纤铁矿整合的电化学碱化氧化系统实现尿液中尿素稳定与磷回收协同调控

《Nature Communications》：Mineral-integrated electrochemical system enabling membrane-free pH swing and active chlorine species generation for urine valorization

　　

摘要

人体尿液是一种富含养分的储库，如果加以回收，可以显著弥补全球肥料需求。然而，其潜力仍未得到充分开发，因为源头的快速尿素水解导致氮和磷通过不受控的沉淀损失，同时引起管道堵塞和恶臭产生。在此，我们报道了一种纤铁矿（CaSiO₃）整合的电化学碱化和氧化（EAO）系统，该系统能够实现尿素稳定和磷回收的同时进行。阳极质子驱动的CaSiO₃溶解释放Ca²⁺，与阴极产生的碱性结合促进磷酸盐沉淀，而阳极氧化则抑制脲酶介导的尿素水解。我们表明，驱动力在于电极附近的微环境，该微环境具有不同的pH值、Ca²⁺和活性氯梯度。以12 A m^?2处理两倍稀释的尿液产生最节能的场景（20.11 kWh kg^?1 P，2.99 kWh m^?3尿液），在实际尿液中实现96.0%的磷酸盐回收和稳健的尿素稳定。我们期望EAO系统能够创建一种可扩展的电化学途径，在分散式卫生设施中闭合养分循环，支持可持续肥料生产和尿液管理。