疏水膜耦合电化学与生物电化学系统高效回收氮负载流中的铵盐：电极构型优化与性能评估

本研究针对传统废水处理中铵盐资源化回收难题，创新性地采用疏水膜耦合三室生物电化学系统（BES），系统评估了镍基气体扩散电极（GDE）与不锈钢/镍泡沫阴极在不同电流密度（5-7.5 A m?2）和电压（0.8-1.4 V）下的性能。结果表明，75 mA电流下 abiotic系统铵回收率（Rrec）达55 gN-NH4+ m?2 d?1，而1.4 V生物系统不锈钢阴极实现17 gN-NH4+ m?2 d?1回收率，能耗低至3 kWh/kgN，为废水氮资源化提供了高效低碳解决方案。

　　

在全球面临氮资源短缺与水体富营养化的双重挑战下，传统废水处理工艺将污水中90%的铵盐（NH₄⁺）转化为氮气排放，既浪费了潜在资源，又消耗大量能源。工业合成氨依赖的哈伯-博世工艺（Haber-Bosch）每年消耗全球2%的能源，而污水处理厂通过硝化-反硝化（nitrification-denitrification）去除铵盐的过程同样能耗巨大。如何实现废水中铵盐的高效回收，成为环境工程与资源循环领域的关键命题。

针对这一难题，来自中国的研究团队在《Bioelectrochemistry》发表了一项突破性研究。他们创新性地将疏水膜（hydrophobic membrane）与三室生物电化学系统（Bioelectrochemical System, BES）耦合，通过系统优化电极构型与运行参数，实现了氮负载流中铵盐的高效回收。研究团队首先在非生物（abiotic）电化学系统中测试了不同电流强度（50-75 mA）和初始铵浓度（0.3-3 g L^?1）对回收效率的影响，随后在生物电化学系统中对比了镍基气体扩散电极（Gas Diffusion Electrode, GDE）与物理分离的阴极-膜组合（不锈钢/镍泡沫+聚丙烯膜）的性能差异。

关键技术方法包括：（1）采用三室反应器构型，分别设置阳极室（碳毡阳极）、阴极室（CMI-7000阳离子交换膜分隔）和回收室（疏水聚乙烯膜分隔）；（2）通过扫描电镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析电极材料稳定性；（3）利用离子色谱测定NH₄⁺、Na⁺、K⁺迁移量；（4）计算铵去除率（R_rem）、回收率（R_rec）及负载比（L_N）等关键指标。

3.1 非生物实验结果
在电流驱动下，铵离子迁移主导了阳离子交换膜（CEM）的电荷传递。当初始铵浓度从0.5提升至2 g L^?1时，铵的电荷传输占比从20%增至89%。75 mA电流下，系统对3 g L^?1铵溶液的去除率高达97%，回收率达55 gN-NH₄⁺ m^?2 d^?1，但高电流导致GDE结构损伤。

3.2 生物电化学系统性能
镍基GDE在运行14天后因酸渗透导致镍溶解失效，而添加聚乙烯保护层的改进设计（Ni-PP-based GDE+PE）可稳定运行43天。不锈钢阴极（SS+PP）在1.4 V电压下表现最优，电流密度达0.31 A m^?2，铵去除率（R_rem）和回收率（R_rec）分别为21 gN-NH₄⁺ m^?2 d^?1和17 gN-NH₄⁺ m^?2 d^?1，能耗仅3 kWh/kg_N，显著低于非生物系统的16 kWh/kg_N。

这项研究通过材料创新与工艺优化，解决了传统空气吹脱法（air stripping）能耗高（17-26 kWh/kg_N）和GDE稳定性差的技术瓶颈。不锈钢阴极与疏水膜的分离设计不仅延长了系统寿命，还通过提升电流密度增强了铵迁移效率。该技术为废水处理厂实现"变废为宝"提供了可行路径，回收的铵盐可作为液态肥料（如(NH₄)₂SO₄）或能源载体（氨燃料），对推动循环经济和碳中和目标具有双重意义。未来研究可进一步探索高铵浓度废水（如畜禽废水）的处理潜力，并优化阴极材料以平衡成本与性能。