基于普鲁士蓝类似物耦合离子交换-电解系统实现氨氮可持续回收与氢能联产

针对厌氧消化污泥脱水液高浓度氨氮(TAN)去除难题，韩国土木工程与建筑技术研究院团队创新开发了普鲁士蓝类似物(PBA)吸附-电解耦合系统。研究证实该体系可稳定循环12次保持>87.6%的TAN回收率，同步实现<30 mg-N/L的出水标准与氢气生产，CAPEX/OPEX仅411万/319万美元，为废水资源化提供了技术经济双优解。

　　

氨氮污染治理与资源化一直是环境工程领域的重大挑战。随着全球氨市场需求激增（价格从2019年200美元/吨飙升至2024年480美元/吨），传统生物脱氮工艺暴露出能耗高（相当于Haber-Bosch工艺）、温室气体N₂O排放（温室效应为CO₂的300倍）等问题。特别是厌氧消化(AD)脱水液中>500 mg-N/L的总氨氮(TAN)因含难降解有机物，使得常规处理效率低下。韩国土木工程与建筑技术研究院(KICT)的Jeong-Hee Kang团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，创新性地将普鲁士蓝类似物(PBA)吸附与双极膜(BPM)电解技术耦合，实现了TAN高效回收与清洁能源联产。

研究采用铜基PBA固定化吸附剂选择性捕获铵离子(NH₄⁺)，通过1M KNO₃再生后，在碱性条件下电解氧化为氮气并副产氢气。关键技术包括：1) 采用实际AD废水进行12次循环柱实验验证稳定性；2) 通过Langmuir/Temkin模型拟合吸附行为(R²>0.99)；3) 构建BPM电解槽维持pH>9以促进直接电氧化；4) 全生命周期成本分析。

主要研究结果

1. 等温吸附与动力学：PBA对NH₄⁺展现特异性吸附，即使实际废水中存在Na⁺、K⁺等竞争离子，吸附容量仍保持稳定。
2. 连续柱实验：12次循环中TAN回收率始终>87.6%，PBA表面无竞争离子积累，离子交换效率未衰减。
3. 电解氧化性能：再生液中TAN在270分钟内降至<30 mg-N/L，即使NO₃^?和K⁺浓度>1M时氧化速率仍稳定，BPM持续提供OH^?维持反应pH。
4. 经济性评估：规模化系统CAPEX为410.9万美元，OPEX为319.1万美元，成本与传统处理工艺相当。

该研究突破性地解决了三个关键问题：首先，PBA材料在真实废水环境中的长期稳定性得到验证；其次，通过BPM电解槽设计克服了传统电氧化过程pH下降的瓶颈；最后，首次对耦合系统进行了全流程技术经济分析。研究成果不仅为高氨氮废水处理提供了新范式，更将氨污染治理提升至"资源回收-能源生产"的循环经济层面，对实现碳中和目标具有双重意义。值得注意的是，相比Gendel等早期研究仅使用模拟废水，本研究通过实际工程废水验证了技术的工业可行性，为后续产业化应用奠定了坚实基础。