率的かつ実現可能なソリューション。
経済的および環境的利点の評価
ECSN システムの技術的および経済的分析とライフサイクル分析により、ECSN システムには経済と環境の面で大きな実現可能性と利点があることが示されています。
技術的および経済的分析の観点から、従来の EC SL 処理方法と比較して、ECSN システムは立方メートルあたりの NO ∝⁻ 廃水の処理コストを大幅に削減します。これは主に、効率的な反応プロセス、低いエネルギー消費、および比較的単純なシステム構造に起因します。
材料コストの点では、3D プリンティング用の MPCN 電極の準備プロセスは比較的複雑ですが、その優れた性能と長期安定性により、電極交換の頻度とメンテナンスコストが削減されます。長期的には、全体的な材料コストの投資が削減されます。運用コストの点では、システムの高い変換率と選択性によりエネルギー消費と化学試薬の使用が削減され、運用コストがさらに削減されます。
実際の操作では、アンモニア回収率の増加により、その後のアンモニア処理のコストとアンモニアの損失によって引き起こされる経済的損失が削減されます。
ライフサイクル評価 (LCA) の観点から見ると、ECSN システムは複数の環境影響カテゴリーにおいて大きな利点を実証しています。温室効果ガスの排出量に関しては、従来の処理方法と比較して大幅に削減されています。これは、システムの動作中のエネルギー消費が少なく、一部の従来の処理プロセスにおける化学反応によって引き起こされる温室効果ガスの排出が回避されるためです。
陸生および水生の毒性に関しては、二次汚染の減少と有害物質の効果的な処理と変換により、大幅な減少が観察されています。たとえば、硝酸塩を塩化アンモニウムに変換することにより、環境中の硝酸塩の蓄積や土壌や水域の汚染が回避されます。同時に、塩化アンモニウムは貴重な化学原料としてリサイクルすることもできるため、システム全体の環境上の利点がさらに高まります。
世界中の NO ∝⁻ リサイクルと NH ∝ 生産のマテリアル フローの観点から、ECSN システムは地球規模の窒素循環において重要な応用可能性を持っています。廃棄硝酸資源を有用なアンモニア資源に効果的に変換し、窒素資源のリサイクルを促進し、新たな窒素源の開発と依存を削減し、地球規模の窒素循環の持続可能な発展を促進する上で積極的な役割を果たします。