电化学离子交换系统（EIXS）选择性分离铵离子：基于铜铁氰化铁电极的高效回收与环境应用

研究人员针对废水中铵离子（NH4+）引发的生态毒性问题，开发了一种基于铜铁氰化铁（CuHCF）和铁铁氰化铁（FeHCF）电极的电化学离子交换系统（EIXS）。该系统无需昂贵聚合物膜即可选择性吸附/解吸NH4+，在模拟废水中实现6.9?Wh/mol的低能耗回收，循环300次后容量保持率达96.8%，为可持续氮资源回收提供了创新解决方案。

　　

论文解读

背景与挑战
氨（NH₃）作为潜在的氢能源载体，其高能量密度（5.2 kWh/kg）和零碳特性备受关注。然而，废水中的铵离子（NH₄⁺）却是环境杀手——它会导致水体富营养化、土壤酸化，甚至破坏整个水生生态系统。全球人口激增使得生活与工业废水中的氨排放问题雪上加霜。传统生物处理法（如硝化-反硝化）不仅速度慢、设施庞大，还会将宝贵的铵资源转化为难以回收的硝酸盐。其他技术如化学沉淀、气提法又面临高盐环境下选择性差的困境。如何在复杂水质中高效“抓取”铵离子，同时避免能耗过高或二次污染？这成为环境工程领域的“卡脖子”难题。

创新解决方案
Hongik大学的研究团队在《Desalination》发表的研究中，提出了一种革命性的电化学离子交换系统（EIXS）。该系统模仿摇椅电池（rocking-chair battery）原理，利用铜铁氰化铁（CuHCF）对NH₄⁺的特异性亲和力，以及铁铁氰化铁（FeHCF）的钠离子（Na⁺）释放特性，构建了无膜化离子分离体系。通过交替充放电循环，CuHCF电极像“智能捕手”般选择性吸附NH₄⁺，而FeHCF电极则充当“离子缓冲区”，有效阻止NH₄⁺的再吸附，实现了“吸附-浓缩-回收”的一体化流程。

关键技术方法
研究团队采用共沉淀法合成CuHCF和FeHCF纳米立方颗粒，通过动力学控制结晶获得均匀形貌。系统性能测试包含三部分：（1）等摩尔Na⁺/NH₄⁺混合溶液中的离子选择性实验；（2）模拟生活废水的处理评估；（3）300次充放电循环稳定性测试。电化学表征采用循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD），结合扫描电镜（FESEM）和X射线衍射（XRD）分析材料结构。

研究结果

1. 材料特性：FESEM显示合成的CuHCF和FeHCF呈现规整纳米立方结构，XRD证实其晶体结构与普鲁士蓝类似物一致，为离子嵌入/脱出提供了稳定框架。
2. 选择性分离：在含等量Na⁺和NH₄⁺的溶液中，CuHCF对NH₄⁺的吸附量是Na⁺的3.2倍，归因于其晶格尺寸与NH₄⁺的水合半径高度匹配。
3. 实际废水处理：模拟废水中，系统以6.9?Wh/mol的能耗实现NH₄⁺回收，远低于传统电渗析（ED）的15?Wh/mol。
4. 循环稳定性：300次循环后容量保持率高达96.8%，FeHCF电极的“离子筛”效应有效抑制了NH₄⁺交叉污染。

结论与意义
这项研究突破了传统电化学分离技术依赖昂贵离子交换膜的瓶颈，通过CuHCF/FeHCF电极的协同作用，首次实现了废水铵离子的高选择性、低能耗回收。其意义不仅在于解决了环境治理难题，更将NH₄⁺转化为可循环氮资源，为“氨经济”闭环提供了关键技术支撑。未来通过优化电极材料（如调控Fe/Cu比例）和扩大系统规模，该技术有望在污水处理厂、农业径流治理等领域实现工业化应用。