第一作者：Hang Dong董航 

通讯作者：William Tarpeh 

董航博士2022秋季学期加盟GTSI，本项目是他在斯坦福大学从事博士后工作期间所作。他主要从事基于低碳选择分离的资源回收和负碳技术。以下是董航博士对这一最新项目成果的介绍。

新技术解决了什么问题？

我们知道，污水中的氮可导致水体富营养化，威胁水生态系统。为了控制氮污染，通常采用生物硝化-反硝化过程将氨氮转化为氮气，然而氮肥供应需要通过高能耗的Haber-Bosch工艺重新将氮气转化为氨氮。这种以氮气作为中间体的氮循环不仅低效，还会造成大量能源消耗和温室气体排放。而直接从高含氮污水（如尿液）中回收高纯度氮作为肥料，有望解决这一难题。

离子交换是主要的氮分离回收方法之一，该技术具有高选择性和可模块化应用等优势，但离子交换材料的再生需要消耗大量化学品，阻碍了该技术的低碳化发展。

我们的项目设计了一种新型电气化离子交换氮分离技术（Electrified Ion Exchange Stripping, EXS），通过利用双极膜水电解产生的氢离子原位再生弱酸阳离子交换材料（WAC），并耦合氨氮选择性膜分离过程，实现了尿液中氮的选择性、电气化分离回收。通过全方位评估这一新技术，我们揭示了离子交换材料官能团对于材料再生性、导电性的重要作用，探明了电解液对于离子传输和能耗的影响。最终通过从合成和真实尿液中回收高纯度氮验证了技术的可行性。

利用EXS技术处理真实尿液

• 氢离子产生，双极膜 （BPM）通过水解产生氢离子；

• 树脂再生，氢离子从树脂上洗脱氨氮；

• 离子迁移，洗脱的氨氮通过电化学迁移穿过阳离子交换膜（CEM）到达阴极室并在碱性环境下变为氨气；

• 氮回收，气体氨扩散穿过气体分离膜 (GPM) ，并在捕集室回收为氨氮。

 

通过处理真实尿液，EXS证明了超过80%的电化学再生效率和氨氮回收效率。多次分离-再生循环实验验证了EXS技术的可行性和稳定性。此外，通过对比真实尿液（4000 mg/L氨氮）和合成尿液（8000 mg/L氨氮）的处理效能，表明EXS的性能不受污水本身成分变化的影响。这一点与其他直接使用污水作为电解液的电化学氮分离工艺不同。尿液通常因不同的收集地点和稀释程度展示出极大的成分波动，直接使用尿液作为电解液将导致工艺性能、能耗等的不稳定性，实验结果证明了EXS在应对不同尿液成分时的稳定性和优越性。

 

EXS技术应用前景

该工作设计的新型离子交换材料电气化再生策略，可极大减少离子交换氮分离技术的药品消耗，对离子交换技术电气化、低碳化发展具有积极意义，在分散式污水氮回收中具有良好的应用前景。