电渗析技术在铵离子回收方面的技术经济建模与碳足迹分析

《Journal of Cleaner Production》：Techno-economic modeling and carbon footprint analysis of electrodialysis technology for ammonium ion recovery

氨回收技术经济性与环境影响分析：比较电渗析与空气搅拌工艺。电渗析通过膜分离和电场驱动实现高效氨回收，单吨成本2.63美元，较传统空气搅拌降低59%。研究采用过程建模和TEA框架，揭示电渗析在设备占地、化学耗量、碳排放方面的优势，但需优化操作参数和膜材料以提升经济性

　　

张正文|穆罕默德·塔赫米德|崔熙俊|玛尔塔·C·哈泽尔|罗杰·H·弗伦奇|袁克里斯

美国俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学机械与航空航天工程系，邮编44106

引言

为了防止厌氧消化产生的消化物中的铵盐对水生生态系统产生不良影响，有必要减轻其污染（Aka等人，2023年）。许多国家都对废水排放中的铵盐浓度实施了严格的限制（Proskynitopoulou等人，2024年；张正文和刘伟，2021年）。然而，传统的废水处理方法（如硝化-反硝化过程）通过将铵盐转化为氮气排放物来去除铵盐，但缺乏回收铵盐的能力（Munasinghe-Arachchige和Nirmalakhandan，2020年）。随着对可持续废水管理需求的增加，以及人们对消化物作为宝贵肥料来源的认识不断提高，近年来铵盐回收技术受到了广泛关注（Beckinghausen等人，2020年；Meng等人，2024年；Pandey和Chen，2021年）。

在目前的废水处理厂中，空气 stripping（AS）技术是用于从消化物中回收铵离子的主要方法，全球有许多全规模系统正在运行（Yellezuome等人，2022年）。AS是一种物理化学过程，包括两个步骤来回收铵盐：首先，在高温和较高pH值条件下，消化物中的NH₄⁺被转化为NH₃；在此之前会安装CO₂脱除柱以减少碳酸盐沉淀的形成；其次，脱除的NH₃被转移到洗涤柱中，与硫酸反应生成硫酸铵（Palakodeti等人，2021年）。然而，AS过程需要大量的碱来提高pH值，并需要酸来提高回收效率。维持NH₄⁺转化为NH₃所需的高温条件会带来巨大的热能需求。此外，为了有效提取NH₃和回收NH₄⁺，还需要高大的设备，这增加了设备的占地面积和投资成本（Wu和Vaneeckhaute，2022年）。因此，高化学消耗、热能需求和设备投资共同导致了AS技术的较高资本和运营成本（Kar等人，2023年；Munasinghe-Arachchige和Nirmalakhandan，2020年）。此外，AS过程产生的CO₂排放也会增加温室气体（GHG）排放，从而加剧其对环境的影响（Shin等人，2022年）。因此，需要具有更好经济和环境性能的替代技术来回收铵盐。

在先进的铵盐回收技术中，电渗析技术被认为是一种有前景的方法（Proskynitopoulou等人，2024年；Tahmid等人，2024年；Xiao等人，2023年）。电渗析是一种基于膜的技术，利用电势来驱动铵离子的迁移。通过将多个电渗析堆叠串联使用，浓缩液中的铵盐浓度可超过20 g/L，为肥料生产提供了合适的解决方案（Shi等人，2018年；Tahmid等人，2024年）。电渗析回收过程在一个紧凑的堆叠中完成，可以减少空间需求并简化操作程序（Strathmann，2010年）。电渗析还可以在不使用化学添加剂或热能输入的情况下回收铵离子，从而降低运营成本。此外，它避免了NH₃挥发和CO₂脱除，从而消除了直接的温室气体排放（Zhou等人，2023年）。

因此，由于电渗析在回收效率、经济可行性和环境友好性方面的优势，它在铵盐回收方面显示出巨大潜力。如表S1所总结的，一些先前的研究已经进行了经济分析以评估电渗析系统的性能。然而，这些研究大多集中在海水淡化应用上，而在技术成熟度、目标离子传输机制和系统配置方面与铵盐回收有所不同。尽管有一项研究考察了电渗析在氮去除方面的性能，但并未研究铵盐回收的经济潜力（Vineyard等人，2020年）。为了填补这一知识空白，本研究应用并调整了现有的电化学模型和技术经济分析（TEA）框架，以评估电渗析在铵盐回收中的应用。TEA的结果与基线AS技术进行了对比。本研究旨在提高对电渗析整体经济性能的理解，并为其未来的商业化发展提供指导。

部分摘录

系统边界和基线配置

TEA模型的系统边界和电渗析堆叠的示意图如图1所示。电渗析堆叠包括阴极、阳极、阳离子交换膜（CEMs）、阴离子交换膜（AEMs）以及间隔物。CEMs和AEMs以交替的方式排列，形成浓缩室和稀释室。由一个CEM、一个AEM、一个浓缩室和一个稀释室组成的单元构成了电渗析堆叠的基本单元。

技术经济分析结果

为了评估电渗析在铵盐回收方面的经济性能，进行了成本贡献分析以确定主要成本热点。如图2所示，资本成本占最大比例，为39%，其次是能源成本和其他运营成本，占26%，而预处理成本仅占9%。超滤在总回收成本中的比例最低，表明预处理步骤对整体经济性能的影响较小。

结论

本研究通过基于过程的建模，对电渗析技术的经济性和碳足迹进行了评估。将电渗析的TEA结果与基线AS技术进行了比较，以评估电渗析在铵盐回收方面的可行性。电渗析的总回收成本为2.63美元/千克NH₄⁺，比基线AS技术降低了59%。通过调整关键运营参数……

CRediT作者贡献声明

张正文：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构思。穆罕默德·塔赫米德：撰写 – 审稿与编辑、资源提供。崔熙俊：撰写 – 审稿与编辑、资源提供。玛尔塔·C·哈泽尔：撰写 – 审稿与编辑。罗杰·H·弗伦奇：项目管理、资金筹集。袁克里斯：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本材料得到了国家科学基金会、EEC工程教育与中心、NSF工程研究中心（NSF 20-553 Gen-4工程研究中心）（项目编号[2133576]的财政支持。本文中的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，并不一定反映国家科学基金会的立场。