微生物燃料电池耦合电池去离子技术：废水中铵离子选择性回收的可持续创新方案

为解决传统污水处理能耗高、铵离子(NH4+)资源化效率低的问题，台湾研究团队开创性整合微生物燃料电池(MFC)与电池去离子(BDI)技术，构建MFC-BDI系统。该系统利用镍铁氰化物(NiHCF)电极选择性捕获NH4+，在0.55V低电压下实现81%电荷效率，NH4+/Na+选择性系数达16.28，为废水资源化提供零能耗新范式。

　　

随着全球人口增长和工业化进程加速，废水中的铵离子(NH₄⁺)已成为一把双刃剑——既是农业和工业不可或缺的原料，又是导致水体富营养化的主要元凶。传统处理技术如生物脱氮需要添加碱度，而哈伯法合成氨则需高温高压，这些方法不仅能耗惊人，还伴随大量碳排放。更棘手的是，现有回收技术如鸟粪石沉淀和氨吹脱，都依赖化学药剂调节pH值，经济性和可持续性备受挑战。在此背景下，如何实现NH₄⁺的低能耗选择性回收，成为推动水处理领域循环经济转型的关键突破口。

台湾大学的研究团队在《Desalination》发表的研究中，创造性地将两种前沿技术——微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)和电池去离子(Battery Deionization, BDI)进行联姻，开发出全球首个MFC-BDI集成系统。该系统通过MFC降解有机物产生生物电能，驱动BDI单元中的镍铁氰化物(NiHCF)电极选择性捕获NH₄⁺，实现了"污染物处理-能源自给-资源回收"三位一体的闭环解决方案。

研究团队采用三大关键技术：通过共沉淀法合成NiHCF电极材料，利用循环伏安法和恒电流充放电测试评估其电化学性能；构建双室MFC反应器，以CO₂/乙酸盐和K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆作为氧化还原对；将MFC作为电源直接驱动BDI单元运行，采用离子色谱分析NH₄⁺去除效率。

电极材料特性
SEM和XRD表征证实成功合成具有面心立方结构的NiHCF，其特有的[Fe^II(CN)₆]^4?空位为NH₄⁺提供了优先嵌入位点。电化学测试显示在0.55V工作电压下，NiHCF对NH₄⁺的吸附遵循准二级动力学模型，表明化学吸附占主导。

MFC-BDI协同性能
当处理模拟生活污水时，MFC在开路电压0.78V下稳定输出0.55V工作电压，COD去除率达92%。BDI单元在无外源供电情况下，NH₄⁺平均去离子容量达0.32mmol/g，显著高于Na⁺(0.02mmol/g)等竞争离子。通过原位X射线衍射证实，NH₄⁺优先占据NiHCF晶格中的八面体间隙，其选择性系数(K_NH4/Na)高达16.28。

机制解析
研究发现较低电压(0.55V)可抑制阳极副反应产生H₃O⁺，减少其对NiHCF插层位点的竞争。NiHCF的氧化还原反应遵循Fe^III/Fe^II价态转换机制，伴随NH₄⁺的可逆嵌入/脱嵌，50次循环后容量保持率达91%。

这项研究开创了生物电化学系统与离子选择性电池材料协同的新范式。MFC-BDI系统不仅实现NH₄⁺的高效回收，其能源自给特性更使吨水处理能耗降低至传统方法的1/10。NiHCF电极对NH₄⁺的特殊亲和性源于晶格尺寸匹配效应，这为设计其他资源回收专用电极提供了分子模板。该技术有望应用于畜禽废水、垃圾渗滤液等高铵废水处理，推动水处理行业向"碳中和"目标迈进。正如通讯作者Chia-Hung Hou强调的，这种技术融合策略为同时解决能源危机、环境污染和资源短缺三重挑战提供了创新思路。